基于工控组态技术的隧道综合监控系统的实现

杨湛莹

（上海电气自动化设计研究所有限公司，上海200023）

近年来，随着中国城市隧道交通的高速发展以及计算机、通讯等技术的不断进步，隧道综合监控系统也在不断更新完善，作为城市隧道智能化管理的技术手段之一，隧道综合监控系统呈现出智能化、网络化、综合化、集成化等发展趋势，隧道综合监控系统的集成运用日益重要[1]。

工控组态软件作为一种编程工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大，随着它的不断发展，对人机图形界面、控制操作和运行监视、实时数据库、历史数据库、通信及联网、开放数据接口、I／O设备的广泛支持已经成为它的主要功能。工控组态软件在有效、快速地进行隧道综合监控系统的开发和实现方面有着极大的优势，可缩短项目的开发周期，提高系统集成的成功率和可靠性，降低项目实施和运行周期维护的费用。

随着工业组态软件技术的发展，大量的最新计算技术、通讯技术、多媒体技术被用来提高其性能，扩充其功能。工业组态软件更加注重效率，用户通过模板快速生成自己的项目应用，图形模板、数据库模板、设备模板可以让用户以“复制”方式快速生成目标程序[2]。

本文将以英维思公司的工控组态软件系统Wonderware Industrial Application Server（Wonderware IAS）为例，对利用组态软件为开发平台进行隧道综合监控系统的程序开发和实现进行了一些分析。

1 隧道综合监控系统的需求分析

隧道综合监控系统集通信技术、计算机技术、自动控制技术于一体，为隧道管理人员提供完整和清晰的隧道运行状况。

通常情况下，隧道综合监控系统主要分为交通监控系统、设备监控系统、电力监控和综合供配电系统、通信管理系统4个部分，其中交通监控系统具有交通数据采集、交通事件监测、交通信号控制、交通信息发布等功能；设备监控系统包括隧道环境监测、通风设备监控、排水设备监控、照明设备监控、火灾报警监控等子系统；电力监控系统具有电气参数监测、电力设备监控、监控系统和其他弱电系统的内、外场设备供电和保护监控等功能；通信管理系统包含视频监控系统、紧急电话系统、广播系统等。

系统主要有如下功能和特点：① 必须保证中心监控系统对设备操控的高度实时性、准确性与可靠性，对设备的操作须有严格的权限限制；② 对现场各种系统设备的数据实现动态采集，保证系统的稳定性，数据的完整性和准确性；③ 数据处理和数据命令输出、信息显示发布、应急联动，数据展示应具有丰富的动态图形、趋势、报表等多种可视化途径，将实时采集数据和报警信息集成在同一画面显示；④ 隧道监控系统中，机电设备种类较多，数据采集接口种类繁多，兼容各种不同厂家种类的硬件设备，将方便系统改造升级，充分保护用户初期投资并给用户设备选型提供便利；⑤ 实现数据存储、查询、分析、统计计算，所存储历史数据能够满足设备管理、工艺分析、成本分析、绩效管理等需求，支持多客户端访问数据，数据检索快速响应。

2 隧道综合监控系统使用工控组态软件的解决方案

2.1 系统整体架构

整个系统由数据库服务器、通信服务器、工作站、打印机、千兆以太网核心交换机、通信、计算机网络、电源线缆及连接器等组成。隧道综合监控系统结构系统图如图1所示。

整个系统设置多台具有设备监控、交通监控、电力监控、闭路电视（CCTV）监视、火灾报警等功能的工作站，并支持多媒体大屏幕综合显示；基于以太局域网实现多工作站分功能、分级别网上资源共享、网络协调运作功能（采用TCP／IP通信协议）；基于Client／Server主客体系建立统一的信息数据库，实现隧道与相接交通线路或管理部门网络上的通信，能接收上级部门的指令和建议，辅以协调、管理；通过I／O服务器设备，获得设备监控、交通监控和火灾报警等系统的下层设备所需的隧道中的各种信息，由本系统指挥和协调数据的流向，由各工作站读取且分别处理、运算后，向上、向下发布指令，并存入统一的数据库中，供值班人员随时调用、显示、打印。

2.2 软件结构

工控组态软件通过通信模块驱动从现场设备获取实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形图表的方式直观地显示在人机界面上，另一方面通过人工操作或联动控制将控制数据传送给现场设备，对执行机构实施控制或调整控制参数，并按照需要将历史数据存储。

图1 隧道综合监控系统结构系统图

为实现了系统数据存储、处理和应用的分离，整个综合监控系统软件采用3层软件结构，详见图2。通过3层软件结构，在模块化开发的基础上使得软件具有了可扩展性、设备无关性和系统无关性，使得本系统在以后增加设备和接口的情况下不需要对软件结构本身做出修改。

图2 软件结构图

2.3 软件系统部署

Wonderware IAS的系统部署是面向计算机的软件分配，依据整个系统整体架构和软件结构，整个隧道综合监控系统基于Wonderware IAS的系统部署采用了C／S结构，软件系统部署详见图3。服务端主要负责数据的采集、存储与分析，硬件指令的收发，客户端主要提供了简洁直观、快捷方便的人机界面，接受用户指令下发至服务端，同时从服务端接收经过分析的数据信息和报警信息并提供给用户。

图3 Wonderware IAS软件系统部署图

综合监控系统主要分为如下几个类型的节点：① 系统配置服务器（Galaxy Repository，GR），系统平台中的配置信息数据库，存储和更新整个项目的配置信息；② 自动化对象服务器（Automation Obje－ct Server Node，AOS），提供了自动化对象的操作资源，利用DA Server连接的控制过程和外部设备，在AOS中以过程对象的方式进行描述，完成数据处理分析、数据存储及报警管理，并以统一的命名空间展现给客户端；③ 集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE），为基于IAS的系统提供了配置、编辑和维护所有特定应用组件的能力，可以同时安装人机界面设计软件Intouch Windows Maker，作为整个系统的工程师站使用；④ 数据访问服务器（DA Server Node），用来连接现场设备，如PLC、电力继电保护等，完成实时数据的交互；⑤ 人机界面工作站（Intouch HMI），提供可视化人机界面，用于对整个隧道交通控制和设备的监控和操作。可按监控对象的不同，分为交通监控工作站、设备监控工作站、电力监控工作站等。在隧道群监控系统中，也可按照监控隧道划分工作站。

3 解决方案分析

3.1 面向对象的工程开发技术

Wonderware IAS是一个嵌入面向对象技术的工控组态软件平台，与传统的基于标记名开发的工控组态软件不同，它的数据访问、报警、历史数据分析及监控画面开发不是围绕标记名的[3]。传统的设计方法是面向功能，集中在监控系统的局部，围绕某个功能实现，而采用面向对象思想设计整个监控系统，将充分发挥面向对象技术的封装性、继承性的优势，同时采用抽象对象的方法看待整个监控系统的组成。

在建立隧道综合监控系统的过程中，利用IAS的特性，收集设备对象和功能需求，建立适合于隧道的工程模型，建立常见设备的标准模板，再由模板生成具体设备对象实例，从而实现代码的复用[4]。

3.1.1 收集设备对象和功能需求

在采用面向对象的系统设计中，要了解系统中的设备对象以及相关的功能需求，便于系统总体模板的设计。例如设备监控分系统的通风设备监控对隧道内的射流风机、混流风机、风阀进行实时监控，这些设备往往具备多个输入／输出点，如表1所示，以及数据处理、显示、存储等功能需求，如表2所示，这些都是要收集的数据。同时注意将其中属性、功能完全一致的归纳成一种设备，如电动防火阀和电动排烟阀可归为风阀。

表1 设备的输入输出数据

表2 设备的功能需求

3.1.2 建立模型和实例化对象

对于现场设备，如风机、车道灯、水泵、情报板、电话、广播等等，需要根据对应于这些设备的输入、输出、反馈信号、报警、逻辑脚本、操作权限等建立一个通用的设备模板，进而实现代码和对象的复用。

通过对设备对象和功能需求的分析，找出同类型设备的共同属性和相同的功能，就可以抽象出系统的部分应用模版。这些应用模版可以利用面向对象的继承性特点，从基础模板派生出来，根据对象的属性特点来设计对象的层次。

如图4所示，建立1个对应车道灯的基础对象模板——＄车道灯，在该模板中建立5个I／O设备点及4个内部点，以及两个事件脚本（script）。

图4 对象模板＄车道灯

车道灯还需进一步区分，例如所处隧道名不同，有的还有黄灯指示灯。可由对象模板＄车道灯继承而派生出4个对象模板：＄车道灯＿zs，＄车道灯＿银东，＄车道灯dx，＄车道灯xd，各模板不仅包括基础对象模板＄车道灯的数据点和脚本等，还根据其各自不同要求，增加特殊的数据点和脚本，图5所示为其中1个派生模板——＄车道灯＿zs。

图5 对象模板＄车道灯＿zs

模板建立之后，根据不同设备对象生成相对应的实例，并且将其分配到相应的系统模型中，如根据车道灯的数量将上述模板进行实例化，实例对象如图6所示。

图6 车道灯对象CD01

3.1.3 定义区域模型

在完成监控系统所涉及的应用模板设计及生成实例（Instance）后，可根据实际系统需要设计系统的区域模型。区域模型是应用的逻辑组合，表明系统的实际层次结构。在隧道监控系统中可按专业系统划分成交通信号模块、通风监控模块、电话监控模块等13个区域。在开发及维护阶段，这样的设计可以使软件设计人员快速定位所关心的专业和对象，层次更明晰。

3.2 数据采集处理与上位监控系统的独立

本系统的DA Server Node、AOS及Intouch HMI工作站均是相互独立的软件系统，将数据采集与上位监控分离，实时数据的采集和传输与历史数据的采集与传输进行剥离，其中任何一个出现异常都不会影响其他系统的正常运行。

例如，AOS系统出现问题，数据采集并不会受到影响，不会出现数据丢失的现象，Intouch HMI工作站的人机界面虽然不能获得实时数据，但其他如历史查询、画面切换等操作仍能正常进行。

3.3 软件系统部署的灵活性

作为一个全分布式的系统，软件系统部署的方式是灵活的。通过分析对象的负荷状况及数据流向，每个节点可设置多台计算机，也可将几个节点集中在1台计算机上，从而实现整个系统的负载均衡分配，使计算机资源得到有效合理的使用。例如当同时监控多条隧道的，数据采集的物理链路往往是按隧道划分的，数据流向分散，这样便可以将采集软件分散分配在不同的I／O服务器，这种方式在系统扩展时将不会影响软件结构本身。

3.4 画面展示和监控

人机界面设计软件Intouch Windows Maker采用标准Windows GUI作为自己的图形设计界面，而且它的外观按照微软.Net的标准设计，这样可以不用专门进行学习就可以熟悉它的环境。

人机界面设计软件Intouch Windows Maker的图库图形丰富多彩，支持从画面到画面包含对象的颜色渐变，具有自己的内部函数，支持ActiveX、OLE插入，.Net库的引入和调用，画面设计更易获得生动的界面效果，具有完美的图形动画展示功能，能够将模拟动画展示给用户，使用户在计算机前就可以对现场任何设备和工艺流程一目了然，例如图7所示的通风系统界面。

图7 通风系统界面

4 结 语

作为目前软件开发方法的主流之一，面向对象设计是开发健壮的可复用软件时最常用的技术[5]，面向对象的软件设计也是工控组态技术的一种发展趋势[2]，Wonderware IAS工控组态软件平台将面向对象技术和思想引入到隧道综合监控系统的整体设计中。传统的基于标记名开发的工控组态软件数据结构是扁平的，没有严格的标准化要求，而Wonderware IAS的数据结构是多层次的对象模块化设计，从对象模板的派生实现应用的修改，用对象表示物理设备数据，整个系统开发的标准化更为严格[3]。

基于Wonderware IAS开发隧道综合监控系统，利用面向对象技术中的封装性、继承性的特点，将数据点、事件和函数及图元开发等紧密地连结在一起，方便地扩展现有对象的功能，减少冗余的代码，减低了出错概率、数据。强大的图形用户界面设计开发工具有利于快速开发出满意的图形人机界面。数据采集、数据处理、数据存储与上位监控系统相互独立的模块化结构在系统出现故障时可以缩小影响的范围。

在上海外滩隧道改建工程监控系统工程、上海人民路新建路越江隧道工程监控系统等工程中，笔者采用本文所讨论的技术，大大节省了隧道综合监控系统的开发研制时间，加快了整个系统的投入运行的时间。

对于系统后期的维护工作，该技术具有极大的便利性。首先，监控系统模板中所有的设备模板和实例对象均集中在IDE集成开发环境下进行修改；其次，对象模板的修改将会自动反映到其各个实例上，并不需要对每一个实例逐一进行修改；最后，对修改后的对象进行一次在线更新部署，从而不会影响整个隧道综合监控系统的实际运行，极大地降低了维护的工作量，延长了系统的生命周期。

不过由于隧道综合监控系统所涉及的接口众多，往往会有些系统的通讯协议特殊，工控组态软件的驱动程序并不支持。虽然可以通过OPC Server，DDE Server等方式接入，或者利用驱动开发包开发驱动，但编制这些与组态软件接口程序会额外开销。而工业组态软件作为商用软件，也需要一定的采购费用，一般来说系统的集成规模越大，使用工控组态软件的优势越明显；因此，在项目方案确定时，这些费用也是需要考量的。

[1] 钟 珞，戴 远.城市隧道监控系统的集成设计[J].武汉理工大学学报，2010，32（15）：119－122.

[2] 马国华.监控组态软件的相关技术发展趋势[J].自动化博览，2009（2）：16－19.

[3] Invensys Systems，Inc..Training manual system platform－Part1[R].USA：Invensys Systems Inc.，2009：1／33－1／35.

[4] Invensys Systems，Inc..Wonderware®application server user's guide[R].Revision B.USA：Invensys Systems Inc.，2008：35－128.

[5] Deitel P J，Deitel H M.Visual.Csharp.2008大学教程[M].3版.刘文红，译.北京：电子工业出版社，2009：7－8.