施工机械机群通用现场/远程监控系统的研究

王国庆,陈威振,徐培培,刘 旭,翟佳星

(长安大学 工程机械学院,陕西 西安 710064)



施工机械机群通用现场/远程监控系统的研究

王国庆,陈威振,徐培培,刘 旭,翟佳星

(长安大学 工程机械学院,陕西 西安 710064)

目前施工企业的工程机械机群大多来自于不同的厂商,设备的内置专用控制器数据接口大部分为私有,从而导致这些设备无法实现通用远程/现场监控.针对这一问题,提出了基于外置式PAC(Programmable Automation Controller)的通用B/C/S(Browser/Server,Client/Server)综合模式下的工程机械监控系统平台.PAC实时采集运动构件的惯性数据和设备中的数字/模拟量传感器信号,并完成数据传输功能.软件平台完成了现场监控和远程监控的系统架构,并实现了影响服务器端速度和成本的关键技术:断点续传技术、数据压缩与还原算法.系统在盾构机监控中进行了应用与验证.

工程机械; 外置式PAC; 断点续传; 远程监控

目前对于有内置式专用控制器的工程机械而言,要实现通用的远程监控管理就必须解决控制器数据接口不开放的问题.对于施工企业而言,一般采购多种类、多厂家的设备,如果均采用不同厂家的专用监控系统,对于企业而言成本高昂,尤其是这些生产厂商的专用系统的服务器均为厂商所有.施工企业的相关数据完全掌握在生产厂商手里,对施工企业的发展相当不利.因此实现能够应用于现有多厂家、多机种的通用型工程机械监控系统是市场所关注的,但是这里涉及设备数据的采集、传输问题,生产厂商的控制器数据接口一般为私有协议,不对外公开,因此解决问题必须从硬件和软件两个方面入手.

文献[1]提出的工程机械GPS远程智能监控系统,将利用GIS(Geographic Information System),GPS(Global Positioning System),GPRS(General Packet Radio Service)等相关技术,构造一个开放性的平台系统,以便于工程机械设备的监管;文献[2]采用PLC(Programmable Logic Controller)为控制器,GPRS DTU(General Packet Radio Service Data Transmission Unit)为通信工具,Delphi开发的软件为终端操作界面,实现了对现场作业工程机械关键参数的采集、分析、远程传输;文献[3]采用控制器局域网总线技术对高空作业车的监控系统进行了研究;文献[4]提出了基于三层C/S模式的工程机械远程监控系统软件结构.前述研究对实现工程机械的现场监控和远程监控做了重要的探索,但这些研究仍未解决监控系统的通用性问题.

针对上述问题,本文提出了一种基于B/C/S模式的工程机械监控系统.该系统以PAC控制器[5]为外置式控制器,设计了专用的数据采集模块和现场监控软件,并结合惯性测量模块和工程机械自带的内置传感器,实现对设备运行状态信息的获取和监控.采用断点续传技术解决网络中断时的数据丢失问题,同时自行设计了数据传输和压缩算法以满足服务器端低成本数据存储和使用的要求.

1 监控系统总体架构

本系统主要由现场监控和远程监控两大部分组成.系统的整体架构如图1所示.

图1 系统整体架构图Fig.1 System overall architecture diagram

现场监控系统中首先由PAC控制器、惯性测量模块及工程机械内置传感器组完成对机器数据及各种状态值的采集,然后通过现场WIFI利用断点续传技术把数据传送到现场服务器,服务器再将数据提供给现场监控中心的PC机,最后由安装在PC机上的监控软件实现对工程机械的实时监控.远程监控系统,主要是将每个现场服务器中的实时数据,通过以太网传到远程监控中心的服务器上,之后由PC机通过浏览器实现对所有工程机械的远程监控.

2 外置式PAC控制器及数据采集模块

外置式PAC控制器是独立于工程机械本身的控制系统,主要用于工程机械运行状态信息的采集和处理.惯性测量模块主要获取测量点的加速度和速度等相关数据.PAC控制器通过其上的数据采集模块获取传感器组的数据.

本研究设计了以ADAS3022为核心器件的16路数据采集系统进行关键数据的采集.使用该芯片作为信号采集芯片的原因是，可以不用考虑信号的放大问题以及中间的其他过程.本数据采集系统采用通道复用原理,其原理图如图2所示.

3 现场监控系统

现场监控系统采用C/S网络模式架构来实现.根据系统需求分析,该系统由3部分组成:工程机械上的监控终端、信息传输、现场监控中心服务器和监控软件.

3.1 现场监控软件主界面

当该软件新建一个项目时，首先要配置该项目的传感器信息,然后再选择所用的PAC型号,接下来把传感器名和所用的PAC通道号对应起来,最后选择怎么展示这些信息.盾构机现场监控软件的主界面如图3所示.

3.2 传感器定义界面

如图4所示，用户在此界面录入该项目所用到的所有传感器信息,“传感器别名”列是针对监控对象的物理模型对传感器所起的名称,在单个项目中,每个传感器的别名需是唯一标识的.“传感器类型”列用于对传感器信号的输入类型进行分类,可分为模拟量、数字量、中间量和编码器,为其PAC通道号的配置提供基础信息.

图2 采集系统通道复用原理图Fig.2 Channel multiplexing principle diagram of acquisition system

图3 盾构机现场监控软件主界面Fig.3 Field monitoring software main interface of shield machine

图4 传感器定义界面Fig.4 Sensor definition interface

3.3 传感器通道配置界面

如图5所示,在此界面建立传感器别名与PAC通道号的映射关系,为传感器数据的展示提供配置数据,在系统的监控界面就可以根据传感器别名检索到PAC通道号,然后根据通道号检索对应的传感器数据进行展示.

图5 传感器通道号配置界面Fig.5 Sensor channel number configuration interface

3.4 传感器数据展示页面

完成了传感器的信号配置后,进入数据的展示页面,如图6所示.在展示页面中主要有3类显示控件:仪表盘、数字计、示波器.用户可根据显示数据的类型的不同进行选择：仪表盘主要用来显示数据稳定性比较好、变化浮动比较小的数据;数字显示仪能够比较直观显示所要查看的数据;而当需要查看数据的浮动变化情况时,就可以选用示波器进行查看.

图6 数据展示页面Fig.6 Data display interface

4 远程监控系统

远程监控系统采用B/S网络架构模式来实现,用户通过浏览器对现场的工程机械进行监控.远程监控系统由远程监控终端、数据传输和远程监控中心组成.

该系统应用了大型数据库,远程监控中心的服务器可以保存传输过来的数据,以便后续可以对历史数据进行查看.

远程监控中心由PC机、服务器组成,PC机读取远程监控中心服务器中的实时数据并对此进行监控.由于远程监控系统基于是B/S模式的,因此用户可以通过Internet浏览器完成自己的工作,如发出对施工现场的操作指令[6].盾构机远程监控系统客户端界面如图7所示.

图7 盾构机远程监控与智能化决策系统Fig.7 Remote monitoring and intelligent decision system of shield machine

5 数据的通信过程及断点续传方法

PAC支持以太网接口,通过不同的扩展方式可以支持有线和无线接入现场的局域网中[7].由于现场环境的复杂性,数据的传输通道可能会发生中断,要保证数据的完整性,数据通信部分设计时必须考虑使用断点续传技术.

断点续传技术是在系统传输网络中断情况下,PAC控制器向服务器端发送数据时使用的单向数据传送方式.

该系统通信部分包含了客户端和服务器端,通信的程序也就包含了两个部分.PAC端是配置成客户端模式,在PAC端目前采用的是全硬件TCP/IP协议栈完成的嵌入式以太网控制器,它能使嵌入式系统通过SPI接口连接到网络.通过IP地址和端口向服务器端发送参数的数据包.数据包的格式采用自定义的格式,服务器通过拆包得到相关数值.系统服务端采用微软.NET Framework下的Socket类实现与远程计算机的连接,通过数据控制协议(TCP)进行数据的交换[8-10].

作为现场服务端首先必须具备固定的IP地址,且满足许多个客户端的接入,并为每个连接的客户端建立独立的通信进程和数据缓存空间,将每个通信客户端数据进行独立的保存,还拥有每个客户端的实时数据接口和控制接口.在现场服务端数据传输的过程中,如果是之前由于网络中断缓存的数据则直接保存到数据库中.当要发送指令时,先判断连接是否正常,再发送指令给客户端,连接异常时,就会关闭进程和连接,再重新等待连接,从而实现了断点续传功能.图8为服务器端的断点续传流程图.

6 数据处理方法

数据采集系统采集数据时,由于采集的数据量较大,而且有大量的无用数据,直接存储在数据库中会造成存储成本的增加.因此对于那些重复不变的数据,或者变化范围很小的数据,在保存之前进行删除处理.由于此方法采用的是一种类似有损压缩的数据处理方法,还原后的数据的精度是根据参数允许的误差范围值所决定的,每个参数值的最大允许误差需要进行设置.

6.1 数据压缩

数据压缩处理的具体思路是，在数据服务器安装相关服务程序,程序的主要功能是为每块模拟板采集的数据建立独立项目,每个项目有独立的目标数据库和缓存,采集的数据保存在缓存中,每个传感器数据设定唯一的ID.程序在每个整点执行一次数据处理任务,将缓存空间的数据读取出来,循环判断每个传感器数据的变化情况,和预先设定的每个传感器数据允许的最大偏差值进行对比,如果数据变化在该范围内，就删除该采集的数据,如果变化在该范围外，则保存到数据库中,并且删除缓存中的该条数据.

图8 服务端断点续传流程图Fig.8 HTTP server flow chart

6.2 数据还原

采用数据压缩的方法,虽然可以减少工业数据的存储量,但这些数据在生成曲线时会出现问题.如图9所示，a图中是没有补充前点数据的曲线,b图是补充前点数据的曲线,b图是正确的.因此补充前点的数据后,生成的曲线才跟实际情况相符合.

图9 数据曲线生成图Fig.9 Data curve generation diagram

具体的代码如下:

for(int i = 1;i < dt.Rows.Count -1 ;i++)

{

if(DateTime.Parse(dt.Rows[i][0].ToString())-DateTime.Parse(dt.Rows[i-1][0].ToString())> newTimeSpan(0,1,0))

//后一个点的时间比前一个的时间值大于1 min(此处1 min表示采集点时间间隔),则补上前1 min的点

{

DataRow newRow = dt.NewRow();

newRow[0]= DateTime.Parse(dt.Rows[i][0].ToString()).AddMinutes(-1);

newRow[1]= dt.Rows[i - 1][1].ToString();

dt.Rows.InsertAt(newRow,i);

i++;

}

7 结语

本文针对工程机械监控领域所面临的通用性问题,开发了基于B/C/S模式的工程机械监控系统.设计了数据的采集系统和现场监控软件,实现了对机械运行数据采集和监控;完成了基于以太网的断点续传,减少了数据意外丢失;在服务器端,设计了数据的压缩与还原算法,缓解了服务器存储空间的压力.实践证明:本系统可以应用到多厂家生产的工程机械集群中,具有一定的通用性,能够实时获取当前设备的运行状况,使得工程机械的工作状态得以透明化,方便了各单位对机械故障的排除,以及对历史数据的查阅,提高了工程机械的操作安全性与运行高效性.对于设备管理者来说,利用该监控系统可以很好地对所有设备实现合理的调配和协调工作.

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Research on general field/remote monitoring system of construction machinery groups

WANG Guoqing,CHEN Weizhen,XU Peipei,Liu Xu,ZHAI Jiaxing

(School of Construction Machinery,Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,China)

Currently,construction machinery groups of construction enterprises,mostly from different vendors,data interfaces of build-in dedicated controller of a device mostly private,resulting in these devices can not achieve universal remote/site control.To solve this problem,a construction machinery monitoring system platform based on external PAC of generic B/C/S integrated mode is built.PAC capture real-time inertial data of motion parts and digital/analog sensor signal of devices,and complete the data transfer function.Software platform complete system architecture for site monitoring and remote monitoring,and implementation of key technologies which affect the speed and cost of the server:HTTP,data compression and restore algorithms.System has been used and verified in the shield machine monitoring system.

construction machinery; external PAC controller; HTTP; remote monitoring

陕西省工业攻关项目(2016GY-003)

王国庆(1972-)，男，教授.E-mail:WangGQ@chd.com.

TP 319

A

1672-5581(2017)01-0077-06