可编程及智能化测控平台系统的研究

李彩霞，刘龙兵，董超宇，王曦冉，刘 龙，王 兴，董增寿

(1.太原科技大学 计算机科学与技术学院；2.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024)

目前，工业领域中监控软件大多都是应用于固定的控制系统。传统的智能工业设备无法满足日益增长的需求，系统本身的灵活性和可扩展性较低，不具备程序重构的功能。一旦生产工艺发生了改进，修改控制系统需要用脚本语言编写脚本，使得软件适用的人群仍然是专业的编程人员，使用门槛较高，周期较长而且较繁琐。随着生产工艺改进而导致生产设备的软件无法正常使用，软件升级过程期间导致相关设备停产，设备故障无法实时监测及自动排除故障等问题，从而拖慢生产进度，影响生产效率。同样对于中小型企业来说，组态软件中诸多功能并没有使用到，而高昂的费用增加了企业的负担，为解决这些问题笔者团队设计了一种可编程及智能化测控平台系统，降低了系统开发和调试门槛，使得用户可以随时根据自身需求来进行编程，同时运用边缘计算、设备到设备之间通信技术、5G通信技术等实现设备到设备及设备到云端服务之间的数据交互。本文详细地阐述了该平台的组成及工作原理、软硬件组成设计、系统通信和数据交互方式设计、专家控制方式以及云数据库设计等。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

笔者通过参考多篇有关于组态软件性能及功能的文献，研究出一种可编程及智能化测控开发平台系统。该系统的结构由五层网络体系组成。具体是由上位机监控平台、现场测控对象层、下位机控制器、云服务器、外部通信系统以及PC和手机端构成。系统总体框架见图1。

1.2 系统工作原理

系统开始工作时，用户根据控制系统的组成制作软件指令的I/O表，设置基础的输入输出及模拟量等参数，设计一个背景图，然后导入上位机组态软件中，根据参数设置测控对象监测点，完整地呈现出监控的画面。

另外，用户需要对监控画面进行完善，可以通过将现场组态监控技术将手机App和PC端实时监控系统相互结合形成双终端监控状态，将计算机组态监控配备由手机端进行辅助，可以对现场情况进行实时监控，使得手机组态监控界面效果更清晰、合理、准确。

图1 系统总体框架

在进入编程模式时，用户采用一种新型图形化编程方法，通过使用TGCS平台，用户只需根据每个工艺进程，创建各功能指令之间的连线并拖动对应图形完成，最后将程序放置程序运行处便完成了编程。用户可以登录云端平台进行程序查找，通过控制系统的功能及需求可以从云数据库上搜索找到功能操作相关的程序下载并导入上位机组态监控软件中供以后方便调用；若软件系统中不存在相关指令和程序，则需要用户依据自身需要进行相应指令的定义和开发，之后用户可以直接调用相关指令，后期可以对软件进行动态优化处理，通过结合专家控制算法根据现场测控对象的变化进行在线调整。另外，根据建立的基础指令集，用户还可以使用PC端和手机端进行编写，通过互联网上传到上位机监控软件中，导入完成程序。用户需要将系统中的测控对象与下位机控制器对应的接口进行连接，上位机与下位机通过串行通信将两者连接，用户启动控制系统开始运行。上位机每次将处理工艺的过程以指令方式传送到下位机控制器，下位机控制器通过程序执行过程对测控对象发送控制信号，然后测控对象通过将数据实时发送到云端数据库进行备份的同时运用边缘计算技术(D2D)对数据进行分析和运算，并将信息反馈到手机监控App或PC端，监控画面可以实时地反应系统各部分运行情况，如遇突发情况则会调用相关的中断处理方式处理。手机监控通过网络与计算机系统实时保持同步，与监控软件进行实时数据交互。用户也可以实时监控，排除一切可能出现的突发情况，通过现场组态监控技术控制现场对象运行，与其他外部通信系统进行连接，实现相互通信。

最后，用户可将运行成功后的程序上传至云数据库，这样其他用户在开发时便可以直接访问云端搜索下载程序并使用，使得云端数据库不断发展完善。系统工作原理见图2。

图2 系统工作原理

2 软件设计

2.1 软件指令集

指令在系统中充当“血液”，系统所有的操作都将转换为一条条指令在期望的时间、对应的模块进行执行。制定一套较为完整的指令集才能更好地让人与机器、机器与机器之间的信息交换变得更加清晰。

2.1.1 指令设计。本系统设计了报警指令、控制指令、I/O指令、程序执行指令、设备动作指令等一系列系统指令。例如"000? IO.0=1":判断IO.0所输入的是否为高电平；"005Load_Name"：执行名为Name的程序；"101?temp.1 = Value"：判断温度传感器temp.1的温度是否等于Value。

表1 系统部分指令

上位机中保存的指令为系统内部指令，给用户提供了循环指令、判断指令、I/O指令、设备监控指令等，方便用户根据自身工业流程调用相关指令来控制下位机PLC。但是不同的工业领域有不同的工业流程，本系统还支持用户根据自身需要设置私有的指令集，所设置的私有指令集与系统内部公有指令集具有相同的优先级，对下位机PLC的访问及控制具有相同的权限。

2.1.2 图形化指令处理方式。通过使用TGCS平台可以令用户不需要自己编写完整的执行程序，只需要调用系统指令库中的相关指令，或者根据自身实际需要，通过简单设计和编写自己的私有指令并调用，创建功能间的各端点的连线设置运行的先后次序等，拖动指令所对应的图形进行组合，完成控制系统设计。上位机依据用户调用相关的一系列指令生成程序后线性执行，依据相关指令，控制对应部件执行相应操作。

2.2 云端数据库构建

根据工业生产中控制层设备与测控对象数量、通信密集度安全需要采用不同数据库，云端数据库对比本地数据库有低成本、轻松部署、高可靠的优势。云端数据库构建可选用阿里云数据库RDS MySQL版，云端数据库存储有控制功能的程序源代码，存储监控画面与用户的接收端交互，方便用户观察与控制测控对象的运行，存储测控对象工作状态、运行时间、温度等参数，控制层监控软件和控制器的源代码、通信指令集和专家控制规则，支持用户将自己开发的程序上传至数据库。见图3。

图3 云端数据库框图

2.3 软件动态优化处理

云数据库是该系统数据运算中心的核心，因此根据云环境中的动态特性调用计算机资源将其内部任务分配开，任务分配器需要通过总端点将各个小任务传送到多个支端点上，使得任务在多个支端点上的操作单元进行操作，最大限度地利用资源，提高空间利用效率。如果操作的任务相同便可以在执行同样任务的操作单元循环进行，使其计算效率提高。同样，可以在各个支点进行更精细地划分，可以采用萤火虫遗传算法将单元中所有动作进行细分，并限定在一定时间和空间内进行操作，它可处理相对复杂、随机的算法函数，且生成对系统更好的功能算法，进行相对平衡地发展，优化分配资源可相对减少总计算任务的操作时间，系统总的运行方面的消耗会大大降低。

另外，为降低传统云数据库中心工作流的能耗问题，可采用新的优化调度算法以满足用户在约束时间内给出使用最少的完成工作的调度方案。在云数据库中心上构建双层虚拟化云架构，采用时间利用率最大化调度(TUMS)和运行时间压缩(RTC)两个阶段实现调度算法，TUMS在给定时间内选择使用最少且合适的处理器及虚拟机数量在准备阶段，下一步RTC找到可运行的设备，通过缩短工作时间提高服务器工作效率。同时可以采取软件定义时间触发以太网作为优化系统中消息调度的一种新型模式，可在消息调度算法之上采用MAV调度算法，能更加保证消息传输的实时性。

下位机控制器也要根据手机以及现场终端的空闲时间和网络资源的分配合理实时在指定时间进行发送，实现网络调整。

3 硬件设计

PLC可编程逻辑控制器的输入电路所适用的电源范围较宽，为加强抗干扰效果，加装了电源净化器件(电源滤波器等)，其带动负载(例如按钮等输入装置)时需注意采用合适容量，同时在电路上加装熔断器以保护电路。PLC控制系统的输出电路中所连接的各种指示灯、变频器/调速器的启动/停止应采用晶体管的方式输出，它适合高频时段，响应时间段。若频率较低首先选用继电器输出的方式，抗干扰以及带负载能力强。

PLC工作方式就是根据上位机发出到下位机的命令，再解释为相应的时序信号控制设备，同时下位机也要实时读取设备的状态信息将其转化为数字信号传送到上位机。下位机拥有独立和更可靠的通信协议，通过使用专用接口，确保程序以及指令操作的正确性。PLC首先对控制器内部进行检测和处理，然后再检测外部通信模块，之后与上位机及服务器进行数据交互，下载程序后，对PLC程序进行处理采集信息，确定输入寄存器信息符合，按下按钮。每个按钮都有相对应的与测控对象连接的电机，模拟量输入，程序执行，从而电机输出逻辑状态，不断通过输出寄存器状态变化产生高低电位，驱动其外部负载，最后读取寄存器内的信息便可以实时获取整个系统的工作状态。另一种方式是通过将工控触屏、PLC和物联网模块组合在同一网络时段，各模块有独立的通信地址，需要用户使用专有的信息登录物联网模块配置软件，向其中添加相应的设备地址及连接方式，再由系统进行检查，无误后方可以开始下位机远程控制。用户可以使用触摸屏进行在线监控调试，以及程序下载及应用。

4 软硬件通信及数据交互设计

4.1 基于5G的边缘计算技术的应用

在5G技术的支持下，边缘计算技术将得到有效的发展。边缘计算技术是在物联网、高带宽背景下发展起来的新兴技术,其核心在于靠近用户设备的边缘侧对数据进行分析和计算，目的是提高数据交互的实时性和准确性。中国边缘计算技术联盟(ECC)将其定义为包含设备、网络、数据、应用4个方面。

边缘计算技术使用了更加靠近应用程序和测控设备侧的可信结点，为用户提供更加快速、准确的数据计算与分析，提高了工业控制领域数据交互的实时性，同时解决了数据传输过程中的流量压力和云端数据库数据处理压力。运用该技术进行数据分析和计算的同时还可以对数据进行加密操作，保证了在数据传输过程中的安全性。

4.2 基于CAN总线实现硬件之间的交互

CAN总线是一种支持分布式控制的通信总线。它可以实现对连接在其通信接口上的设备进行智能控制，并实现数据的接收和发送，而且当一个工作单元出现故障时不会影响其他工作单元的正常工作，将其融合在工业自动化控制系统中可以实现对相关操作指令的精确实现，同时保证了数据传输的准确性和及时性。本系统使用CAN总线实现硬件设备之间的数据交互，使得控制信息可以及时地反馈到每个设备和上位机检测系统。通过预先植入下位机中的程序指令，由各设备自主决定下一步所要进行的操作，实现智能化工业控制。

5 结束语

大多工业领域的监控系统都是在固定模式下进行操作，为此，笔者提了这种图形化低代码平台以及智能测控一体系统，对工业测控系统进行全面构建，提高智能化程度的同时还具备程序重构功能，利用多种软件优化调度算法和专家控制方法实现了工业中控制程序的高效开发和准确测控，加快了工业的开发速度，改变了传统过程设备控制程序的固化模式。大量的实验结果证明了此系统可移植性高于传统的工业测控系统，可用于多种不同的工业领域，实现了编程图形化和测控智能化，很大程度上提高了工业智能化测控的实时性和准确性。