盾构施工远程监控组态的开发和应用

陈刚 李刚 王志杰

摘  要： 为了实现对分布在各地的盾构集中监控，采用JavaScript结合Html5方式，自主开发出盾构远程监控组态。该系统通过OPC协议循环读取PLC地址，采集盾构机施工参数，并发送给云端;云端服务器接收各个工地端发送过来的数据，插入进RabbitMQ消息队列，存储到mongoDB实时数据库内;组态通过MD5加密访问云数据库，将数据可视化展示在屏幕上。该组态不受制于商业组态软件公司，降低了开发价格，避免了敏感信息泄露，支持各种操作系统和手机移动端使用，可定制各种功能界面。经过百余台盾构的实际应用证明，本软件运行稳定，实现了组态软件的功能，可远程实时监控盾构机各种设备状态，有效地监控了盾构工程施工过程的全部参数。

关键词： 盾构施工; 远程监控; 组态软件; 云数据库

中图分类号：TP399          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2018）12-32-05

Abstract： In order to achieve centralized monitoring shields all over the country， the shield remote monitoring configuration is self-developed by the combination mode of JavaScript and Html5. The system reads PLC through OPC protocol to get data of shield， and sends it to cloud database. The cloud server receives data sent by each site， inserts it into RabbitMQ， and stores it in mongoDB real-time database. Configuration access to the cloud database via MD5 encryption， and visualize data on the screen. This configuration is not restricted by commercial configuration software companies， which reduces the development price and avoids the leakage of sensitive information， supports various operating systems and mobile phone， can customize various function interfaces. After the actual application of more than one hundred shields， it is proved that the software runs stably and effectively monitors all parameters of the shield construction.

Key words： shield construction; remote monitoring; configuration software; cloud database

0 引言

随着国内城市地下空间开发的快速发展，盾构得到了广泛的应用，和众多大型工程机械一样，盾构运行中存在大量过程控制、运动控制等系统，对这些系统集中、有效地监测控制显得极其必要[1]。现有盾构组态是通过计算机运行Windows系统，使用商业组态软件开发监控界面，本地储存并以窗体形式在就地端展示数据[2]，这意味着必须在计算机附近部署显示器，操作人员只能通过该显示器与数据采集系统交互。目前使用比较普遍的商业组态软件有WinCC[3-4]、Movicon[5]、组态王[6]等，需向软件厂商支付版权费用，数据采集终端成本较高[7]，不利于在所辖工程中大范围推广应用。上述软件为国外企业开发，采集的数据包含全国各地土层地质资料，信息较为敏感，使用闭源软件可能造成敏感信息泄露。针对上述问题，上海隧道工程有限公司管控中心开发了盾构施工监控系统远程组态，该软件使用JavaSript和Html5来开发，不受制于商业组态软件公司，支持各种操作系统和手机移动端使用，可定制各种功能界面。

1 总体架构

盾构远程监控组态软件的主要功能是监测盾构参数变化、状态报警、实时曲线等，采用显示界面与云端数据库的通讯方式，组态软件显示对象全面直接来自于盾构机各个设备PLC。各个工地端采集到的数据，发送到云端服务器里mongoDB数据库，再按照工程名称进入到各个mySQL数据表内。界面与数据库之间通信使用JavaScript开发的公用接口，数据访问采用铭文密钥保证安全性，主程序读取数据绘制出各种界面。盾构远程组态软件总体框架如圖1所示。

⑴ 现场数据采集：主要负责循环读取PLC，通过OPC协议获取盾构机各个设备的实时信息，将现场设备数据采集、转换、存储到本地，同时发送到云服务器上。

⑵ 云端数据库：主要负责接收各个工地端发送过来的数据，并存储到mongoDB实时数据库内，同时数据会插入到RabbitMQ消息队列，然后进入到MySQL数据库的各个对应表中。

⑶ 组态显示界面：主要负责将数据可视化展示在屏幕上，呈现盾构的当前信息、状态报警、实时曲线等，实现刀盘、推进、螺旋机、姿态、泥水管路等多种显示效果，组态界面也可以在移动设备上（手机、平板等）显示。

2 开发工具选择

盾构实时信息组态属于数据采集与控制领域，业内普遍采用专业组态软件的方式开发，例如组态王、movicon等，但组态软件不利于系统功能扩展和移动端开发[7-8]，且开发周期长、需要购买价格不菲的加密狗授权等处处受制于人[9-10]。

上海隧道工程有限公司能自行生产盾构机，自主开发盾构组态软件十分必要。目前软件业界存在主流开发语言为C++、java等。Java集中了所有关于软件开发和软件工程研究的最新成果，面向对象、类型安全、组件技术、自动内存管理、跨平台异常处理、版本控制及代码安全管理。设计html5的目的是为了在移动设备上支持多媒体。新的语法特征被引进以支持这一点，如video、audio和canvas 标记。html5还引进了新的功能，可以真正改变用户与文档的交互方式，且支持手机端开发。综合以上考虑，本组态软件使用JavaScript结合html5来开发。

3 数据采集与云数据库

各个工地现场数据采集客户端与云端数据库构成星型架构，本地端主要负责OPC通讯，读取预设PLC地址并做数据处理，将结果存储到本地，伺机将处理好的数据发送到云服务器。云端数据库依次响应各客户端的离散请求，依据项目编号将数据存储至相应数据库表中，按照设定的扫描周期，定时批量读取PLC寄存器。数据按照数据类型依次处理后，写入指定的本地文件夹内。为了保证网络中断后数据可以续传、传送数据可稳定追溯行，数据以CSV文件形式保存在工地端电脑，按照年（YYYY）/月（MM）/日（DD）/时（HH24）形式存放。

数据传输服务负责将工地端PLC数据，通过调用WEB API接口形式同步到云服务器端。数据采集服务开机自动启动，复制扫描这些文件，如果有需要上传文件则按照文件生产时间先后传送。考虑到工地端电脑文件存放硬盘空间不大，设计了自动删除历史数据功能，可自行配置数据保留在工地端电脑时间，超过时间的数据将会自动删除。

工地端电脑中数据上传服务将数据上传后，数据上传接口会将最新数据保存到Mongo DB数据库和MQ消息队列，消息队列中排队后才做入库操作。云数据库配置如图2所示。通过Mongo DB数据库存放最新4小时内实时数据，开发接口给相关程序，这样做解决了用户并发访问以及数据实时传送的问题。

4 监控界面

盾构是定制性产品，每台盾构的界面都不同，为便于管理盾构施工远程组态软件采用界面和数据库分离，界面内部由各个分系统模块构成，这样就不使用任何开发工具自带的控件，保证界面网页发布并能够在不用类型浏览器上跨平台使用。操作人员通过组态界面，可以及时了解盾构机上各个设备当前工作状态、出现的故障及其产生原因，根据需要对比当前情况，进行适当的调整， 以保证掘进工作顺利进行。

4.1 盾构组态界面

地铁盾构组态界面分为刀盘、推进、螺旋机、加泥加水、同步注浆、铰接、状态报警、实时曲线、盾构姿态等基础模块，各个模块之间相互独立，模块中的具体内容根据数据采集PLC表单决定，如图3所示。

⑴ 刀盘和推进：刀盘区域主要是显示刀盘扭矩数值、刀盘转动的速度、刀盘的角度等信息。推进区域主要显示盾构机状态、千斤顶状态两种模式显示，在该板块还显示上下左右千斤顶的行程值、油压值、速度值等情况、刀盘的土压情况以及当前盾构机推进速度等信息。

⑵ 加泥加水和螺旋机：螺旋机区域主要显示螺旋机的转速值、泄口油压值和油压值、前土压值、后土压值以及螺旋机当前旋转状态等信息，加泥加水主要是#1、#2、#3、#4号口的压力和流量。

⑶ 铰接：铰接主要显示#1、#2、#3、#4号的铰接行程，以及上下、左右的角度等信息。

⑷ 报警：报警区域主要是显示异常数据变量等信息。

⑸ 姿态：盾构机姿态采取分级显示，共分三级：正常范围（-50mm～50mm之间）为蓝色方框，警示范围（-75mm～75mm之间）为黄色方框，报警范围（-100mm～100mm之间）为红色方框。

⑹ 下拉曲线：实时曲线主要显示推进和刀盘的各个量的实时变化曲线，左右两边参数一样可以同显示同一变量和不同变量的曲线图。

大直径泥水平衡盾构，其组态界面除了基础模块以外，还有工作人员关心的刀盘电机、盾尾油脂、泥水管路等模块。由于顶管与盾构在设计、制造和维护上有很大区别，针对矩形顶管开发了主控参数、管节泥浆、土体改良系统等模块，如图4所示。

4.2 报警信息

报警对于任何组态软件都至关重要。有效的报警信息可以帮助工程施工人员及时地发现系统故障，对于预防危险、安全生产意义重大。通过PLC采集到工地端的数据分为模拟量和开关量两种，部分开关量本身就是报警数据。施工数据报警分为两类：通过直接读取PLC地址中开关量报警;对模拟量数据人工设定阈值报警。这些开关量一旦出现报警情况，就在组态页面的报警栏中显示出来。对于模拟量报警，请有经验的专业人士设定这些量的阈值（最大值和最小值），超过阈值的部分实时数据页面显示为红色，处于范围内的显示为蓝色。同时对于该变量的实时曲线，也采用类似的方法，超过范围则显示为红色，范围内显示为绿色，如图5所示。

4.3 智能移动组态

智能移动组态界面是为了方便用户使用手机、平板等，查看各个项目盾构机设备情况。移动段组态界面除了显示盾构各种设备实时状态以外，还能让用户查看该盾构机的产品信息，如图6所示。

5 结束语

盾构施工监控远程组态软件实现了组态软件的功能，可远程实时监控盾构机各种设备状态。截至目前，该软件应用到47个项目、127台次盾构机上，包括上海隧道工程有限公司及申通地铁的所有项目，涵盖了各种类型盾构：能源隧道盾构、土压平衡盾构、泥水平衡盾构、异型盾构、矩形顶管等。系统运行正常、有效地监控了盾构工程施工建设的全部参数。本系统使用JavaScript和Html5开发，降低了开发价格、避免了敏感信息泄露，可在各种操作系统上运行。软件设计注重实用性，界面美观稍显不足，需要进一步美化。

参考文献（References）：

[1] 谭顺辉，孟祥波，徐受天，蒲晓波.盾构监控系统人机界 面组态开发[J].隧道建设，2014.34（4）：380-386

[2] 沈立新.盾构实时远程监控系统技术[J].铁道建筑技术，2010.8：34-38

[3] 高勇.基于WinCC盾构刀盘远程监控系统设计[J].计算机工程应用技术，2011.18：4462-4464

[4] 战桂礼，王慧锋，罗晓明.Movicon X组态在气瓶阀型式试验测试系统的应用[J].自动化技术与应用，2010.8：3-5

[5] 李瑞先.組态王软件在监控系统中的应用[J].电气传动自动化，2006.28（5）：49-51.

[6] 胡国良.组态技术及其在模拟盾构监控系统中的应用[J].机床与液压，2008.1：140-142

[7] 张东星.盾构设备信息化管理系统的研制[J].测控技术，2007.26（2）：84-86

[8] 徐受天，蒲晓波.基于OPC的盾构地面数据采集和监视系统设计[J].隧道建设，2009.29（6）：674-677

[9] 杨扬，龚国芳，胡国良，杨华勇.基于组态软件的盾构推进液压控制系统[J].机床与液压，2006.7：126-128

[10] 龙伟，祝琴，钟祥微.浅谈组态软件在过程控制中的应用[J].中国仪器仪表，2004.8：1-3