0 引言

    在打撈作業(yè)中，鋼制浮筒發(fā)揮了極大的作用,。鋼制浮筒在打撈工程中的應(yīng)用主要分為浮筒鋼纜的預(yù)埋,、浮筒的沉放及浮筒的充氣平衡三個(gè)階段^[1]。浮筒的充氣平衡是整個(gè)作業(yè)過程中最重要又最難的一步,。傳統(tǒng)的打撈作業(yè)中為了保證整個(gè)過程準(zhǔn)確無誤,，常需要專業(yè)打撈人員潛入水中進(jìn)行人為監(jiān)測(cè)，但因傳統(tǒng)計(jì)算模型具有較大的誤差及人為因素的存在導(dǎo)致了在耗費(fèi)了大量人力物力的情況下,，整個(gè)進(jìn)程仍然不易得到準(zhǔn)確控制,。針對(duì)這個(gè)問題本文設(shè)計(jì)了一套基于FameView的打撈浮筒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浮筒深水作業(yè)時(shí)的情況,。

    本文根據(jù)實(shí)際需求,，開發(fā)了基于FameView組態(tài)軟件的打撈浮筒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用 FameView 組態(tài)軟件建立與下位機(jī)之間的通信,，并搭建一個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái),。在每個(gè)浮筒上安置裝有壓力傳感器、液位計(jì),、傾角儀及PLC的水密箱,，PLC采集各傳感器的數(shù)據(jù)，并傳遞給上位機(jī),。上位機(jī)是通過開發(fā)FameView組態(tài)軟件而得到的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái),，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、控制,、監(jiān)視,。本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使作業(yè)人員可以通過人機(jī)交互畫面實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并對(duì)信息進(jìn)行分析與處理,。此外本系統(tǒng)也根據(jù)實(shí)際情況增加了報(bào)警,、歷史數(shù)據(jù)、Web發(fā)布,、移動(dòng)終端等附加功能,。在操作過程中一旦出現(xiàn)問題，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)立刻給出報(bào)警信息,，在問題解決后,，系統(tǒng)將恢復(fù)正常，記錄并退出報(bào)警,，以便于之后的分析,。該系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試中，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,，監(jiān)測(cè)精準(zhǔn),，操作簡(jiǎn)便,，系統(tǒng)穩(wěn)定，性能良好,。

1 系統(tǒng)分析

    為了準(zhǔn)確獲知浮筒在打撈作業(yè)時(shí)是否到達(dá)充氣平衡狀態(tài),，系統(tǒng)將采集浮筒艏艙壓力、艉艙壓力,、橫傾角,、縱傾角、浮筒艏艙液位,、艉艙液位及中艙液位等數(shù)據(jù),，并由PLC控制、轉(zhuǎn)換,、分析后傳送給上位機(jī),，以顯示在監(jiān)測(cè)界面上供操作人員進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

    本系統(tǒng)由上位機(jī),、PLC,、傳感器組成。上位機(jī)用于監(jiān)測(cè),，其通過開發(fā)FameView組態(tài)軟件得到一個(gè)較好的人機(jī)交互界面以便對(duì)浮筒打撈整個(gè)過程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)與在線管理。PLC接收傳感器傳送的數(shù)據(jù)并按照控制器內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的參數(shù)及編制的程序進(jìn)行計(jì)算,。傳感器在本系統(tǒng)的作用為采集浮筒工作時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)^[2],。

    系統(tǒng)以FameView組態(tài)軟件為核心完成了對(duì)80噸級(jí)別浮筒在深水作業(yè)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、分析,、監(jiān)測(cè),、存儲(chǔ)、顯示等功能,。數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理如圖1所示,。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊,、監(jiān)測(cè)模塊三個(gè)部分組成,。由壓力傳感器、傾角儀及液位計(jì)組成的數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN總線與DE4-20 mA電流與由PLC構(gòu)成的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊相聯(lián)系,。這兩個(gè)模塊在一起構(gòu)成下位機(jī),，置于水密箱中綁定在浮筒上。由FameView組態(tài)軟件構(gòu)成本系統(tǒng)核心的監(jiān)測(cè)模塊,，并通過485總線和Modbus RTU與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行通信,。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

    本系統(tǒng)利用傳感器和PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能,。壓力傳感器獲取浮筒艏艙壓力,、艉艙壓力,；傾角儀收集橫傾角、縱傾角,；液位計(jì)采集浮筒艏艙液位,、艉艙液位和中艙液位。傾角儀通過CAN總線與PLC通信,，而壓力傳感器與液位計(jì)的數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)化為DC 4-20 mA電流信號(hào)傳送給PLC,。系統(tǒng)中傳感器以及PLC被封閉在水密箱中，安置在浮筒上,。軟件流程如圖3所示,。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

    可編程序控制器(PLC)作為新一代的工業(yè)控制裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、性能優(yōu)良,、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng),、易學(xué)易用,，并可進(jìn)行在線修改^[3]?；赑LC優(yōu)點(diǎn),，結(jié)合系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能,、通信等方面的要求,，本系統(tǒng)選用施耐德M251系列PLC來完成數(shù)據(jù)采集。對(duì)于上位機(jī),，F(xiàn)ameView功能主要是讀取PLC程序所采集到的數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫,，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示以便之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理與監(jiān)測(cè)。在系統(tǒng)中通過Modbus RTU通信協(xié)議將PLC與FameView組態(tài)軟件連接在一起,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送,。PLC與FameView的通信協(xié)議如圖4所示。

3 FameView監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)使用FameView組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面監(jiān)測(cè)程序,。FameView數(shù)據(jù)庫功能強(qiáng)大,，其設(shè)備數(shù)據(jù)表能多線程穩(wěn)定地處理從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，并以圖表,、報(bào)表的形式進(jìn)行儲(chǔ)存,，調(diào)取分析便捷^[4]。對(duì)FameView進(jìn)行開發(fā)需要完成五個(gè)工作：系統(tǒng)設(shè)置,、設(shè)備通信定義,、運(yùn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)置、顯示畫面制作以及數(shù)據(jù)庫連接,。本系統(tǒng)除了得到較好的人機(jī)交互界面外,，還根據(jù)實(shí)際情況增加了報(bào)警系統(tǒng),、歷史數(shù)據(jù)、Web發(fā)布,、移動(dòng)終端等功能,。

3.1 監(jiān)測(cè)界面

    根據(jù)浮筒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和控制策略，在監(jiān)測(cè)界面上應(yīng)同時(shí)包含有四個(gè)浮筒傾角,、壓力,、液位等參數(shù)。

3.1.1 監(jiān)測(cè)畫面設(shè)計(jì)

    FameView 組態(tài)軟件中畫面制作功能強(qiáng)大,。其自帶的工具箱及軟件箱為界面制作提供了便捷方式和豐富的素材,，也可以自定義圖形。使用組件箱中的“文本變量”,、“曲線顯示”,、“數(shù)據(jù)庫”、“命令按鈕”,、“畫面控件”來制作主監(jiān)測(cè)畫面及次級(jí)畫面,，按鈕控件可實(shí)現(xiàn)主次畫面的轉(zhuǎn)換^[5]。FameView進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)的一般流程為：第一步,，建立通信,；第二步，定義設(shè)備數(shù)據(jù)表,；第三步,，運(yùn)行數(shù)據(jù)庫；第四步,，畫面制作^[6]。利用FameView提供的組件和腳本語言,，按照流程來制作沉船打撈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)畫面,，然后結(jié)合打撈浮筒流程以及實(shí)地作業(yè)情況進(jìn)行改善，完成整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)畫面的布置,。在設(shè)計(jì)的過程中,，每套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與PLC所對(duì)應(yīng)接口未確定，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行接口的設(shè)定,。本文通過開發(fā)FameView而得到的界面較為直觀,，為操作人員帶來了極大的便利。監(jiān)測(cè)主畫面如圖5所示,。以浮筒1的為例,，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的放大畫面如圖6所示。

3.1.2 浮力計(jì)算

    在監(jiān)測(cè)界面上將顯示浮筒的橫傾角,、縱傾角,；艏艙液位,、中艙液位和艉艙液位；艏艙壓力,、艉艙壓力及浮力等數(shù)據(jù),。傾角，液位和壓力可以分別通過傾角儀,、液位計(jì)和壓力傳感器獲取,，而浮力則需要通過液位來獲取。

    由于浮筒艙體內(nèi)為非規(guī)則結(jié)構(gòu),，若使用傳統(tǒng)方法計(jì)算艙內(nèi)進(jìn)水后對(duì)應(yīng)的艙內(nèi)進(jìn)水容積與進(jìn)水液位之間的關(guān)系表,，將會(huì)帶來較大的誤差。故為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),，在本系統(tǒng)中通過多物理場(chǎng)仿真用浮筒的進(jìn)水液位來計(jì)算艙內(nèi)的進(jìn)水容積,。計(jì)算流程如圖7所示。

    先通過SolidWorks對(duì)浮筒艙體建模,，再通過有限元計(jì)算容積-液位表,。在實(shí)際測(cè)量中通過所得液位信息及容積-液位表中容積和液位關(guān)系計(jì)算出浮力。

    本文中首先通過建模仿真獲取浮筒艏艙液位中艙液位,、艉艙液位在0～3.2 m范圍內(nèi)每隔0.1 m時(shí)的體積,，并由此建立體積表，并通過擬合得到體積與液位之間的關(guān)系,，如圖8所示,。

    之后根據(jù)體積表將數(shù)據(jù)分為32段，每一段均化曲為直,，即在每一小段內(nèi)體積是隨著液位線性變化的,。圖8中黑線為建模仿真曲線，灰線是化曲為直的計(jì)算結(jié)果,，可看出最大體積誤差出現(xiàn)在深度50 cm左右,。為分析誤差對(duì)系統(tǒng)的影響，將深度為20～140 cm的體積與液位關(guān)系圖取出放大,，可以看出最大體積誤差十分小,可以忽略不計(jì),。

3.1.3 設(shè)備通信

    設(shè)備通信主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)表和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備數(shù)據(jù)表是系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)內(nèi)存,，大小為 2 000×1 024,，用來存放與外部設(shè)備進(jìn)行交換的原始數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用來讀取外部設(shè)備中的數(shù)據(jù),，放入設(shè)備數(shù)據(jù)表中的指定位置,，本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于各種PLC都具有性能非常好的驅(qū)動(dòng)。

    由于FameView 組態(tài)軟件在與下位機(jī)通信前必須要根據(jù)下位機(jī)軟件所設(shè)定的通信方式安裝驅(qū)動(dòng),，因此本文選擇了Modbus的MB_RTU通信驅(qū)動(dòng)^[7],。在實(shí)際作業(yè)中,，在下位機(jī)與設(shè)備之間建立通信后，將采集數(shù)據(jù)建立設(shè)備數(shù)據(jù)表,，之后通過由VBscript寫的腳本進(jìn)行控制,。系統(tǒng)可以通過設(shè)備號(hào)、單元號(hào)和位號(hào)訪問設(shè)備數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù),。本文根據(jù)實(shí)際情況,，一共有4套打撈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于D1設(shè)備號(hào)被系統(tǒng)占用,，其內(nèi)容不能被驅(qū)動(dòng)程序使用,，因此4套打撈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)為 D2、D3,、D4,、D5。

    浮筒的液位量程,、海水密度等參數(shù)會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境發(fā)生變化,，可在設(shè)備參數(shù)表中進(jìn)行設(shè)置，如圖9所示,。系統(tǒng)把修改的參數(shù)發(fā)送給外部設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。

    通過實(shí)驗(yàn)及分析發(fā)現(xiàn)傳感器存在誤差,，為減小誤差的影響設(shè)計(jì)了校準(zhǔn),。為提高數(shù)據(jù)的可靠性，規(guī)定只有在得到授權(quán)下才能修改參數(shù),。

3.2 報(bào)警系統(tǒng)

    長期的深水作業(yè)會(huì)使裝有傳感器及PLC的水密箱面臨老化,、磨損、腐蝕等一系列問題,。在艙體打撈過程中,，一旦水密箱出現(xiàn)漏水問題，就將會(huì)損壞PLC及傳感器,，造成設(shè)備報(bào)廢、環(huán)境污染,、財(cái)產(chǎn)損失等后果,。從設(shè)備安全保障方面看，必須要采取預(yù)防措施,，落實(shí)防患于未然,。

    系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警輕重程度，分為警告,、故障,、報(bào)警,、自定義四個(gè)級(jí)別，指示燈會(huì)根據(jù)設(shè)備的受損程度顯示不同的顏色,。在發(fā)生報(bào)警后操作人員會(huì)首先通過報(bào)警名稱進(jìn)行關(guān)鍵字查詢,，從而獲取發(fā)生報(bào)警的原因，然后再通過報(bào)警信息獲得更加詳細(xì)的內(nèi)容,，最后操作人員結(jié)合報(bào)警備注,，找到解決方案^[8]。報(bào)警級(jí)別,、報(bào)警位置,、報(bào)警點(diǎn)會(huì)顯示在一個(gè)表格中，便于工作人員去查詢,。此外為了大幅度地提升查詢效率,，系統(tǒng)通過報(bào)警位置對(duì)報(bào)警進(jìn)行了分組，實(shí)現(xiàn)了分組管理,。在試驗(yàn)時(shí)考慮到參與過程的設(shè)計(jì)人員安危,，為每個(gè)浮筒添加了各自的超高報(bào)警信息，一旦產(chǎn)生安全問題,，必將及時(shí)報(bào)警,。

3.3 歷史數(shù)據(jù)

    深水作業(yè)時(shí)不僅要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還需要保留一定周期內(nèi)的歷史數(shù)據(jù),，以便用來分析設(shè)備具體情況,，對(duì)作業(yè)情況進(jìn)行核實(shí)與比對(duì)。歷史數(shù)據(jù)缺省存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫,，支持的數(shù)據(jù)庫類型有Access和SQL Serve,。數(shù)據(jù)表名稱為Doc -Data。由于在測(cè)試階段歷史數(shù)據(jù)量較小,，因此可以使用Access數(shù)據(jù)庫,，不需要安裝其他軟件。但在實(shí)際應(yīng)用中建議使用SQL Server數(shù)據(jù)庫^[9],，其必須要安裝SQL Server或MSDE/Express軟件平臺(tái),。此外缺省歷史數(shù)據(jù)庫類型也可以根據(jù)計(jì)算機(jī)安裝環(huán)境決定。在使用的過程中為了防止數(shù)據(jù)庫文件尺寸達(dá)到限定邊界或硬盤最大容量,，需限定數(shù)據(jù)庫文件尺寸,，可以使用差值優(yōu)化減少存檔變量存儲(chǔ)容量。打撈浮筒監(jiān)測(cè)歷史曲線（模擬量）如圖10所示,。

3.4 Web發(fā)布

    操作人員可以通過安裝Web組件包并以管理員身份運(yùn)行瀏覽器以獲取需要的一些信息^[10],，在瀏覽器地址欄中輸入服務(wù)器IP或域名即可進(jìn)入初始網(wǎng)頁。Web發(fā)布包含：畫面、趨勢(shì),、報(bào)警,、報(bào)表、曲線,、下載等信息,。其中的畫面對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行主畫面，趨勢(shì)對(duì)應(yīng)歷史曲線,，報(bào)警對(duì)應(yīng)漏水報(bào)警,。而對(duì)于報(bào)表和曲線等信息則需在SQL Server里添加變量并導(dǎo)入運(yùn)行數(shù)據(jù)庫才能看到效果。通過Web發(fā)布,，客戶即可通過IP或域名遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)或操作系統(tǒng),。此外系統(tǒng)所增加的移動(dòng)終端功能也將使客戶不再局限于固定的PC。

4 結(jié)論

    本系統(tǒng)操作方便,、數(shù)據(jù)可靠,、性能穩(wěn)定，在運(yùn)行中具有良好的交互性,、可靠性和穩(wěn)定性,。此外系統(tǒng)還大幅度降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和難度，提高了工作效率,。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)交互監(jiān)測(cè)界面,，使得操作人員能夠在第一時(shí)間準(zhǔn)確地獲知水下作業(yè)情況并盡快作出調(diào)整；報(bào)警功能可第一時(shí)間反映錯(cuò)誤,，避免了較大的財(cái)力損失,；歷史數(shù)據(jù)功能將存儲(chǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)，為設(shè)備情況分析提供第一手的數(shù)據(jù),；Web發(fā)布功能將提供遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及操控功能,。本系統(tǒng)將為深水作業(yè)帶來極大的便利，在某海域?qū)崪y(cè)證明該系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用要求,。

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作者信息:

陳夏寅,，彭菊紅，程  志,，葉  波,，周  民

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 武漢430062)