脉冲强磁场装置监控软件系统的研制

施江涛,韩小涛,谢剑峰

(华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心(筹),武汉 430074)

脉冲强磁场装置监控软件系统的研制

施江涛,韩小涛,谢剑峰

(华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心(筹),武汉 430074)

针对现有脉冲强磁场实验装置的监控系统操作繁琐、交互性差等问题,研制了脉冲强磁场装置监控软件系统,从监控软件系统采用C/S结构、监控内部通信采用TCP和UDP混合协议,控制软件与装置的通信采用TCP、OPC技术,界面设计采用Flash开发程序等方面分析关键技术,实现了远程监视和控制功能,应用效果良好,为强磁场下的科学研究提供了良好的操作平台。

监控软件;TCP;UDP;Flash;脉冲强磁场

0 引 言

脉冲强磁场装置为物理、材料、化学及生物医学等领域提供了重要研究平台。武汉强磁场中心目前已建成大型脉冲强磁场实验装置,该装置将提供50～80T的长脉冲、短脉冲、长短脉冲等各类磁场,成为世界上四大脉冲强磁场中心之一[1-2]。已有强磁场实验装置的控制系统主要采用现场硬件操作,不同的科学实验系统配置不同的控制子系统,操作繁琐,交互性差。随着计算机技术和网络技术的发展,开发统一的远程监控系统既可以保障人员和设备安全,也可简化实验操作,减少人为操作失误。该文设计和研发了脉冲强磁场装置的监控软件系统,实现了电源模块和所有实验系统的统一远程控制,软件系统采用基于以太网通信的分布式架构,实现强磁场装置的实时监视和安全可靠控制。

1 监控系统的整体设计

脉冲强磁场监控系统主要包括本地控制子系统、远程监控软件系统、触发装置等。每个电源模块/实验站均根据功能需求配置一套本地控制子系统。本地控制子系统由现场采集控制设备组成,负责采集现场的开关/模拟量信号、实验波形

数据等,接收和执行监控软件的控制命令,完成控制操作。为了提高系统可靠性,本地控制子系统还需完成一定的控制逻辑,检测本单元的故障,以便迅速切除故障,并将信息反馈给监控软件,通过监控软件实现各模块之间的连锁保护。

监控软件系统布置在中央控制室的计算机上,包括服务器、客户端、工程师站,是脉冲强磁场装置的唯一操作平台,起着至关重要的作用,它需要给用户提供一个友好的操作界面,协调好各个模块的工作,控制整个装置的实验流程。触发装置接收监控软件的命令产生脉冲时序,以毫秒级时序触发各现场设备按设定的时序进行工作。

2 监控软件系统的设计

脉冲强磁场监控软件系统通信网络选择以太网。在硬件上,中央控制室与各电源/实验站之间采用光纤连接,通过光信号隔离强电以保障安全。同时以太网通信技术为软件系统的灵活性奠定了坚实的基础,使得软件系统开发可以采用更灵活的架构、开放式的通信方式。

2.1 监控软件系统的结构设计

脉冲强磁场监控软件系统采用C/S结构开发,分成三个部分:配置端、服务器、客户端,其系统结构如图1。客户端和服务器既可以运行在不同的计算机上,也可以运行在同一台计算机上。这种架构下,可以配置多个客户端,实现多用户的操作。

图1 监控软件系统结构

配置端程序配置系统的各个硬件设备信息,设定各种硬件参数以及用户权限的管理,为整个系统运行提供基础数据支持。配置信息包括。

a.完成各类信息的配置,如电源参数、磁体信息、用户信息、用户权限、监控设备地址等。

b.配置磁体连接关系,使得磁体可以关联任意磁体间,并接入需要的分接器,完成系统放电电流结构的配置。

服务器是整个监控软件系统的核心,与现场监控设备实时通信,获取设备的实时状态;接收客户端的控制命令,对命令进行校验并下发到监控设备,从而完成实验流程控制;协调不同客户端实验时的资源互锁。监控服务器通过数据库获取系统配置信息,并将系统运行记录保存到数据库。

(4) 为保障施工质量和优化支护设计，确保钢拱架受压变形可控，还需进行围岩变形监测，施工监测每天不得少于1次，在拱架变形严重、围岩过渡段、注浆前后等特殊时期每日检测不得少于2次。

客户端程序是功能实现的主要载体,为客户提供友好的用户接口和操作平台,完成实验计划的管理、根据用户的需求完成实验方案的制定、设备调试、以及实验数据查询显示。用户的操作请求被客户端发送到服务器,服务器经过处理后将处理结果送回客户端。为了简化服务器的处理,客户端直接从数据库服务器获取系统配置信息和统计查询数据。

2.2 基于TCP和UDP混合协议的监控内部通信

脉冲强磁场监控软件系统的客户端和服务器之间的通信数据可以大致分为广播数据和点对点数据,根据不同数据对可靠性的要求,文中所设计的监控软件系统采用TCP和UDP结合的混合通信协议,既可减少系统资源消耗,又可保障数据的可靠传输。

a.广播数据。这类数据主要是实时状态数据,比如现场开关/继电器的位置、电容器当前电压值、控制设备的故障状态等,此类信息需要发送给所有客户端,用于刷新用户界面,进行实时显示,一般由服务器以0.5s为周期循环向所有客户端发送,客户端不需要应答,只需单向通信。对于广播数据,采用UDP协议,只使用一个端口进行广播或者组播发送,不用针对每个客户端建立独立的连接,可以减少系统资源消耗。尽管UDP不是可靠连接,有丢包的可能性,但目前以太网设备处理能力越来越强,丢包的概率很小。即使丢包,也只是客户端延迟一个周期接收到数据。

b.点对点数据。主要是操作命令及响应数据,比如客户端发出调试命令、实验操作命令以及服务器处理客户端命令后的响应报文,以及当前实验操作过程中产生的各类实验消息记录、实验波形。这些数据在当前操作客户端和服务器之间进行传输,而与其他客户端无关。对于点对点的数据,必须可靠传输并且响应速度快,如果数据丢

失,客户端的操作应答没有响应,可能导致客户端无法进行后续操作。所以采用TCP协议进行通信,服务器程序作为TCP的服务端,开启TCP连接侦听,客户端程序启动后进行TCP连接,在客户端运行过程中一直保持连接状态。

2.3 控制软件与装置的通信设计

该系统中现场检测控制设备均用以太网方式接入监控软件系统,但系统中存在3类不同的设备,不同的设备采用不同的方式接入监控软件系统:

b.只有串口的自制设备,采用串口转以太网的模块进行转换后再接入以太网;

c.自带网口的西门子S7-300系列PLC设备。

针对前2种设备,制定了“一问一答”的应用层通信协议,然后经TCP协议封装后进行通信。监控程序只需利用Socket编程即可实现与这些设备的通信,这样既利用了网络通信的开放性,又可保证采用串口通信的设备通信可靠性[3]。

西门子S7-300系列PLC设备被用于电源模块的本地监控单元。采用PLC的好处是可靠性高、扩展性强、实时性高、功能强,而且编程方便灵活,可以大大提高开发速度。监控软件并不直接和PLC通信,而是通过OPC接口访问PLC的数据[4]。监控程序通过OPC接口函数Read读取OPC服务器上的数据实现数据刷新;通过Write函数写OPC服务器上的数据向PLC发送控制指令,PLC接收到指令后则通过逻辑处理实现开关分合控制、实验流程控制等功能。

2.4 控制软件的界面设计

在监控软件系统中,系统状态图、电源模块状态图、实验步骤状态图、实验室布局图等均采用Flash动画进行显示。每个Flash动画中包含一些基本的元件,用来表示一种现场设备。每个元件通常包含多个帧,每帧显示设备的一种状态。如开关元件用于显示开关的状态,该元件内包含3个帧,分别对应开关的断开、闭合和异常状态,在Flash中只需切换帧的显示即可显示开关的不同状态。Flash主画面通常只有一帧,用ActionS-cript3.0语言编写对外访问接口。如:提供接口SwitchSts实现开关状态显示。若被外部程序调用,接口函数首先须在初始化脚本中调用ExternalInterface.addCallback进行注册。

监控软件系统采用VC#开发,可以和Flash实现双向交互,其交互原理如图2所示:

图2 VC#和Flash交互原理

通过VC#控制Flash,首先需在VC#工程中添加动态库的引用,将AxShockwaveFlash控件添加到界面上,该控件作为容器显示Flash动画,然后通过调用控件的LoadMovie和Play函数加载Flash文件并播放动画。对于Flash中的接口函数,VC#通过Flash.External.ExternalInterfaceProxy类作为代理并通过call函数进行访问,以达到动态显示的效果。

在Flash动画中也可以触发VC#的事件实现双向交互。当Flash中调用ExternalInterface. call时,可以触发VC#中Flash控件产生事件; VC#中则通过为AxShockwaveFlash控件添加ExternalInterfaceCall事件处理函数响应Flash中用户的指令。利用Flash技术设计的客户端主界面如图3所示,图中电源结构图①、系统结构图②和实验流程状态指示图③均用Flash开发,在实验过程中能显示开关状态、电压值的变化,以信号灯的形式显示实验的当前状态。

图3 监控软件客户端主界面

3 应用情况及效果

以上所研制的监控软件系统已经于2014年正式投入使用,在中央控制室部署了1台服务器,4台客户端,1个工程师站。该系统实现了对13套电容器电源模块、8个实验站子系统的远程监视和控制,主要包括以下功能:

a.状态监视:实时监视开关的状态、测量值、现场控制设备的运行状态,实时刷新频率为1s;

b.实验方案管理:操作人员可以根据实验需要预先配置使用的实验站、电源模块以及实验参数等,形成实验方案,方便多次实验时使用;

c.实验流程控制:实现充电、放电、泄能、急停等实验操作功能,系统自动顺序完成各操作功能的内部流程;

d.调试功能:提供对各类开关、触发信号、警示信号等等的调试手段;

e.安全闭锁功能:实现多种安全手段和闭锁功能,保障设备和人员安全,例如设备不正常闭锁实验、前置操作不完成不允许后续操作、多用户实验互锁等。

该系统还记录了详细的历史数据,具有完善的统计查询功能,可以按时间、操作人、状态、电压等级等条件查询实验信息、电源和磁体的使用情况,同时可以按不同的条件进行分类统计。截止2015年12月,利用该监控软件系统,进行各类科学实验18 950次,系统运行稳定。

4 结束语

脉冲强磁场监控软件系统采用了C/S系统结构,实现分布式处理和多用户操作,使用灵活。在通信方式的选择上,采用TCP和UDP结合的混合通信协议,该方式保证了数据传输的可靠性,同时降低了系统资源的消耗。系统界面采用Flash技术,实现了操作界面的矢量化显示,有效提高了人机交互性。通过脉冲强磁场监控软件的应用,实现了脉冲强磁场装置的实时监视和安全可靠控制,为强磁场下的科学研究提供了良好的操作平台。

[1] Li Liang,Peng Tao,Han Xiaotao,et al.Magnet development program at the WHMFC[J].IEEE Trans.Appl.Supercond.,2012,22(3):4300304

[2] Li Liang,Lv Yiliang,Ding Hongfa,et al.Short and long pulse high magnetic field facility at the Wuhan National High Magnetic Field Center[J].IEEE Trans.Appl.Supercond.,2014,24(3):9500404

[3] 施江涛,黄澜涛,谢剑锋,等.脉冲强磁场测量数据实时远程传输的设计与实现[J].仪表技术与传感器,2013(7):49 51,61.

[4] 韩小涛,孙文文,谢剑锋,等.基于OPC技术的脉冲强磁场装置实时控制系统的研究[J].仪表技术与传感器,2010 (6):97-100.

本文责任编辑:谷丽娜

Design and Realization of Control and Monitoring Software of Pulsed High Magnetic Field Facility

Shi Jiangtao,Han Xiaotao,Xie Jianfeng
(Wuhan National High Magnetic Field Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

In the traditional control systems for the pulsed high magnetic field facility,the operation is complicated and the user needs to operate in field.To approve the convenience of the operation,a control and monitoring software system was designed and developed for the pulsed high magnetic field facility.The system is based on Client/Server architecture.The combination of TCP and UDP is applied in the communication between the different parts of the system,and such open communication technologies as TCP and OPC are used in the communications between the system and the field devices.The user interface is developed base on Flash.The control and monitoring software system implements remote monitoring and control to pulsed high magnetic field facility and has been put into use.It works well and provides a good operation platform for the scientific research under the pulsed magnetic field.

control and monitoring software;TCP;UDP;Flash;pulsed high magnetic field

TM83

B

1001-9898(2016)04-0018-03

2016-03-01

施江涛(1975-),男,工程师,主要从事电磁测量及检测技术、电力系统信息及其自动化技术的研究。