岩滩升船机上位监控系统网络的设计和分析

1、岩滩升船机上位监控系统网络的设计和分析叶友卿 ,廖沛霖 ,赵和炳(中国航天工业总公司 210 研究所 ,陕西 西安 710065)摘 要 :介绍岩滩升船机计算机监控系统网络硬件 、软件设计及特点分析 ,介绍二级网络测试 、评估及现场调试情况 ,供专家 、同行参考指导 。关键词 :升船机 ,计算机监控 ;网络 ;岩滩水电站中图分类号 : U642 ; TP273 . 5文献标识码 :B文章编号 :1001 - 408 X(1999) 04 - 0084 - 06行 、管理所需要的数据资料的存档和报告的生成 ,为系统运行规律的优化设计提供条件 ,并负责上位监 控软件的组织和修改 、报警设定参数的修

2、改 ;在系统发生故障时则负责有关信息和数据的报警 、提示及事故记录处理 。概述岩滩升船机计算机监控系统是由二级网络组成 的集散控制系统 ,由上位的以太网及 MB + 网构成 ,各子站又设计成分布式 I/ O 结构 。以操作站为中心的中央控制室 (简称中控室) 是 升船机计算机监控系统的上位监控级 ,是指挥管理 中心 。它负责对全系统的监视和上位级别的控制(按逻辑向各子站发布各种宏观命令) ,负责系统运1系统组成介绍计算机监控系统网络配置图见图 1 。系统组成 介绍如下 :2图 1 计算机监控系统网络配置图收稿日期 :1999 - 10 - 11作者简介 :叶友卿( 1942 - ) ,男 ,江

3、西南昌人 ,高级工程师 ; 廖沛霖( 1957 - ) ,男 ,湖南长沙人 ,高级工程师 ; 赵和炳( 1941 - ) ,男 ,江苏武进人 ,高级工程师。84叶友卿 、廖沛霖 、赵和炳 :岩滩升船机上位监控系统网络的设计和分析(1) 上位机的以太网由工作站集线器将网络服务器 、操作员站 、软件工程师站 、多媒体站及模拟屏 站组成为星形的拓扑结构 ,执行 I EEE 802 . 3 标准 , 具有 10 Mb/ s 网络传输速率 。相对湿度 :5 %95 % (非凝结) 。系统可耐较严重的振动和冲击 。冲击 : 30 g ,持续 3 ms (1/ 2 正弦波) ;振动 :随机的 0 . 43

4、RM S ,从5 Hz 到 500 Hz 。系统设计为可以每天 24 h 连续工 作 。(2) 二级网络结构将时间响应要求快速的实时任务与时间响应要求相对较慢和后台的任务分离 ,减轻了 MB + 网的负担 。(3) 智能型集线器 (它可代替网络服务器部分功 能 ,支持点 点对等通讯) 和星形拓扑结构适应节 点数较少和空间分布范围较小的上位网络 ,且提高 了系统可靠性 ( 即使服务器不投入运行 ,操作员站 、 软件工程师站 、多媒体站亦可相互通讯) 和便于扩展 。(4) 为了保证系统长期可靠地运行 ,除采用双网 冗余 、双电缆技术等外 ,还将操作员站 、软件工程师 站设置成双机热备份状态 。(5

5、) 船厢子站载体为船厢 ,是一个活动目标 ,垂 直升降距离接近 70 m ,站与站之间干线电缆连接要 求连续 ,不允许采用集电环 ,且网络电缆较轻细 。为此设计了金属链吊挂式结构 ,较好地解决了船厢子 站的连网问题 。又由于船厢是一金属结构 ,安全要求其本体与供电系统地连接 ,而 MB + 网要求各子站 信号零位经过专用电缆集中一点接地 ,为此船厢子站 PL C 系统设备采用悬浮式安装 ,选用直流模块和24 V 开关电源供电 ;交流供电设备则配备 11 的隔 离变压器 。(6) MB + 网的总线型拓扑使网络上某一节点卸 载并不影响网络其它节点通讯 ,新节点上网或故障 节点重新上网也很方便 ,

6、分接头为无源器件可靠性 较高 。逻辑上为令牌环路 ,不用中心控制 。由于令牌依次经过每个节点的转发器 ,而只有接到令牌的 站点才可以发送数据 ,所以整个网络每时只有一个 站点在发送数据 ,其它站都处在收听方式 ,不会发生信息冲突 ,即使重载时也能高效率工作 。经如此安 排 ,本 MB + 网信息传输快速可靠 ,模拟调试及现场 长期实测 ,令牌周期仅 5 ms8 ms , 且从未监测到 错误帧 。经过精心设计 ,网络干线及分支电缆总长小于450 m ,简化了系统结构 ,且大大地提高了系统响应 速度及可靠性 。(2) 网络服务器 ( 文件和打印服务) : IBMPCS320 ,配置 2 GB SC

7、S I - 双硬盘驱动器可提高文件 、数据存储可靠性 。HP 2000 I 4 mm 可装最大 2 GB磁带的磁带机提供文件 、数据海量存储和安全特性 。(3) 32 位 IBM 9237 PC I 以太网适配器提供对10Mb/ s 以太网的有效和高速接口 ,它安装于网络服 务器 、操作站 、软件工程师站及模拟屏站的 PC I 总线插槽中 ,支持多种网络操作系统和网络应用 。(4) 模拟屏站为 1 台工业计算机 。配置有电子 动态显示屏驱动卡和开关量输入/ 输出卡 ,可形象 、清晰地显示船舶和船厢及各种设备运行状况和位置 ,并且可根据需要提供少量开关量输出点 。它经 过以太网卡连至集线器 ,作

8、为操作站 、软件工程师站 的从站 ,DO S 环境上网 。(5) 操作员站 、软件工程师站还与各 PL C 子站 组成 MB + 网 ,执行 I EEE 802 . 4 标准 。物理结构为 总线型拓扑 ,可进行点到点或点到多点通讯 。(6) MB + 网配备专用计算机屏蔽电缆 、专用 T型接头 、专用分支电缆 ,支持 1 Mb/ s 的通讯速率 ,单 网线路总长 450 m ,可联接 32 个节点 ,经中继器可扩展至 1 800 m ,64 个节点 。本系统采用支持双电 缆操作的双 MB + 接口模块 。(7) SA - 85 Mo dbus Plus 双口通讯适配器 ,安装 在操作站及软件工

9、程师站的 ISA 插槽中 , 接口经Mo dico n 9 针 D 型连接器 、双纹屏蔽线 、分支电缆和MB + 网连接 。使操作站及软件工程师站跨接在两 级网络 ,不仅执行监控任务又担当起网桥的作用 。(8) 中控室还配有双套 20 kVA 在线式 U PS 电 源 ,负责向中控室和上 、下闸首 、主提升机子站提供不间断电源以保证系统正常可靠运行 ,同时为上述各站提供较好的连网环境 。系统主要技术特点(1) 操作站 、软件工程师站及多媒体站选用工业 工作站 IBM 7585 - P01 ,该机设计为工业结构 全金属机架和蒙皮 ,导轨安装减震结构的硬盘和 CD- ROM 驱动器 、双风机和进风

10、过滤装置提供了很 好的工业环境适应能力 。符合 FCC A 级 V CC I 1 级技术条件 。操作温度 :055 ;3软件组成及特点本系统软件由操作系统、组态软件和应用软件854红水河 1999 年第 4 期组成 ,诊断和通讯软件包括在其中 。上位监控软件 、仿真软件及由 C 语言编制的模拟屏驱动软件均由 自己开发 。4 . 1操作系统N T 。它是美国 Wo nderware 公司为工业自动化领域开发的智能型图形人机接口软件包 。在我国已得 到大量应用 ,其特点为 :以 Window s N T 为平台 ,所以能充分利用其 特点 ,如完善的图形功能 、曲线报表打印 、多任务数不受限制 、监

11、控的点数和画面数不受限制 、支持网络 运行及网间连接等 。具有离散量 、模拟量 ( 数据 、偏差 、变化率) 多 种多样报警功能 。具有实时曲线 、历史曲线 、报警画面和数据库管理功能 。具有多种数据类型并支持其间转换 、支持多 种现场数据输入方式 、支持汉字输入 ,方便于实时数 据采集和监视 。动态数据交换 (DD E) 支持热链接方式 ,大大压缩了应用程序和目标之间数据传输量 ,大大提高 了数据采集速率 。支持双机热备方式 ,大大提高了系统可靠性 。具备日志文件和系统诊断并可形成诊断报告 有利于系统维护 。本接口软件由开发和运行两部分组成 ,结构灵 活 ,可方便地由运行转到开发 ,便于调试

12、修改程序 。 本系统充分利用其特点 ,编制了丰富的图形画 面和安排了大量的数据点 ,满足了本集散系统上位监控的需要 ,大大方便了操作员的操作管理 。4 . 3监控软件根据任务需要 ,本应用软件包括四部分 ,现分别 介绍于下 。4 . 3 . 1从 PL C 子站采集数据和控制(1) 它包括近 90 幅画面 ,完成对主提升 、上下闸 首 、承船厢等 PL C 子站数据采集和控制 。输入 、输 出各类信号共 1 500 多点 。为了操作员监视前端设 备的状况 ,程序将各站重要的信号均连续采集上来 , 并以图形 、文字 、曲线 、表格等形式实时显示 ,其中更 重要的则可存入数据库以供记录和存档 。重

13、要的报警和故障信号则以清晰的闪烁和声音信号提醒操作 员以便作紧急处理 。(2) 操作站及软件工程师站安装相同监控程序 , 但操作站为“主”,软件工程师站为“从”,前者可执行 控制功能 ,而后者不可执行控制功能 (均由软件预先设置) 。从站与主站同时从 MB + 网读取 DD E 数据 ,而经逻辑运算和数学运算的内存数据则经过 N E T2DD E 实时地从主站取得并以另一变量名保存 ,与此 同时一直经以太网监视前者状态 ,一旦与前者通讯操作 系 统 软 件 采 用V3 . 51 中文版 。(1) Window s N T Server V3 . 51 是一个高性能 客户/ 服务器应用平台 。它

14、是一个适应工业环境的 抢先式多任务 、多线程调度的真正 32 位开放式网络 操作系统 (这意味着被支持的硬件 ,将运行得更快 ,效率更高) 其特点为 :支持文件打印 、信息传递 、内置磁带备份工具 与应用服务 ,支持前后台操作 。支持 N E TB EU I 、TCP/ IP 等多种网络协议标 准 ,所以方便网间连接 。有系统帐户管理 、文件和目录保护 、服务器镜 象安全性和容错功能 。有用户管理 、服务器管理 、系统性能监视 、事 件查看 、系统诊断等管理工具 。支持各种客户端及远程访问服务 。不仅经过N E TDD E 支持客户机的远程访问 ,还能方便地和采 用不同操作系统 ( 例 D E

15、CN E T 、U N IX) 的其它局域 网或广域网连接 。有良好的中文环境便于操作 。(2) Window s N T Wo r kstatio n V3 . 51 中文版是 一个可支持实时多道任务的全 32 位系统 ,同样有良 好的中文环境便于操作 。高级微核心设计和集成的安全性策略使其成 为高可靠的操作平台 。提供内置的文件共享及打印共享 ,并提供开放的内置网络系统接口可支持 TCP/ IP N E TB EU I等多种传输协议 ,还可与已有的网络兼容 。高级的内置网络支持 ( 包括完整的安全特性 在内) ,因此应用程序和数据都受到保护 。中文版更具有增强的帐号锁定 、点对点协议( P

16、 P P)“远程访问服务”等安全与网络功能 。 本系统网络服务器上安装 Window s N T ServerV3 . 51 中文版 ; 操作员站和软件工程师站上安装 Window s N T Wo r kstatio n V3 . 51 中文版 。在此我 们将其作为人机接口软件的工作平台 。4 . 2 组态软件为了方便系统的组态 ,运行参数的修改 、应用软 件的开发 ,系统配置了实时的人机友好图形界面的 应用程序生成器 Into uch V5 . 1b fo r Window s86Micro Sof t Window s N T叶友卿 、廖沛霖 、赵和炳 :岩滩升船机上位监控系统网络的设计

17、和分析中断 ( 模拟调试时人为将前者退出运行程序 V I EW ER) ,则自动启动控制功能 ( 此时 , 软件工程 师站转化为“主”,而没有“从”) 。且将前一瞬间从主 站取得的数据对应传输给上述内存变量 ,因此保证 了监控数据和状态的连贯性 。其切换时间不影响实 时任务执行 。当操 作 站 恢 复 运 行 时 , 由 软 件 预 先 设 定 的 Restart 信号将重新置操作站为“主”,软件工程师站 为“从”的位置 ,其切换时间应不影响实时任务执行 。 主站和从站之间的通讯中断后的转换完全是自动进 行的 ,不需人工干预 。(3) 本上位监控软件对各子站控制指令均通过 PL C 控制逻辑起

18、作用 , 某些上位操作亦设置了口 令 、某些误操作设置文字报警或提示并自动屏蔽此 错误操作 。在手动监控过程 ,本上位监控软件的“手操”按钮设计为 :当子站设定为手动方式且子站未设 置屏蔽时有效 ,相关操作设置逻辑联锁 。所以很好 地满足了安全性要求 。4 . 3 . 2 模拟屏驱动(1) 本部分软件由 C 语言编成 , 负责定时从操 作员站 (或软件工程师站) 对应的文件中读取船舶和 船厢运行诸参数及各 PL C 子站重要信号用于驱动 模拟屏的电子显示屏和马赛克屏的 L ED 发光二极 管显示信息 。(2) 其电子显示屏条屏部分显示亦由本部分软 件从操作员站 (或软件工程师站) 对应的文件中

19、读取 日期 、航班 、上游水位 、下游水位 、船厢水位 、间隙水 位 、船厢位置及天气预报等数据信息而驱动 。4 . 3 . 3 报警及系统自诊断(1) 离散量 、模拟量 (数据 、偏差 、变化率) 多种多 样报警功能 。重要的报警和故障信号则以清晰的闪 光和声音信号提醒操作员以便作紧急处理 。为了实 时监视系统内各种报警 ,设置有“报警一览”窗口 ,跟 踪显示优先级高于配置级别的且正处于报警状态的 变量 ;为了记录保存系统内各种报警 ,设置有“报警历史”窗口 ,可以用模拟翻页键 ( 向上 、向下) 调出以 前发生过的各种报警供观察 ,两种窗口的报警均可 设计为操作员确认方式或报警条件清除而自

20、动确 认 。如果经配置“, 报警一览”可由专用的打印机打 印出来 ( 包括有报警的时间) 。“报警历史”则可由“窗口打印”功能打印 。(2) Window s N T 系统诊断和 Into uch 系统诊断 并可形成诊断报告配合日志文件有利于系统维护和 故障排除 。4 . 3 . 4 运行仿真培训(1) 仿真程序基本和监控软件一样 , 亦由 In2 to uch 应用程序生成 。根据上航 、下航 、上下航 3 种 航行流程 ,由模拟信号代替现场信号 ,由内存变量代 替 DD E 变量 ,模拟升船机整个运行过程 。(2) 仿真程序运行在多媒体站上 ,可以在不影响 监控程序运行的条件下运行 ,供培

21、训等用 。4 . 3 . 5 上位管理(1) 根据任务情况 ,本软件系统还包括多种报表 软件 , 它们由 WO RD 和 EXC EL 应用软件生成 , 其所用数据由监控程序数据库提供或由操作员用键盘 输入 。(2) 为了长期大量保存监控程序运行时所取得 的升船机运行过程某些重要数据 , 可用 EXC EL 应用软件由监控程序数据库提取数据并进行某些处 理 ,生成各种日志文件或电子表格 ,然后经过后台操 作由服务器的磁带机存入数据磁带 。网络系统试验和测试为检查系统设计的可行性和评估系统性能 。1997 年 8 月 ,设备出所验收期间 , 邀请西安交通大 学计算机网络教研室 ,在所有子站连网和

22、运行模拟 调试程序环境 ,对以太网和 MB + 网均进行了多次测 试 。5 . 1 以太网的网络测试5 . 1 . 1 测试目的和测试对象测试目的 : 测试 Et her net 网络的性能指标 , 考 察网络能否正常运行 ,从而分析该网格的安全性 、可靠性及健壮性等 。测试对象 :上位 Et her net 网 。(1) 网络吞吐量 S 的测试 。目的 :测试网络中信息吞吐量 ,从而分析该网络 的安全性 。(2) 介质利用率 U 的测试 。(3) 时间延迟 D 的测量 。5 . 1 . 2 测试仪器国际互连规程分析仪 , HP J 2523B 以太网/ 令牌 环专家系统 。5 . 1 . 3

23、 测试结果介质利用率 : U = 0 . 50 % 、U max = 0 . 73 % ; 吞吐量 : S = 49 帧/ s 、S max = 72 帧/ s ; 端端时间延迟 : D = 64 ( 帧长) 8/ 10 Mbp s= 51 . 2 s ;冲突帧数 :1 ;错误帧数 :0 。875红水河 1999 年第 4 期MB + 网的响应速度较快 ,能较好地满足技术性能指标的要求 。5 . 3 PL C 间的传输延迟测量忽略不计误差 (从后面详细的阐述可以看到 ,考 虑到本网络的具体情况 ,这一点是可行的) ,各 PL C之间的端端时间延迟可以近似看作是各 PL C 之 间的传输延迟时间

24、 。端端时间延迟可通过公式计 算得到 。5 . 3 . 1 测试目的和测试对象测试分析各 PL C 间的响应速度 ,考察传输延迟 是否符合技术要求 。对象 : MB + 网 。5 . 3 . 2 测试仪器网络综合监视和规程分析仪 , HP J 2523B 以太 网/ 令牌环专家系统 。5 . 3 . 3测试结果 令牌最大轮转时间 :8 ms 。5 . 3 . 4 结论PL C 间的传输延迟满足技术性能指标 。5 . 4 双机热备份功能测试使用 Into uch 应用程序所提供的往来状态变量 监视网络的状态 ,一旦网络出现故障 ,则该状态变量 被置位 ,通知 Into uch 应用程序执行双机热

25、备份功 能 。此时 , MB + 网处于网络重组过程 。于是 , 在工 程师站通过设置守护进程 , 监视 DD E 数据交换过 程 。监测会话的初始化 ,进行和结束全部过程以及 全部消息的发生时间等等 ,写入日志文件中 ,从而计 算出切换时间 。同时 ,考虑到故障产生是一个随机事件 ,为确保 双机热备份功能的可靠性 ,人为的设置故障诱发双 机切换 ,重复测试 。选出最大切换时间 ,最小切换时 间 ,然后求出平均切换时间 。进而分析其分布规律 , 估计应用前景及制定采取的对策 。5 . 4 . 1 测试仪器网络综合监视和规程分析仪 , HP J 2523B 以太 网/ 令牌环专家系统 。5 .

26、4 . 2 测试结果平均切换时间 :1 . 442 s 。5 . 4 . 3 结论双机热备试验 (逻辑功能试验及切换过程检测)基本满足试验大纲要求 。实时任务不会受影响 。5 . 5 模拟屏切换时间测试5 . 5 . 1测试原理 模拟屏显示是由模拟屏控制站通过上位以太网5 . 1 . 4结论(1) 网上流量不大 , 因而网上的信息冲突量很 小 ,可以保证实时性要求 。(2) 采用以太网及集线器拓扑结构 , 可扩展性 好 。(3) 网上数据传输准确 ,安全性好 。(4) 以太网运行环境较好 ,故不必考虑环境因素 对该网的影响 。5 . 2MB+ 网测试5 . 2 . 1测试目的和测试对象测试分析

27、 MB + 网中数据收发的时间延迟 ,从而 分析 MB + 网的运行状态及 MB + 网的性能以考查时 延能否满足技术要求 。对象 : MB + 网 。5 . 2 . 2测试软件DD E 监视软件 。5 . 2 . 3测试数据分析 考虑到本测试软件所监视的消息量很大以及Into uch 本身已有日志文件 ,故该监视软件不再记录Window s N T 的事件 。分析测试数据的时候 , 将测 试所得到的日志文件与 Into uch 的日志文件对照考查 ,找到两者时间相同的 Advise 记录 ,该 Advise 记录包含时间 (如 Time :34055 . 789) 、源窗口 目的 窗口 (如

28、 ddezj V I EW) 、源任务 目的任务 ( num1ddesp y) ,即发送消息者 接收消息者 、消息类型(Advise) 等数据 。则在该记录后面必有一条与之相 对应的发送消息者 接收消息者 (注意 :该项与前面 Advise 记录中的发送消息者 接收消息者正好相 反 ,如 ddesp y num1) 且消息类型为 Po ke 的记录 。 计算出 Po ke 记录中的时间 (如 34056 . 245) 与 Ad2 vise 记录中的时间 (34055 . 789) 的差 ,便得到这对 消息的传输延迟时间 D = 3 40 56 . 245 - 3 40 55 . 789 = 0

29、 . 456 s 。依此原则 ,计算出多对时延 D ,并且经过多次测试 ,就可得到平均时延延 D max 、最小时延 D min 等 。5 . 2 . 4测试结果D 、最大时响 应 时 间 : 开 关 量 :0 . 591 s , D min = 0 . 17 s ;= 0 . 49s , D maxD=模拟量 : D0 . 35 s 。5 . 2 . 5结论主控级网络通讯正常、基本可靠 。但工程现场 环境复杂 ,干扰严重 ,需要在硬件和软件方面进一步 做工作 。88= 0 . 61 s , D max= 0 . 781 s , D min=叶友卿 、廖沛霖 、赵和炳 :岩滩升船机上位监控系统

30、网络的设计和分析读取操作员站的数据文件 ,再写入串行口显示 。当操作员站出现故障时 ,模拟屏控制站自动转向从工 程师站硬盘读取数据文件 。这样 ,可以分别在读文 件前和显示完成之后获取系统时间 ,其差就是切换 时间 。这里 ,只记录最大切换时间 。5 . 5 . 2 测试结果最大切换时间 (操作员站无故障时) :0 . 29 s ;最大切换时间 (双机热备份时) :43 . 23 s ;船厢上升下降过程及船厢行程 、船厢入水深等参数 。主提升系统 、安全制动系统 、工作制动系统 、电气传 动系统 、润滑系统运行模拟图及上 、下闸首系统运行 模拟图 、船厢系统运行模拟图 、配电监控系统模拟图 及其相关图形正确地分别显示各设备部件工作情 况 ;实时趋