何斌全，黃勁松，李瓊峰，黃振林，郭宏海

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南 郴州市 423037； 2.杭州和利時自動化有限公司， 浙江 杭州 310018)

0 引言

集控平臺是將礦石開采、加工過程中具有感知、監(jiān)控能力的各類采集傳感器和控制器進行聯(lián)網(wǎng)，采集其生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，再運用數(shù)據(jù)融合、智能分析等技術不斷將分析的結果融入到金屬礦生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，從而大幅提高采礦、選礦的工作效率，改善礦石分選質量，降低成本和資源消耗，最終實現(xiàn)將傳統(tǒng)的礦石生產(chǎn)方式轉化為智能化方式。

柿竹園金屬礦集控平臺數(shù)據(jù)接入過程中，存在以下2個問題：設備、測點變化時系統(tǒng)無法自動識別；一部分測點在設備層、監(jiān)控層、執(zhí)行層的信 息已經(jīng)不一致，導致很多功能無法使用。為解決上述問題，采用一種新的數(shù)據(jù)接入方式——即插即用，進行技術研究和設計。功能主要包括：全面感知、實時采集和規(guī)范化集成，用數(shù)字化和可視化方式呈現(xiàn)；統(tǒng)一生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺和金屬礦信息模型；基于標準通信協(xié)議解決設備自動接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)設備自描述、自接入，做到系統(tǒng)自發(fā)現(xiàn)、自組態(tài)、“零”配置[1]。

1 系統(tǒng)整體設計

當外部設備增加、拆除時（要求該設備具備自描述能力），系統(tǒng)能自動偵測、識別并配置系統(tǒng)資源；不需要重新組態(tài)，或僅需要很少量的配置即可完成設備的維護工作。如在礦山自動化系統(tǒng)建設、生產(chǎn)和運維過程中，系統(tǒng)能夠主動發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場新安裝或拆除的設備（如移動變電站），并根據(jù)設備上送的自描述配置信息動態(tài)分配設備地址，自動識別設備上送的遙測、遙信等實時數(shù)據(jù)，并自動更新拓撲線路。

（1）即插即用的設備應支持自描述，設備之間支持互操作。

（2）SCADA系統(tǒng)對設備自動掃描、識別和連接。

（3）SCADA系統(tǒng)對設備的信息模型自動匹配。

（4）SCADA系統(tǒng)對接入的設備具備四遙功能。

（5）SCADA系統(tǒng)可接收設備的事件和日志，并存入系統(tǒng)[2-3]。

1.1 運行環(huán)境

（1）各EIP子網(wǎng)通過中繼器或網(wǎng)關設備組成域，域內(nèi)各EIP設備支持互操作，域內(nèi)各節(jié)點可刪減和擴充。

（2）工程師站：組態(tài)工具解析EDS文件，創(chuàng)建設備模板及其對應的設備實例。

（3）通信站：EIP通信協(xié)議站位于SCADA的FEP EIP驅動中，負責和域間的EIP設備通信，遍歷、掃描網(wǎng)絡中的設備。

（4）實時服務站：實時服務站運行實時庫服務，服務在啟動時負責在內(nèi)存中創(chuàng)建設備實例，且對實例進行綁定管理，構建拓撲信息。

（5）操作站：SCADA操作站上提供EIP設備的操作面板和參數(shù)窗口，可對EIP設備進行監(jiān)視和控制，動態(tài)展示設備拓撲結構及設備的運行狀態(tài)[4]。

1.2 整體架構

1.2.1 技術架構

即插即用相關組件與平臺之間的關系（紅色部分）見圖1。

圖1 即插即用相關組件與平臺之間的關系

（1）EIP驅動。設計FEP驅動程序實現(xiàn)和EIP設備的通信，該驅動程序功能設計包含：①驅動配置，F(xiàn)EP組態(tài)工具提供組態(tài)界面，可配置訪問方式、采集周期、用于與實時庫交互信息的數(shù)據(jù)點；②識別設備過程，通過發(fā)送ListIdentity命令，周期檢測目前網(wǎng)絡中存在的EIP設備，根據(jù)掃描情況，將設備標識信息（制造商、類型、型號、序列號、版本）和狀態(tài)信息打包上送至在線對象管理插件；③數(shù)據(jù)采集，解析從實時庫服務下發(fā)的控制信息字符流，向設備發(fā)送控制；從設備采集實時參數(shù)，構建信息字符流，向實時庫服務發(fā)送；④與實時服務交互，通過組態(tài)定義的字節(jié)流類型的數(shù)據(jù)點，傳送預先定義好格式的字節(jié)流；⑤通信及鏈路維護，實現(xiàn)EIP通信模型（UCMM、連接管理對象、標識對象、路由對象、端口對象等），負責掃描物理網(wǎng)絡中的設 備，負責建立、維護和釋放與各設備的鏈路[5]。

（2）對象管理插件。對象管理插件分為在線部分和離線部分，離線部分作為數(shù)據(jù)庫組態(tài)工具的插件來實現(xiàn)，集成EDS解析器功能，通過解析EDS文件，自動創(chuàng)建設備模板；在線部分作為實時庫服務的插件，被實時庫服務運行時加載，動態(tài)維護設備實例和實際設備的映射關系，構建拓撲信息和位置信息，提供訪問接口。

（3）即插即用HMI組件。以HMI組件的方式設計和實現(xiàn)，圖形打開時加載該組件，功能設計包含：圖中構建設備的拓撲圖，更新設備的運行狀態(tài)；提供操作面板，執(zhí)行遙控、遙調命令；提供參數(shù)窗口，展示設備遙測、遙信信息。

1.2.2 功能架構

即插即用相關組件的功能架構見圖2。

圖2 即插即用相關組件功能架構

驅動框架對象：繼承于驅動框架基礎類，實現(xiàn)主板、端口、設備相關功能。

UCMM對象：用于建立、斷開驅動與EIP設備的連接。

連接管理對象：用于建立、釋放和維護與指定EIP設備的鏈路。

消息路由對象：用于轉發(fā)收到的EIP數(shù)據(jù)報文，將其發(fā)送給最終接收者。

以太網(wǎng)接口對象：用于管理通信所使用的以太網(wǎng)配置信息及分配網(wǎng)絡資源。

應用對象：用于描述當前的EIP驅動對象。

設備管理對象：用于將當前在網(wǎng)絡中掃描到的設備的標識信息和狀態(tài)信息打包傳遞給通知管理對象。

通知管理對象：用于接收設備管理對象上送的數(shù)據(jù)包，然后將其傳送給在線對象管理插件。 EDS解析器：用于解析EIP相關的EDS文件。 模板管理（離線部分）：根據(jù)EDS文件自動創(chuàng)建設備模板。

實例管理（在線部分）：動態(tài)維護設備實例和實際設備的映射關系。

拓撲管理：根據(jù)設備實例的映射信息和設備的連接參數(shù)信息、位置參數(shù)信息，構建設備間的拓撲信息和位置信息。

數(shù)據(jù)處理：用于打包或解析與FEP進行交互的字節(jié)流信息。

圖元管理對象：獲取實時庫中的設備實例信息，動態(tài)創(chuàng)建、管理、銷毀對應的圖符對象，然后在HMI圖形頁面中顯示。

配置界面：提供EIP設備操作面板，執(zhí)行遙控、遙調操作；提供設備參數(shù)窗口，展示遙測、遙信信息；獲取在線對象管理插件提供的設備間的拓撲關系和位置信息，在HMI頁面上進行繪制[6]。

2 組件/子系統(tǒng)設計

2.1 離線對象管理插件設計

離線對象管理插件包含EDS解析器、模板管理兩部分，兩者之間的關系見圖3。

圖3 離線對象管理插件

2.1.1 EDS解析器

EDS文件由設備供應商提供，用來描述設備的版本信息、類型信息、設備內(nèi)部的對象信息、參數(shù)信息、連接信息等，文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式類似于INI配置文件，CIP規(guī)范定義EDS內(nèi)容分段書寫，各段代表不同的信息內(nèi)容，有的段信息獨立，而有的段和其他段又有關聯(lián)，所以在設計解析器時，需要考慮各段的解析方法、解析后所構建出的對象間的關聯(lián)關系以及對外部提供的訪問接口。

CEDSInterpreter：EDS解析器類，提供外部可訪問的接口，管理內(nèi)部對象，CEDSInterpreter使用單例模式實現(xiàn)。

CEDSFileReader：讀取EDS文件內(nèi)容，將段信息分隔，以便下一步解析使用。

CEDSNode：段信息解析基類，子類實現(xiàn)對不同類型段的解析方法。

CFileNode：用于解析文件信息段。

CDeviceNode：用于解析設備信息段。

CParamNode：用于解析參數(shù)信息段。

按照CIP規(guī)范定義的段類型依次實現(xiàn)，在此不再一一敘述。

CEntry：配置信息段中的鍵值對信息。

2.1.2 模板管理

模板管理用來從EDS中獲取解析信息（段及段內(nèi)的條目信息），然后調用平臺數(shù)據(jù)庫組態(tài)工具提供的數(shù)據(jù)接口，創(chuàng)建對應的設備模板（包括對象屬性及子對象），新創(chuàng)建的模板按照制造商、版本、種類、型號信息進行區(qū)分。

數(shù)據(jù)庫組態(tài)中定義的設備對象、子對象以及屬性的結構應和EDS中定義的對象信息保持一致。

設備對象：EDS文件中非“Object Class”類型的字段；設備子對象：EDS文件中“Object Class”類型的字段；設備屬性：Param定義的相關信息或必要的其他參數(shù)信息。

CInstanceManager：管理組態(tài)過程所有動態(tài)創(chuàng)建的EIP設備相關對象實例，提供外部可訪問的接口，CInstanceManager使用單例模式實現(xiàn)。

CInstanceCreater：用于創(chuàng)建指定類型的實例，提供虛函數(shù)。

CDeviceObjCreater：創(chuàng)建設備類型的實例。

CAccessAdapter：用于訪問平臺數(shù)據(jù)庫的適配器類，使用抽象方法。

CAPIAdapter：使用平臺提供的API接口進行數(shù)據(jù)訪問。

目前V4平臺尚未提供創(chuàng)建設備模板的接口，可按照以下步驟實現(xiàn)：按照V4平臺定義的模板結構的格式，創(chuàng)建CSV格式的模板文件；調用平臺提供的導入模板文件的方式在組態(tài)工具中生成。

2.1.3 FEP組態(tài)

FEP服務和實時庫服務之間的交互通過預先定義的FEP設備數(shù)據(jù)點實現(xiàn)，在離線組態(tài)工具中組態(tài)一個IO站點，定義一個FEP設備，該FEP設備對應一個EIP主站，無需配置設備地址、端口等，但需要配置掃描周期；在該設備中定義一個字節(jié)流類型的數(shù)據(jù)點，F(xiàn)EP服務通過該數(shù)據(jù)點將掃描的設備信息、得到的設備參數(shù)信息、下發(fā)控制的返回信息等按照指定的格式打包，然后傳遞給實時庫服務的在線對象管理插件，對象管理插件將該數(shù)據(jù)包拆包，然后做后續(xù)處理，反向的數(shù)據(jù)流向和處理方式與正向雷同[7]。

2.2 在線對象管理插件設計

2.2.1 實例管理

實例管理用來動態(tài)維護實時庫預分配的實例和網(wǎng)絡中實際設備的映射關系，從而為外部提供當前可供訪問的實例對象信息。在線對象管理插件以平臺實時庫插件的方式提供，在插件加載的配置文件中配置過程調用接口。

綁定和解除綁定的機制：

（1）實例管理組件獲取當前實時庫中所有EIP類型的預置設備實例，分類型進行管理。

（2）FEP驅動端上送當前網(wǎng)絡掃描的設備全列表及相應狀態(tài)信息，需包含設備唯一標識信息（如設備序列號）和設備制造商及類型信息。

（3）實例管理組件根據(jù)上送的設備全列表信息和當前的實例映射表進行對比，如果未發(fā)現(xiàn)（設備標識信息數(shù)據(jù)點內(nèi)容為空）則新分配一個實例（用得到的設備信息初始化相關數(shù)據(jù)點），如果發(fā)現(xiàn)則更新設備的運行狀態(tài)。

（4）當前的實例映射表中如果未在上送的設備全列表信息中出現(xiàn)，則刪除該實例中設備的序列號等信息，解除綁定。

2.2.2 拓撲管理

從實例管理獲得有效的設備實例，然后從每個設備實例獲取拓撲、位置相關的參數(shù)信息，構建成xml格式的數(shù)據(jù)包，該xml表述了當前各實例間的連接關系以及位置關系。

CToplogManager：拓撲管理的實現(xiàn)類。

為實現(xiàn)對設備拓撲的展示，要求設備參數(shù)自身提供位置坐標或與其關聯(lián)設備的連接信息。

2.2.3 實例產(chǎn)生的報警

實例和設備綁定后，如果實例產(chǎn)生報警，則由實時庫服務向報警服務發(fā)送報警事件，此后，如果該設備和實例解除綁定，則本插件負責調用報警服務接口，抑制該設備產(chǎn)生的報警信息；如果后續(xù)該設備重新恢復上線，則本插件負責將原先抑制的報警信息解除抑制[8]。

2.3 EIP驅動設計

2.3.1 驅動框架對象

EIP通信驅動程序以DLL方式實現(xiàn)，作為一個標準的Fep驅動程序，驅動框架對象繼承于驅動框架基礎類，用于實現(xiàn)打開、關閉、初始化、通信等基本流程，驅動框架對象由FEP服務的驅動管理器對象進行調度。

CFepEIPDrv：實現(xiàn)EIP驅動對象，進行驅動對象的創(chuàng)建、初始化、釋放等。

CFepEIPDevice：對應于EIP網(wǎng)絡中的一個SCANNER設備對象，創(chuàng)建和管理內(nèi)部對象（如UCMM對象、連接管理對象、以太網(wǎng)接口對象等），實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信。

CFepEIPPrtcl：內(nèi)部使用基類方法，不重寫，報文和協(xié)議相關的處理由內(nèi)部的設備管理類實現(xiàn)。

（1）UCMM對象。對應于CIP規(guī)范中的 UCMM對象，用于處理未連接報文，包括Forward Open Service、Forward Close Service、Unconnected Send Service，觸發(fā)創(chuàng)建或斷開連接的操作。

CUCMMObject：處理UCMM相關報文的對象。

CCIPObject：CIP規(guī)范中定義的相關類的基類，提供基本的訪問接口。

（2）連接管理對象。對應于CIP規(guī)范中的連接管理對象，用于創(chuàng)建、維護、釋放通信鏈路，交換報文和數(shù)據(jù)信息。

CCMObject：對應于CIP規(guī)范中定義的Connection Manager Object，類代碼0X06，實現(xiàn)規(guī)范中定義的屬性、服務、動作、錯誤碼、定時器和狀態(tài)機。

（3）消息路由對象。對應于CIP規(guī)范中的消息路由對象，用于將接收到的報文信息轉發(fā)給最終的接收者。

CRouterObject：對應于CIP規(guī)范中定義的Message Router Object，類代碼0X02，實現(xiàn)規(guī)范中定義的屬性、服務、動作、錯誤碼和狀態(tài)機。

（4）以太網(wǎng)接口對象。對應于通信過程用到的以太網(wǎng)端口信息，存儲配置數(shù)據(jù)，初始化端口，建立TCP或UDP鏈路，發(fā)送或接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。

CEthernetObject：封裝對以太網(wǎng)的操作，保存配置信息。

（5）應用對象。對應于SCANNER設備對象，讀取配置信息，構建運行環(huán)境，維護內(nèi)部對象。

CAPPObject：對應于CIP規(guī)范中定義的Application Object，對應于本驅動對象實例，作為SCANNER應用對象。

（6）通知管理對象。用于接收設備管理對象上送的當前網(wǎng)絡設備信息（設備列表、設備狀態(tài)、設備參數(shù)等），然后通過FEP設備點將打包的信息發(fā)送給在線實時庫，在線對象管理插件進行拆包，動態(tài)綁定或解除綁定設備對象實例[9]。

CEventCallBackObject：該對象作為回調類被設備管理對象調用。

（7）設備管理對象。掃描、解析當前網(wǎng)絡中的EIP設備，構建設備信息列表，打包數(shù)據(jù)，交由通知管理對象。

接收在線對象管理插件發(fā)送的數(shù)據(jù)包，進行拆包，向設備發(fā)送指令。

CScannerObject：周期在EIP網(wǎng)絡中掃描的設備，獲得設備在線信息、狀態(tài)信息。

2.3.2 即插即用HMI組件設計

（1）圖元管理對象。EIP HMI 組件以Activex控件的方式提供，不提供離線組態(tài)頁面，在圖形離線組態(tài)中加入到指定的頁面中，HMI在線打開相關圖形時加載插件。

圖元管理對象屬于該插件的圖元繪制部分，調用在線對象管理插件提供的接口，獲得EIP類型的所有設備對象實例列表和設備信息，包括設備標識、設備名、版本信息、制造商信息、位置信息、設備狀態(tài)、設備圖標等，然后調用HMI平臺接口，動態(tài)創(chuàng)建相應圖元且在界面中顯示。

CEIPHMI：EIP HMI Activex控件主類。

CEIPGraphManager：管理EIP相關圖元的類。

（2）配置界面。CEIPOPPanel提供操作面板窗口，從數(shù)據(jù)庫實例中獲取設備的詳細參數(shù)信息，且以界面的方式展現(xiàn)，實現(xiàn)四遙操作。

（3）圖符庫。平臺HMI組態(tài)工具提供EIP相關設備的圖符庫，按照設備的制造廠商、類型、型號、版本號進行歸類管理，圖符可被實例化的屬性包括制造廠商、類型、型號、版本號、設備序列號、設備狀態(tài)、設備位置等信息，且圖符體現(xiàn)EDS中文件定義的各對象及其各對象間的連接關系。

在線運行時，F(xiàn)EP驅動層首先遍歷網(wǎng)絡中的設備，獲取其標識信息、類型信息、運行狀態(tài)信息、位置信息等，然后實時庫服務的在線對象管理插件根據(jù)標識信息動態(tài)和預置實例進行綁定，HMI端從實時庫服務中獲取被綁定的設備實例，然后動態(tài)創(chuàng)建圖元，用設備實例的信息對圖元相關的變量初始化，將底層設備、數(shù)據(jù)庫實例、圖形對象三者關聯(lián)在一起。

3 結語

集控平臺數(shù)據(jù)接入實現(xiàn)了采礦、選礦過程中數(shù)據(jù)的提取，實現(xiàn)了以生產(chǎn)裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程智能化、數(shù)據(jù)獲取自動化、信息傳輸網(wǎng)絡化、經(jīng)營管理信息化為特點的智能礦山建設初級階段，使企業(yè)生產(chǎn)中的直接勞動生產(chǎn)力提高了15%～30%，間接人工效率提升了30%～40%，能耗降低了5%～8%，設備綜合效率提升了15%左右，設備停機時間下降了20%左右，同時，數(shù)據(jù)不斷累積、分析，為后期利用大數(shù)據(jù)分析技術進行數(shù)據(jù)價值深度挖掘，實現(xiàn)各控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化和管控平臺功能的不斷完善提供了基礎性保障[10]。