电力系统etap软件仿真技术与实验（基于FameView的打捞浮筒监测系统的设计）
电力系统etap软件仿真技术与实验（基于FameView的打捞浮筒监测系统的设计）2.1 数据采集本系统由数据采集模块、信号转换模块、监测模块三个部分组成。由压力传感器、倾角仪及液位计组成的数据采集模块通过CAN总线与DE4-20 mA电流与由PLC构成的信号转换模块相联系。这两个模块在一起构成下位机，置于水密箱中绑定在浮筒上。由FameView组态软件构成本系统核心的监测模块，并通过485总线和Modbus RTU与信号转换模块进行通信。系统功能模块如图2所示。本系统由上位机、PLC、传感器组成。上位机用于监测，其通过开发FameView组态软件得到一个较好的人机交互界面以便对浮筒打捞整个过程进行集中监测与在线管理。PLC接收传感器传送的数据并按照控制器内部预先设置的参数及编制的程序进行计算。传感器在本系统的作用为采集浮筒工作时的各项数据[2]。系统以FameView组态软件为核心完成了对80吨级别浮筒在深水作业时的数据采集、分析、监测、存储、显示等功能。数据采集及监
在打捞作业中，钢制浮筒发挥了极大的作用。钢制浮筒在打捞工程中的应用主要分为浮筒钢缆的预埋、浮筒的沉放及浮筒的充气平衡三个阶段[1]。浮筒的充气平衡是整个作业过程中最重要又最难的一步。传统的打捞作业中为了保证整个过程准确无误，常需要专业打捞人员潜入水中进行人为监测，但因传统计算模型具有较大的误差及人为因素的存在导致了在耗费了大量人力物力的情况下，整个进程仍然不易得到准确控制。针对这个问题本文设计了一套基于FameView的打捞浮筒监测系统，用于实时监测浮筒深水作业时的情况。
本文根据实际需求，开发了基于FameView组态软件的打捞浮筒监测系统。利用 FameView 组态软件建立与下位机之间的通信，并搭建一个监测平台。在每个浮筒上安置装有压力传感器、液位计、倾角仪及的水密箱，PLC采集各传感器的数据，并传递给上位机。上位机是通过开发FameView组态软件而得到的监测系统平台，对采集的数据进行处理、控制、监视。本文所设计的监测系统使作业人员可以通过人机交互画面实时获取准确数据，并对信息进行分析与处理。此外本系统也根据实际情况增加了报警、历史数据、Web发布、移动终端等附加功能。在操作过程中一旦出现问题，监测系统会立刻给出报警信息，在问题解决后，系统将恢复正常，记录并退出报警，以便于之后的分析。该系统在实际测试中，数据真实可靠，监测精准，操作简便，系统稳定，性能良好。
1 系统分析
为了准确获知浮筒在打捞作业时是否到达充气平衡状态，系统将采集浮筒艏舱压力、艉舱压力、横倾角、纵倾角、浮筒艏舱液位、艉舱液位及中舱液位等数据，并由PLC控制、转换、分析后传送给上位机，以显示在监测界面上供操作人员进行系统监测。
本系统由上位机、PLC、传感器组成。上位机用于监测，其通过开发FameView组态软件得到一个较好的人机交互界面以便对浮筒打捞整个过程进行集中监测与在线管理。PLC接收传感器传送的数据并按照控制器内部预先设置的参数及编制的程序进行计算。传感器在本系统的作用为采集浮筒工作时的各项数据[2]。
系统以FameView组态软件为核心完成了对80吨级别浮筒在深水作业时的数据采集、分析、监测、存储、显示等功能。数据采集及监测系统的原理如图1所示。
2 系统设计
本系统由数据采集模块、信号转换模块、监测模块三个部分组成。由压力传感器、倾角仪及液位计组成的数据采集模块通过CAN总线与DE4-20 mA电流与由PLC构成的信号转换模块相联系。这两个模块在一起构成下位机，置于水密箱中绑定在浮筒上。由FameView组态软件构成本系统核心的监测模块，并通过485总线和Modbus RTU与信号转换模块进行通信。系统功能模块如图2所示。
2.1 数据采集
本系统利用传感器和PLC实现数据的采集功能。压力传感器获取浮筒艏舱压力、艉舱压力；倾角仪收集横倾角、纵倾角；液位计采集浮筒艏舱液位、艉舱液位和中舱液位。倾角仪通过CAN总线与PLC通信，而压力传感器与液位计的数据将转化为DC 4-20 mA电流信号传送给PLC。系统中传感器以及PLC被封闭在水密箱中，安置在浮筒上。软件流程如图3所示。
2.2 软件设计
可编程序控制器(PLC)作为新一代的工业控制装置，其结构简单、性能优良、可靠性高、抗干扰能力强、易学易用，并可进行在线修改[3]。基于PLC优点，结合系统在结构、功能、通信等方面的要求，本系统选用施耐德M251系列PLC来完成数据采集。对于上位机，FameView功能主要是读取PLC程序所采集到的数据并将其存储在数据库，同时将数据实时显示以便之后对数据进行集中管理与监测。在系统中通过Modbus RTU通信协议将PLC与FameView组态软件连接在一起，实现数据的实时传送。PLC与FameView的通信协议如图4所示。
3 FameView监测系统设计
本系统使用FameView组态软件设计人机界面监测程序。FameView数据库功能强大，其设备数据表能多线程稳定地处理从工业现场采集的数据，并以图表、报表的形式进行储存，调取分析便捷[4]。对FameView进行开发需要完成五个工作：系统设置、设备通信定义、运行数据库设置、显示画面制作以及数据库连接。本系统除了得到较好的人机交互界面外，还根据实际情况增加了报警系统、历史数据、Web发布、移动终端等功能。
3.1 监测界面
根据浮筒监测系统的设计思想和控制策略，在监测界面上应同时包含有四个浮筒倾角、压力、液位等参数。
3.1.1 监测画面设计
FameView 组态软件中画面制作功能强大。其自带的工具箱及软件箱为界面制作提供了便捷方式和丰富的素材，也可以自定义图形。使用组件箱中的“文本变量”、“曲线显示”、“数据库”、“命令按钮”、“画面控件”来制作主监测画面及次级画面，按钮控件可实现主次画面的转换[5]。FameView进行画面设计的一般流程为：第一步，建立通信；第二步，定义设备数据表；第三步，运行数据库；第四步，画面制作[6]。利用FameView提供的组件和脚本语言，按照流程来制作沉船打捞监测系统的监测画面，然后结合打捞浮筒流程以及实地作业情况进行改善，完成整套监测系统画面的布置。在设计的过程中，每套监测系统与PLC所对应接口未确定，需根据实际情况进行接口的设定。本文通过开发FameView而得到的界面较为直观，为操作人员带来了极大的便利。监测主画面如图5所示。以浮筒1的为例，监测数据的放大画面如图6所示。
3.1.2 浮力计算
在监测界面上将显示浮筒的横倾角、纵倾角；艏舱液位、中舱液位和艉舱液位；艏舱压力、艉舱压力及浮力等数据。倾角，液位和压力可以分别通过倾角仪、液位计和压力传感器获取，而浮力则需要通过液位来获取。
由于浮筒舱体内为非规则结构，若使用传统方法计算舱内进水后对应的舱内进水容积与进水液位之间的关系表，将会带来较大的误差。故为了得到准确的数据，在本系统中通过多物理场仿真用浮筒的进水液位来计算舱内的进水容积。计算流程如图7所示。
先通过SolidWorks对浮筒舱体建模，再通过有限元计算容积-液位表。在实际测量中通过所得液位信息及容积-液位表中容积和液位关系计算出浮力。
本文中首先通过建模仿真获取浮筒艏舱液位中舱液位、艉舱液位在0～3.2 m范围内每隔0.1 m时的体积，并由此建立体积表，并通过拟合得到体积与液位之间的关系，如图8所示。
之后根据体积表将数据分为32段，每一段均化曲为直，即在每一小段内体积是随着液位线性变化的。图8中黑线为建模仿真曲线，灰线是化曲为直的计算结果，可看出最大体积误差出现在深度50 cm左右。为分析误差对系统的影响，将深度为20～140 cm的体积与液位关系图取出放大，可以看出最大体积误差十分小 可以忽略不计。
3.1.3 设备通信
设备通信主要包括设备数据表和设备驱动程序。设备数据表是系统提供的数据内存，大小为 2 000×1 024，用来存放与外部设备进行交换的原始数据。设备驱动程序用来读取外部设备中的数据，放入设备数据表中的指定位置，本文所设计的监测系统对于各种PLC都具有性能非常好的驱动。
由于FameView 组态软件在与下位机通信前必须要根据下位机软件所设定的通信方式安装驱动，因此本文选择了Modbus的MB_RTU通信驱动[7]。在实际作业中，在下位机与设备之间建立通信后，将采集数据建立设备数据表，之后通过由VBscript写的脚本进行控制。系统可以通过设备号、单元号和位号访问设备数据表中存储的各种数据。本文根据实际情况，一共有4套打捞监测系统。由于D1设备号被系统占用，其内容不能被驱动程序使用，因此4套打捞监测系统的设备号对应为 D2、D3、D4、D5。
浮筒的液位量程、海水密度等参数会因为外部环境发生变化，可在设备参数表中进行设置，如图9所示。系统把修改的参数发送给外部设备，实现实时监测的功能。
通过实验及分析发现传感器存在误差，为减小误差的影响设计了校准。为提高数据的可靠性，规定只有在得到授权下才能修改参数。
3.2 报警系统
长期的深水作业会使装有传感器及PLC的水密箱面临老化、磨损、腐蚀等一系列问题。在舱体打捞过程中，一旦水密箱出现漏水问题，就将会损坏PLC及传感器，造成设备报废、环境污染、财产损失等后果。从设备安全保障方面看，必须要采取预防措施，落实防患于未然。
系统根据报警轻重程度，分为警告、故障、报警、自定义四个级别，指示灯会根据设备的受损程度显示不同的颜色。在发生报警后操作人员会首先通过报警名称进行关键字查询，从而获取发生报警的原因，然后再通过报警信息获得更加详细的内容，最后操作人员结合报警备注，找到解决方案[8]。报警级别、报警位置、报警点会显示在一个表格中，便于工作人员去查询。此外为了大幅度地提升查询效率，系统通过报警位置对报警进行了分组，实现了分组管理。在试验时考虑到参与过程的设计人员安危，为每个浮筒添加了各自的超高报警信息，一旦产生安全问题，必将及时报警。
3.3 历史数据
深水作业时不仅要实时监测，还需要保留一定周期内的历史数据，以便用来分析设备具体情况，对作业情况进行核实与比对。历史数据缺省存储在关系数据库，支持的数据库类型有Access和SQL Serve。数据表名称为Doc -Data。由于在测试阶段历史数据量较小，因此可以使用Access数据库，不需要安装其他软件。但在实际应用中建议使用SQL Server数据库[9]，其必须要安装SQL Server或MSDE/Express软件平台。此外缺省历史数据库类型也可以根据计算机安装环境决定。在使用的过程中为了防止数据库文件尺寸达到限定边界或硬盘最大容量，需限定数据库文件尺寸，可以使用差值优化减少存档变量存储容量。打捞浮筒监测历史曲线（模拟量）如图10所示。
3.4 Web发布
操作人员可以通过安装Web组件包并以管理员身份运行浏览器以获取需要的一些信息[10]，在浏览器地址栏中输入服务器IP或域名即可进入初始网页。Web发布包含：画面、趋势、报警、报表、曲线、下载等信息。其中的画面对应监测系统运行主画面，趋势对应历史曲线，报警对应漏水报警。而对于报表和曲线等信息则需在SQL Server里添加变量并导入运行数据库才能看到效果。通过Web发布，客户即可通过IP或域名远端监测或操作系统。此外系统所增加的移动终端功能也将使客户不再局限于固定的PC。
4 结论
本系统操作方便、数据可靠、性能稳定，在运行中具有良好的交互性、可靠性和稳定性。此外系统还大幅度降低了操作人员的劳动强度和难度，提高了工作效率。实时数据传输和人机交互监测界面，使得操作人员能够在第一时间准确地获知水下作业情况并尽快作出调整；报警功能可第一时间反映错误，避免了较大的财力损失；历史数据功能将存储部分数据，为设备情况分析提供第一手的数据；Web发布功能将提供远程监测及操控功能。本系统将为深水作业带来极大的便利，在某海域实测证明该系统满足实际应用要求。
参考文献
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[10] 张成，李迪，吴培浩，等.基于Web发布的组态软件设计与实现[J].自动化与仪表，2018(1)：89-92.
作者信息:
陈夏寅，彭菊红，程 志，叶 波，周 民
(湖北大学 计算机与信息工程学院，湖北 武汉430062)
