试验数据管理系统设计与开发

肖 欧

（核工业理化工程研究院，天津300180）

1 关键技术及难点分析

随着旋转机械研究的不断深入，机型不断扩充，试验量逐年增加，传统的试验信息记录方式已无法满足现有需求，同时，大量的试验信息也无法得到有效管理、利用和深度挖掘，因此，需要建立相应数据管理系统，但由于记录的试验信息范围相对较广，且来自不同采集设备，同时，以往尚无相关设计经验，因此，该系统设计中遇到一定的难度，主要表现在以下几点：

（1）如何保证存储数据完整性：转子信息、装配信息、监测信息都需采集、记录和保存以供后期查询和统计分析，所以，这些采集的信息非常重要，如何保证采集的数据不会因服务器的突发故障而出现数据丢失成为一个难点。

（2）数据通信设计：由于存储信息采集设备开发商不同、规范标准不同，数据结构不同会引起软件之间数据共享与数据转换的问题，如何对软件数据通信进行合理化设计使软件程序能够在用户使用时迅速做出响应，实现不同类型软件之间的交互和共享成为一大难点。

（3）数据库存储数据如何显示和查询：存储数据的需通过手动输入至数据库软件中，查询时需通过输入相应查询命令获得数据并显示，这种方式不便于数据的存储、查询和显示，如何实现数据的自动存储并能够直接显示及按一定条件进行查询成为一大难点。

2 总体设计方案

2.1 系统方案设计

旋转机械机电一体化数据库管理系统，采用“工控机+PLC+SQL”的组合方式，并采用了双冗余控制方案，如图1所示。工控机作为上位机，应用软件程序开发、SQL数据库和总线通信技术、基于以太网的OPC通信技术来实现对整个系统运行状态的全参数、多信息的数据存储；在正常情况下，两台服务器一台设置为主服务器，一台为从服务器，两台服务器始终保持并联运行，如果一台服务器发生故障，第二台服务器会接替控制整个系统，并且完成所有的信息存档和过程数据存档，从而保证数据的完整性。

图1 旋转机械机电试验一体化数据管理系统框图

2.2 系统软硬件选型及简介

基于现有试验条件、可靠性、可扩展性、安全性，整个管理系统在硬件设备选型上采用全套的西门子PLC产品。其中，软件采用西门子带冗余选件包的Wincc进行人机界面设计，提供与系统操作人员交互的接口，数据库采用Wincc自带的SQL Server 2005版本，控制及采集装置采用西门子S7-300系列PLC[1]。

Wincc是西门子公司与微软共同开发的系统，它真实地将控制软件集成到自动化过程中，可以很方便地生成人机界面。S7-300是模块化的中小型PLC，适合用于中等控制性能的控制要求，当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展[2]。

3 软件开发设计

3.1 软件架构设计

按照存储内容和试验流程要求，试验人员需将转子基本信息以及装配信息手动输入至Wincc相应界面中，并编辑VB脚本将信息存储至SQL数据库相应表中；利用PLC采集旋转机械运行过程中振动、变形、真空、电源等动态数据，并使这些数据在Wincc人机界面上实时显示，同时，将采集的数据利用相应控件显示其变化趋势并归档与SQL数据库中。

结合功能需求及考虑软件的可维护性、扩展性，将程序划分为转子信息记录模块、转子信息查询模块、装配信息记录模块、装配信息查询模块、监测人机交互界面模块、监测数据趋势模块等6个功能模块，多个功能模块独立开发，便于后期调试、程序改进、功能增加等，软件构成如图2所示。

图2 试验数据管理系统功能模块划分

3.2 自定义数据库建立

在西门子组态软件Wincc V7.0系统中已经集成了SQL Server2005.Wincc可以利用系统具有的归档功能，将数据归档到Wincc默认的数据库中。但在Wincc默认的数据库中，具有数据库文件格式是Wincc自定义等方面的局限性，因此，需在SQL Server中自定义一个数据库来存储历史数据，这样不仅能够扩大数据库容量使数据保存得更加长久，也使后来复杂的综合查询问题变得简单。

3.3 数据通信方式设计

试验数据库管理系统需要反复存储、读取大量的试验数据信息，数据信息通过PLC采集通过OPC与Wincc通信，同时Wincc通过ODBC数据源控件将数据信息传输到SQL数据库中。由于所存储的数据来自不同采集设备开发商，其规范标准、数据结构均不相同，为了使软件程序能够在用户使用时迅速做出响应，实现不同类型软件之间的交互和共享，对不同采集设备进行了单独通信接口设计。

3.3.1 转速信号通信方式设计

转速信号采用理化院自研的集成监测装置进行采集，其数据和命令是通过CAN总线与服务器（研华工控机安装华控CAN通信卡）相连。服务器中装有编写的OPC Server For CAN30B程序，其基本功能是通过华控HKCAN3.0B CAN通信卡与装置通信，提取数据，发布测量命令。然后是具备OPCServer功能，与本系统中作为OPC Client的组态软件工程进行数据交换，从而完成装置与PLC的信息交换。

3.3.2 监测信号通信方式设计

机电试验中旋转机械运行监测信号通过自编的LabVIEW程序以及NI高速采集板卡进行数据采集，采用基于以太网的OPC通信技术使用NI OPC SEVRER作为OPC服务器，连接S7-300 PLC，组建工控机与PLC的通信。

3.3.3 电源参数通讯方式设计

电源参数是通过WT230功率计进行参数采集，其WT230功率计与Wincc通信是利用以太网通信方式和OPC通信技术。通过串口通信线将WT230功率计的数据传输到工控机，自编的OPC通信程序将WT230功率计作为OPC Server，将组态软件工程作为OPCClient进行数据交换，从而实现其数据通信。

3.3.4 Wincc与SQL数据通信设计

数据交换设计是本文的重点和难点，如何将Wincc界面中转子信息、装配信息、监测信息数据存储于数据库中，并可在数据库中查询显示与Wincc查询界面呢成为关键。该数据库管理系统通过使用Miscrosoft ADO Data Control，version 6.0（OLEDB）控件，实现WinCC监控系统与SQL Server数据库的数据传输。

3.4 系统各功能模块界面设计

系统各功能模块界面设计主要包括：登录界面设计、转子信息记录界面设计、装配信息记录界面设计、监测界面设计，以登录界面设计为例，如图3所示。

图3 系统登录界面

4 实施效果

对研制的数据管理系统在试验室进行各项功能测试，首先是结合监控界面对转子信息、装配信息和监测信息的采集功能进行测试，逐个点进行测量显示，并与在用SKF、NI信号采集仪器显示相印证。

所有的监测参数均可实时显示，并通过历史查询界面可以准确地查询到所需参数设定时间内的数值。系统参数存储、查询和显示功能均正常，满足设计要求。

为防止人员出现误操作，系统严格限制使用人员对监控系统操作权限，无权限者不能进入该系统进行操作。具体为设置了系统登录界面，如果没有相应的密码，操作人员无法进入该系统，无法将界面最小化和关闭监控界面。

系统的稳定性测试则是让系统在正常状态下连续运行10小时并在期间不定期进行各种操作，观察系统运行情况。测试结果表明，在系统长时间都能稳定运行，各项功能均正常使用。

经测试，研制的监控系统功能满足设计要求：

（1）实现转子信息、装机信息、测试信息等多种数据的详细无纸化记录功能。

（2）通过建立数据文件和日志文件，实现数据库修改记录，自动管理事物处理的记录，以便出现异常故障可有效恢复数据库中的数据。

（3）实现试验数据的自动记录、存储、以及高效查询等功能，并可实现数据的备份和还原操作，随着数据库不断完善还可实现数据历史趋势分析等功能。

（4）数据库的建立可为转子设计、故障分析提供详细试验数据，而且随着系统中数据的不断积累和完备，可以发挥正向的指导和促进设计作用。

（5）通过大量历史数据的积累，可以为查询故障原因和机理，辅助进行故障原因分析。

5 结语

本文综合利用plc技术、Wincc软件、SQL Server数据库、编程语言C#、VBS以通信模块等软硬件技术，通过“工控机+PLC+SQL”的组合方式，以及双冗余控制设计、机电一体化测试系统、结合计算机技术、CAN和以太网通信技术、OPC通信技术，构建了集采集、显示、存储、查询等功能为一体的试验数据管理系统，该系统架构较为灵活，扩展性强，避开了自带归档记录，通过自建SQL数据库、封装脚本形成标准接口，可提供或接受第三方数据，为后期通过其他软件做数据分析计算提供了基础，同时，具备安全性、保密性，经多次低周、高周试验调试及验证，该系统已具备转子信息、装配信息以及监测信息的记录和存储且能够实现全部参数及单一参数数据归档和历史趋势显示功能，其系统性能指标能够满足试验现有要求，初步实现了设计目标。