基于WinCC组态的实验室气候试验综合监控系统设计

李冬梅，吴相甫，李燕杰2，尚 文

(1.航空工业飞机强度研究所，陕西 西安 710065； 2.航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111)

飞机气候实验室属于大型人工气候环境模拟系统，可实现对高温、低温、温度/湿度、淋雨、降雪、冻雨、太阳辐射、降雾和吹风等典型或极端气候的模拟，满足新研或设计改型飞机气候环境试验验证需求[1]。实验室控制管理及数据采集系统是通过协调控制气候环境实验室各个工艺系统的运行，来完成实验室气候环境下飞机的各单项环境模拟试验或复合环境模拟试验，实现对试验任务配置、试验过程监控，试验数据的采集、存储、分析以及试验资源的管理等[2]。综合监控系统作为其中一个重要功能系统，需要完成对气候环境试验全过程各个阶段的协调指挥以及对各环境模拟工艺系统/设备运行状态的监测，形成气候试验过程的闭环控制。

当前应用于人工环境模拟领域(环境箱或环境实验室)的自动化测控系统多是基于专用控制器或通用PLC的集散式结构，这种结构以PLC为核心，以各种现场测量仪器(传感器、变送器)及执行结构为外围，通过标准的DI/DO、AI/AO信号电缆接入相应信号接口模块，过程数据通过RS485 Modbus串行链路连接到相应通信接口轮询读写，然后监控主机再从控制器/PLC中读取这些数据进行集中显示[3]。但是，这种测控系统常用于小型控制系统，仅对控制参数少、模拟环境相对简单的实验室比较适用。

气候环境实验室需在同一个环境室内模拟11种不同的典型气候环境，控制参数有温度、湿度、压力、流量、风速、液态水含量等10多个。每种典型环境都是由10余套甚至20套工艺系统配合工作而完成。这些工艺系统组成繁杂、布置分散，相互之间距离远，控制算法各不相同，不同的试验工况对应的工艺系统运行排列组合也不相同，难以进行集成控制。如何实现试验过程中各种环境工况快速便捷切换，保持试验过程的连续性和完整性，是气候实验室试验监控系统的设计要点。保证设备有序、协调一致工作的有效方法是对异构的软件、硬件资源，应用计算机技术、网络技术、测控总线技术、现场总线技术和数据共享与管理技术构建通信支持平台并对其组建综合试验开放分布式协同控制管理系统[4]。因此，笔者没有采用环境模拟领域常用的基于专用控制器或通用PLC的集散式结构，而是应用基于WinCC的组态控制监控平台，结合双网加环网的三层网络结构[5]，本着简单易操作、运行安全可靠的原则设计了飞机气候实验室分布式综合试验监控系统。本文从试验监控任务的需求分析、系统设计和系统测试3个方面进行分析论述。

1 需求分析

需求分析是项目开发的一个关键过程。需要在这一阶段确定系统设计的目的、范围、定义和功能，只有需求明确后才能够分析和有的放矢地寻求解决方案。

1.1 试验监控任务

气候环境试验是在环境模拟系统生成的各类气候条件下对试验件实施的一系列试验。如图1所示，试验包括3个基本要素：试验件、人工模拟的气候环境条件和模拟气候环境条件的工艺设备。相应的，气候环境试验也包括3项监控任务：试验件过程监控、气候环境模拟过程监控和工艺设备运行监控。

① 试验件过程监控任务包括：获取试验全过程中试验件的响应参数、环境室环境参数和现场视频监控等试验信息，对试验程序进行协调指挥；

② 气候环境模拟过程监控任务为：实时监测并接收环境室内各项环境指标，同时进行决策判断，向各工艺系统发出调度指令；

③ 设备运行监控任务包括：设置控制参数、监测各个工艺系统/设备运行状态、接收设备故障报警信息并发出处置命令等。

要求试验件状态、环境状态和设备状态均能够以表格、曲线、数值、图形化/虚拟化的形式呈现。

图1 飞机气候实验室环境模拟试验运行逻辑示意图

1.2 设计原则[6-8]

1.2.1 可靠性设计

在自动化控制系统工程中，控制系统的可靠性是系统的生命线。为确保整个系统的可靠性，保证系统中各个部分能够正常工作、信息通道畅通，在进行系统方案设计时，应充分考虑到各种可靠性措施。

① 系统整体设计采用分散式体系结构，将各种控制设备的监控任务按照一定原则分别由若干个子系统来承担，使控制风险分散，这样即使局部出现问题也不会影响整个系统的工作。

② 在设备选型时充分考虑到系统的可靠性，所采用的产品可以在较恶劣的环境中稳定可靠地运行。

③ 所有控制设备采用模块化结构，具有隔离、故障自诊断和带电插拔等功能。

④ 监控功能冗余措施：按可靠性理论计算，如果冗余配置的每一单元(光纤、服务器、操作员站皆可)的失效率为λ，可修复率为ц，则双冗余配置系统的有效度A=(цλ+ц2 )/(ц2+λц+λ2)。计算可知，双冗余可将可靠度提高一个数量级(例如：从99%提高到99.9%)。因此双冗余措施是综合自动化监控系统最重要的可靠性设计。

⑤ 抗干扰措施：信号所受的各种干扰，特别是电磁干扰，是破坏集成计算机系统可靠运行的主要因素之一。为此需在信号处理过程中采取抗干扰措施。例如：设备之间较长距离连接线(>100 m)应采用光纤连接、信号线严格与动力线分开等。

1.2.2 可扩展性设计

气候实验室的建设原则是“一次设计、分批施工”。考虑到自动化工程建设的特殊性，在软件体系架构、系统组态、系统编程上的设计可以使系统网络支持所有节点和I/O点的灵活接入。硬件、软件、通信、操作系统、数据库管理系统等遵循相关标准或国际协议，使系统具有通用性。

1.2.3 易用性设计

自动化控制系统的易用性主要体现在软件上。用户界面的易用性是整个系统实施中最重要的也是最基本的目标，在试验监控软件开发中应重点注意以下内容：使用的简单性，用户界面中所用术语的标准化和一致性，用户界面有较快的响应速度，充分满足用户操作需求，系统软件具有错误诊断、修正错误以及出错保护的功能。

2 试验监控系统设计

通过上述对实验室气候试验过程监控任务和设计原则两个方面的分析，提出了下述系统设计方案。

2.1 系统结构和配置

在现代测控系统中，网络化已经非常普及，网络化使得电子测控技术使用起来更加方便快捷[9]。而利用总线技术可以在很大程度上简化测控系统结构，增加系统的可靠性、开放性、兼容性及可维护性[10]。总线式结构模块性好、容错能力强、扩展性好。较好的容错性满足高可靠性要求，可扩展性使系统可以在总线上灵活地增加和删除智能节点，适应后期试验扩展需求[11]。故气候实验室试验监控系统采用了工业以太网网络和Profibus总线协议进行设计。

2.1.1 网络拓扑结构[12]

实验室网络拓扑结构包括作为接入层的各子系统网络和作为核心层的中央管理层网络两层，如图2所示。中央管理层网络采用双冗余星形千兆以太网，可实现各系统之间大量数据的交互。中央管理层网络选用两台48口交换机作为核心交换机，两台交换机之间通过两根网线连接进行链路聚合。连接到中央管理层网络的各工作站和服务器均配置双Intel网卡(服务器级)，双网卡可通过Intel ANS分组软件进行分组，该机制可实现网卡适配器容错、交换机容错和负载平衡等功能，即工作站和服务器之间的数据同时经过两个交换机进行数据交换，当一台交换机或工作站上的单个网卡失效时，系统自动切换传输路径。接入层的各子系统网络根据不同的情况采用环形网络或星形网络。

图2 系统网络拓扑结构

交换机配置如下：

① 特殊环模接入网络交换机：采用工业以太网机架式网管型交换机，端口模块化，14个10/100/1000 Mbit/s RJ45端口，10个100/1000 Mbit/s光纤接口，冗余电源输入，Profinet I/O设计，网络管理，可组成冗余环。

② 中央管理层网络包括两台核心交换机：具备48个10/100/1000Base-T以太网端口，4个复用的千兆SFPCombo；包转发率：108 Mpps；交换容量：256 Gbit/s。

2.1.2 系统结构

实验室气候试验控制包括试验过程控制和各环模子系统控制两级，每个环模子系统均设有相对独立的PLC和工作站，由试验监控上位机软件集中管理。试验监控系统结构分为中央管理层、现场控制层、现场设备层三级，如图3所示。试验监控工作站与各环模子系统之间通过环形Profinet工业以太网网络连接，支持OPC通信机制，物理传输介质采用双绞线光纤，采取访问控制安全隔离措施，原则上不与外系统直接交互关联，以提高数据通信的稳定性和可靠性。各个环模系统PLC控制器及远程I/O模块之间采用Profibus-DP总线连接，远程I/O模块和现场设备(传感器/执行器)之间采用一对一的电缆连接[4，13]。

测控间设置两台工作站作为试验监控主机，分别为工程师工作站和操作员工作站，它们拥有相同的过程数据库，同时从PLC控制器获取现场数据，互为热备份。两台工作站既作为C/S结构中的SCADA服务器也作为客户端。SCADA服务器的过程数据库直接获取底层I/O的标签数据，送给客户端的画面进行显示。

图3 试验监控系统结构图

现场智能控制器直接与区域或有紧密闭环关联的传感器、调控器、监控器等仪表连接。这种结构充分满足自动控制系统集中管理多级分布控制的设计要求，也满足系统设计可扩展性、灵活结构调整及模块化开发应用的设计要求，同时对提高系统可靠性、可维护性给予很好的支持和满足，能够实现本地控制和远程控制的相互切换，当系统出现故障时，各工作站仍能实现本地控制，不影响试验进行。

2.2 软件设计

试验监控软件是基于工业自动化组态软件WinCC V7.3 65536开发的过程控制软件，支持Windows XP/7/8/10操作系统和SQLServer 2008R2数据库。该软件从各环模分系统的控制器获得底层设备I/O数据，从数据采集子系统获取环境室状态信息参数，进行集中展示，操作人员通过软件界面直接向各环模系统PLC控制器发送设置参数和指令，控制试验进程[14]。图4给出了试验监控软件内容。

(1) 试验过程监控：包括试验件过程监控和气候环境模拟过程监控两个方面。重点面向各试验项目进行过程，完成各个单项试验和复合试验的参数配置与数据存储，向各环模系统发送试验指令。通过数据采集系统获取并上传试验件实时响应参数和温度、湿度、压力、风速、太阳辐照强度等环境参数，通过视频监控系统获得试验现场状态，为操作员提供完整的试验项过程信息，完成试验过程的闭环控制。

图4 试验监控软件框图

(2) 工艺设备集成监控：主要为操作员提供集中的面向实验室所有环模系统的人机界面，能够实时监测参与试验的各个工艺系统关键参数的运行状态。并通过协调各个环境模拟系统的运行，协助完成各工艺设备的闭环监控。

2.2.1 试验过程监控软件

试验过程监控软件包括试验任务配置、环境室状态参数监视、试验件状态监控、参与系统关键参数监控(试验控制)和操作记录查询4个功能模块，对于试验监控软件的画面组态配置，在WinCC工程师站的配置环境中完成，主要包括：画面组态、I/O组态、数据库组态、回路组态、权限管理、数据采集和数据管理(存储、查询)等。其画面设计按照功能组成划分为：试验流程、系统监控、报警一览、趋势曲线、记录查询、帮助信息等，如图5所示。完成气候环境试验的控制，包括设置实验参数(控制期望值、PID参数、传感器参数、报警值等)、下发控制指令，并通过交互式的图形化界面，显示环境参数、设备故障报警信息。

图5 试验过程监控软件结构

2.2.2 工艺设备集成监控软件

工艺设备集成监控软件可以对各独立运行的环境模拟系统统一监管。平台软件通过SCADA Server发布各系统的监控信息，并将关键数据存入实时数据库和网络中心数据库。在实验室监控网络中，所有节点计算机都可根据其密级登录试验监控软件，按照密级规定的权限获得相应的监控信息。通过工艺设备集成监控软件将各个环境模拟子系统的信息集成处理，实现环境模拟数据的统一管理，通过信息的综合利用，增强环境模拟的管理效率。

工艺设备集成监控模块每个子系统主要包括工艺流程、系统监控、报警一览、趋势曲线、记录查询、帮助信息、注销等功能模块，对于工艺设备监控软件的画面组态配置，在WinCC工程师站的配置环境中完成，主要包括：画面组态、I/O组态、数据库组态、回路组态、权限管理、数据采集和数据管理(存储、查询)等[15]。

其中，工艺流程功能模块部分以标准的工艺流程图方式显示环境实验室的总体工艺管网布局，包括工艺管线的连接、工艺设备的工作状态、运行参数、传感器测量数据监测。工艺流程各个流程窗体中能够显示生产工艺信息，如变量值、设定值、输出值、控制方式(MAN/AUTO/CASC)和高低报警(无报警时不出现)等。

3 系统调试

飞机气候实验室涉及的试验工况多达10余种，本文仅以湿热试验调试为例，对系统应用过程进行说明。

依据预先设定的湿热试验控制流程(见图6)，在试验监控系统上位机进行试验任务配置(见图7)，将配置好的试验任务，包括试验指令和试验目标值通过监控软件下发到各个工艺系统/设备。试验开始后，各个工艺系统/设备按照预设指令协同运行，在监控系统上位机实现对实验室温度、湿度、压力等环境参数和工艺系统主要状态参数的实时监控(见图8、图9)以及趋势曲线的跟踪显示(见图10)。另外，监控软件可监视影响环境参数控制的关键变量，当出现超限报警或异常开关量时，会提示操作人员对相关子系统进行异常情况处理，以保证实验室环境参数满足试验需求。

图6 湿热试验流程

图7 任务配置

图8 试验流程监控界面

图9 基础环模系统工艺流程图界面

图10 环境场实时趋势曲线

4 结束语

气候实验室试验监控系统作为气候试验的综合化总控中心，利用工业组态监控软件搭建自动化试验平台，提供了与运行操作有关的人机界面接口。综合考虑实验室气候试验流程、气候试验实施过程以及工艺系统组成和部署位置，按照“集中管理、分散控制”的原则进行设计，可完成试验准备、试验执行和试验监视等任务，实现对气候试验的过程管理与协调控制，具有较高的实时性、可靠性和可扩展性，简单易操作。