2.3.6　基于网络监控的大型液压试验平台

某大型液压试验平台利用工控机和巨腾公司的Open-PLC及系列拓展模块，实现对大型试验液压系统的远程数据监控和网络化监控，完成了实时数据采集和存储，及现场动态处理功能。

（1）技术要求

该液压试验系统是大型船舶系统的仿真试验平台，由多个电磁控制阀、流量传感器、压力检测仪和温度传感器组成。

电磁阀在整个逻辑控制系统中占有重要地位，其运行情况直接影响设备的正常运行。通过控制电磁阀开度，控制进入液压缸的流量和压力，从而对驱动件的位移、速度和作用力等进行控制。如果在运行中电磁阀控制系统出现故障，将导致设备停止，甚至整个流程中断。电磁阀的工作条件恶劣、复杂，必须有足够的可靠性，快速、准确、无反冲地实现其开启和关闭。

流量控制和压力控制是液压系统的控制关键因素，通过它们才能实现液压缸终端执行器的速度和作用力控制。因此，对高精度的液压系统，必须实时监控各缸的动态参数变化。

在液压系统中，由液压系统的能力损失（压力损失、容积损失和机械损失）可造成油温升高，会产生一系列不良后果。例如，会使油液黏度下降，泄漏增加，降低容积的效率；会加速油液的氧化，油质下降，油液中的氧化性杂物增加，会堵塞液压元件的油路或阻尼小孔；会使热膨胀系数不同，且相对于运动的液压元件间的间隙缩小，破坏液压元件原有精度。所以，应该严格控制液压油温，一般控制在30～60℃范围内，最高不超过70℃。

此液压传动系统有着复杂的油路结构和多种运动要求，但都由基本回路组成：压力控制基本回路，包括调节与限压回路、卸荷回路、减压与增压回路和平衡与闭锁回路；速度控制基本回路；缸间配合工作回路，包括顺序动作回路、同步回路和多缸换向阀串联或并联控制回路等。

因此，这套大型液压试验平台需要多种采集和控制信号，必须进行多回路实时监控。并且，为了实现CIMS（管理信息系统）的功能，需要实现远程管理和控制。同时，实现所有采样信号的自动存储。

（2）网络监控的实现

①网络硬件系统结构　基于液压试验系统的要求，设计了的具有高可靠性的实时远程网络监控系统。鉴于系统设备和控制要求，系统设计成一个远程控制、开放可靠、控制和管理一体化的工业DSC高速网络系统结构，包括三个层次的内容，如图2-65所示。

a.数据管理层：该层由生产工程管理服务器和数据保存服务器组成。生产管理服务器主要完成上层的任务规划和工作安排等处理任务。CIMS系统可以方便地进行人员统筹安排、生产调度与管理和设备运行使用情况的记录。数据保存服务器由SQL Server 2000数据库系统管理，负责设备运行参数、试验数据等海量记录，并可以进行数据挖掘，分析设备性能及试验数据。

b.运行监控层：该层负责每次液压系统试验实时监控、实时信息处理。该层设备包括两台上位机，其中一台监控备用工控机，辅助完成数据处理的现场工作，管理监控计算机主要负责对Open-PLC进行实时命令，通过Open-PLC的RS485模块进行流量、压力、温度等信息采集。网络扩展模块是与其他系统连接的预留的接口模块，实现硬件系统拓展和升级。

c.现场工作层：该层负责进行液压系统的自动控制，实现设备的负荷监控、报警和事故处理。在动力提供部分，现场控制系统主要为控制柜和配套的变频器等动力供给设备和接触器的现场手动系统，以备在自动配置中失效或者需要检修、调试时不影响系统的正常运作，从而提高整个系统的可靠性。同时，专用Open-PLC实现手动控制和程控的自动切换，在上级程序输出设备控制信号之间附加上一个程序有效信号，由它来控制系统切换“继电器-接触器”动作。由于采用了多个程控软开关，使系统可以随意在三种工作模式之间切换，以解决复杂情况下的系统运行问题。

设备运行部分由两台巨腾Open-PLC构成。主从式双机液压控制系统，一台为控制主机，另一台为后备机。它们同步扫描，后备机随时准备在主机出现故障时继续对远程I/O进行控制。该液压主从系统配置简单，容易安装，当部件或电源出现故障时可无扰切换。控制主机的I/O状态表在每一个扫描周期传给后备机，以便随时更新系统状态。由于各现场设备与传感器接近，故系统采用扩展I/O的配置方案，中央单元带扩展单元，共使用了400个开关量I/O点和60个模拟量输入信道。PLC的所有I/O信号在程控柜内用继电器转换成24V DC输出满足抗干扰要求，PLC上还配置了接口通信模块，分别用于与上位机的串口通信和主控的总线通信及扩展板连接。采集信号，如流量、压力、温度、速度等信号，通过Remote I/O模块提供的RS485端口传送给管理监控计算机。

②巨腾Open-PLC控制器　巨腾Open-PLC可编程控制器采用32位CPU，I/O点数可达4096点（数字量输入、输出）或1024点（模拟量输入、输出），有4MB RAM空间，支持顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）、阶梯图LD（Ladder Diagram）、功能方块图FBD（Function Block Diagram）、结构化语言ST（Structured Text）、指令集IL（In struction List）等编程格式。其中，顺序功能图SFC以顺序作基础逐步描述自动化系统的动作与顺序，相当于高阶的分析设计工具，而功能方块图则是相当于控制文件，可以重复使用，用来组装控制系统，在语言部分可用阶梯图、指令集及结构化语言来描述其控制功能。

Open-PLC是依据巨腾开放性自动化产品策略而开发的核心产品，它整合巨腾原有的Open IO，Open Control控制器，提供串行及以太网与SCADA/MMI或信息系统整合。Open-PLC是基于PC的控制器，不仅能对本地IO与远程IO编程，并能提供LonWorks、ModBus、其他Field Bus整合的能力。为了顺应未来通信扩展需求，Open-PLC提供两组以太网的通信能力、RS485和RS232接口；采用ModBus RTU/Ethernet协议，可与任何MMI/SCADA整合；采用模块化设计，使用方便，节省空间；并带有一些特殊的智能控制模块（PID模块等）。系统结构如图2-66所示。

Open-PLC软件逻辑系统提供了强大的语言功能，利用Windows系统的良好开发环境，进行完整的离线仿真。可以预先在Windows上编辑、测试，最后再下载到Open-PLC执行，而Open-PLC提供无盘的工业环境模块和简单良好的控制器，避免Windows复杂及可靠度的忧虑。

③PLC软件网络控制系统实现　大型液压系统试验平台的输入输出点多，特别是模拟量种类点数多，控制功能与结构相当复杂。

借助巨腾公司Open-PLC强大功能，将控制系统PLC控制程序划分为初始化、数据采集和数据处理、报警及报警处理、逻辑功能和信号输出等相对独立的模块。

CPU和初始化模块是整个程序的起始部分，一旦PLC各模块定义安装完毕和程序下载后，此模块程序只执行一次。而当程序需要修改、重新下载或者PLC各模块需要移动位置时，此程序模块将重新初始化过程。数据采集和数据处数据理模块除了完成对所有现场信号的采集和处理外，还要处理上位机的数据包任务，此程序模块为后继程序模块提供了准确无误的数据信息。报警及报警处理模块是将所有报警信号按顺序汇总，集中加以处理。报警处理包括三个方面：所有报警需监控显示；超限报警需参加逻辑控制；部分报警输出。逻辑功能和信号输出模块是整个程序的核心，主要包括各个控制阀的开关、切换控制等。该程序模块主要是按照逻辑控制要求设计的，与具体现场设备无关，其优点在于编制这部分程序时可以不需要完备的硬件环境。

利用Open-PLC开发控制软件过程，可以方便、独立地进行模块设计和测试，而且模块化程序容易维护，当软件发现问题和由于其他原因需要修改时，能迅速限定差错或修改范围。例如整个程序的设计到安装调试都有可能发生外部信号的变动，与上位机通信数据接口的调整，常需修改控制程序与外部的接口部分，而数据采集和数据处理与逻辑处理及信号输出模块正是直接面向具体生产设备等外部环境的，这样只需调整相应模块就可以适应外部的变动。

Open-PLC的控制流程如图2-67所示，其中各个模块已经综合在一起，图示为整个运行过程的简要控制。

液压源控制PLC完成各个设备启动后，都会发出完成指令通知设备控制PLC。当设备碰到故障要求卸载停机时，或者液压系统动作完成时，也会通知源控制PLC。同时，PLC之间、上位控制计算机也可以发出指令控制、查询彼此的运行状态。

④故障处理原则　在远程网络监控中，大型液压系统对故障的处理应该相当谨慎，否则会发生意外危险。所以，在故障发生之后，应根据故障对系统工作的影响程度进行分级处理，不应盲目停机处理导致系统效率下降。同时，系统还应具备容错能力。对不同故障等级，应进行不同级别的处理，具体如下。

a.重大故障：此类故障可能产生严重后果，要求液压源系统PLC立即进行停机卸荷动作，如运行超时故障和逻辑组合判断故障。

b.偶发故障：这类故障原因不明，即使停机也难以快速查清，如PLC间和PLC与上位机的通信故障，因此此类故障采用指令冗余的容错方法，若故障仍然存在，则故障升级。

c.一般故障：一般性错误或异常，对控制过程无影响，则只记录并向操作员作出相应级别的警告指示，程序继续执行，如指示灯故障。