攪拌站汽車衡控制系統(tǒng)通訊故障檢測及軟件優(yōu)化

本文以某混凝土攪拌站汽車衡控制系統(tǒng)為例，分析發(fā)生通訊故障的原因，采用系統(tǒng)軟件對其使用中通訊情況進行檢測，并提出軟件優(yōu)化方法，從而保證攪拌站控制系統(tǒng)的可靠運行。1.控制系統(tǒng)結(jié)構某混凝土攪拌站采用工控機（工業(yè)控制計算機）、PLC(可編程控制器）、稱重儀表（稱重儀表、傳感器等執(zhí)行元件）組成的控制系統(tǒng)，對電動機、電磁閥等設備進行控制，其原理如圖1所示。該攪拌站控制系統(tǒng)配置1臺工控機、10臺配料儀表和1臺PLC。其中PLC與工控機的交互點通常為625個。工控機為上位機，其作用是將生產(chǎn)指令下達到PLC及稱量儀表。稱重儀表、PLC為下位機，稱重儀表接收到工控機指令后負責配料過程。PLC接收工控機指令及稱量儀表的輸入信號后控制攪拌站電控系統(tǒng)的電磁閥、電動機動作。在攪拌站運行過程中，工控機采集稱量儀表數(shù)據(jù)并進行顯示和存儲，同時采集PLC輸出的狀態(tài)信號。工控機需實時獲取攪拌站運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)反饋數(shù)據(jù)下達生產(chǎn)指令。

    2.通訊方式

攪拌站控制系統(tǒng)通訊方式通常采用MODICON公司開發(fā)并推行的Modbus通信協(xié)議，該通訊方式已經(jīng)成為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的標準通信協(xié)議。通過該協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制系統(tǒng)可以進行工業(yè)網(wǎng)絡互聯(lián)，從而實現(xiàn)各個系統(tǒng)的集散控制。本文介紹的攪拌站控制系統(tǒng)所用工控機采用ModbusRTU方式，工控機與PLC米用ModbusTCP方式。

該控制系統(tǒng)工控機（上位機）軟件基于.NET平臺開發(fā)。.NET平臺由微軟公司推出，具有跨語言、跨平臺、跨系統(tǒng)的能力。方便利用XML技術開發(fā)顯示及打印數(shù)據(jù)報表，還能使用GDI+設計各種圖形編輯器，適用于開發(fā)復雜的企業(yè)級應用程序。工控機控制程序通過不同線程（程序執(zhí)行信號流的zui小單元）實時收集到稱重儀表和PLC(下位機）數(shù)據(jù)，保證各設備信號能夠?qū)崟r反饋給工控機。

攪拌站各機構相關動作的系列命令稱為緩存指令，緩存指令列隊儲存于工控機的緩存區(qū)，根據(jù)需要實時下發(fā)操作指令。工控機定時器持續(xù)循環(huán)查詢指令隊列，間隔時間為20ms。若有緩存指令則下發(fā)，若沒有緩存指令則下發(fā)“讀交互數(shù)據(jù)”指令，以讀取交互數(shù)據(jù)（稱重儀表與PLC之間交互信號）。根據(jù)Modbus協(xié)議規(guī)定，檢查控制系統(tǒng)各指令后需回復數(shù)據(jù)是否正確。

在控制系統(tǒng)運行過程中，會由于其他設備運行時的電磁干擾，影響通訊質(zhì)量，造成數(shù)據(jù)丟失或沒有響應的現(xiàn)象。控制系統(tǒng)根據(jù)攪拌站的運行狀態(tài)和運行反饋信息對混凝土的生產(chǎn)流程進行控制，若在生產(chǎn)過程中發(fā)生通訊故障，將給生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟損失，甚至造成生產(chǎn)事故。因此，對控制系統(tǒng)的通訊狀態(tài)進行監(jiān)控*。

3.汽車衡故障分析與檢測方法

在攪拌站控制系統(tǒng)運行中，即使攪拌站處于正常運行狀態(tài)，也會發(fā)生信號數(shù)據(jù)丟失或操縱沒有響應等故障。

(1)故障分析

信號數(shù)據(jù)丟失根據(jù)攪拌站控制系統(tǒng)實際運行情況，正常信號狀態(tài)變化持續(xù)時間皆大于200ms。通過計算規(guī)定時間內(nèi)的通訊次數(shù)得出，工控機與PLC的正常通訊頻率約為15.7次/s，即約64ms更新1次數(shù)據(jù)信息。因此正常情況下，工控機能夠及時捕捉到設備狀態(tài)變化信號。

在控制系統(tǒng)實際運行過程中，通過軟件記錄分析，我們發(fā)現(xiàn)有些數(shù)據(jù)交互消耗時間過長，甚至超過800ms。例如，工控機在某些特定狀態(tài)時，將某些特定狀態(tài)信號及數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫時，若存儲數(shù)據(jù)較多，會造成保存或調(diào)取所消耗的時間較長，導致該次的數(shù)據(jù)交互時間過長。這樣在對于狀態(tài)變化持續(xù)時間較短的信號，可能會出現(xiàn)信號丟失現(xiàn)象。

系統(tǒng)沒有響應由于.NETFramwork對線程數(shù)量的限制，若運行的線程數(shù)量超過設置線程數(shù)時，新啟動的線程會不能執(zhí)行。該控制系統(tǒng)中，工控機使用System.Timer定時器循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，啟動定時器時即啟動一個新線程。執(zhí)行指令時啟動執(zhí)行器，指令結(jié)束后停止定時器，執(zhí)行下一個指令再啟動定時器，如圖2所示。若工控機程序運行時，在某一時刻的線程數(shù)量超過限制線程時，就不能繼續(xù)執(zhí)行操作指令，造成工控機對下位機的通訊中斷。

另外，根據(jù)工控機軟件的通訊方式（見圖2)，當指令在緩存區(qū)中緩存指令較多時，將會延時讀取交互數(shù)據(jù)指令，不能更新控制系統(tǒng)狀態(tài)，這也是工控機不能及時響應操作和反饋狀態(tài)的原因。

(2)汽車衡檢測方法

根據(jù)對通訊故障原因的分析，可應用參數(shù)估計法檢測故障，即根據(jù)控制系統(tǒng)的參數(shù)值與其正常值之間的偏離程度，判斷控制系統(tǒng)是否處于故障狀況。確定該控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通訊的檢測參數(shù)為指令執(zhí)行時間、指令執(zhí)行間隔時間、指令緩存數(shù)量。

1個指令的執(zhí)行周期包括下發(fā)指令、接收數(shù)據(jù)、判斷數(shù)據(jù)、狀態(tài)更新。指令執(zhí)行時間為1個執(zhí)行周期的總時間，該時間可用于檢測是否會發(fā)生信號丟失故障。指令執(zhí)行間隔時間用于檢測通訊是否中斷，檢測指令緩存數(shù)量可防止系統(tǒng)長時間無響應。通過實際測試，在正常生產(chǎn)情況下，完成一次數(shù)據(jù)讀寫及界面更新，耗時為15~120ms，指令執(zhí)行間隔時間設置為20ms，指令緩存數(shù)量zui大約為50個。根據(jù)以上分析，我們確定檢測參數(shù)，指令執(zhí)行時間為200ms，指令執(zhí)行間隔時間為50ms，緩存隊列數(shù)量為60個，該參數(shù)即為檢測故障的限制值。

控制系統(tǒng)運行時，按照以上限制值執(zhí)行執(zhí)行檢測。實時計算每個指令的執(zhí)行時間和緩存隊列的指令數(shù)量，檢測值超出限制值時系統(tǒng)給出報警信息，情況嚴重時提示操作人員停止生產(chǎn)進行設備檢查。每條指令執(zhí)行完成后，在指令執(zhí)行間隔時間內(nèi)限制值檢測是否已開始執(zhí)行下一個指令，若沒有持續(xù)執(zhí)行則報警提示，停止攪拌站生產(chǎn)。

4.汽車衡軟件優(yōu)化方法

為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少通訊故障和故障報警，保證控制系統(tǒng)的安全運行。針對上述通訊故障的產(chǎn)生原因，在軟件方面要進行優(yōu)化，如下所示。

（1）異步執(zhí)行減少耗時

對于特殊狀態(tài)信號，在狀態(tài)變化時需要進行數(shù)據(jù)庫操作，用同步方式執(zhí)行需要等待的數(shù)據(jù)庫，操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行。因此，在程序中應對數(shù)據(jù)庫的操作進行異步執(zhí)行，不占用指令執(zhí)行時間，這樣會提高數(shù)據(jù)交互速度和通訊頻率。

（2）減少線程使用量

整合控制系統(tǒng)程序運行資源，減少系統(tǒng)中對System.Timer(即啟動新線程）的使用。通過監(jiān)控該控制系統(tǒng)得知，并列發(fā)送線程的數(shù)量zui多可達到29個，這將影響到新線程的啟動，可導致新線程不能啟動。通過優(yōu)化將原控制程序中部分輔助功能中的定時器，或者對時間精度要求較低的控制功能，用自定義的統(tǒng)一時間觸發(fā)器代替。這樣可降低系統(tǒng)運行時的并列發(fā)送線程數(shù)，可將zui大線程數(shù)降低至21個，由此保證控制系統(tǒng)程序的可靠運行，避免線程不能啟動工況，解決通訊中斷問題。

（3）分批執(zhí)行緩存區(qū)指令

根據(jù)該攪拌站控制系統(tǒng)現(xiàn)有通訊方式，當緩存區(qū)指令數(shù)據(jù)超出限制值時，進行分批執(zhí)行。執(zhí)行數(shù)量后，執(zhí)行“讀交互數(shù)據(jù)”指令，循環(huán)執(zhí)行，使緩存區(qū)數(shù)量達到安全水平，避免系統(tǒng)出現(xiàn)無響應現(xiàn)象。

 5.系統(tǒng)優(yōu)化效果

 我們根據(jù)以上故障診斷方法編制了相應的故障診斷程序，對.NET平臺的攪拌站控制系統(tǒng)的通訊方式進行實時監(jiān)測，保證混凝土生產(chǎn)過程的安全可靠。根據(jù)以上優(yōu)化方法對該控制系統(tǒng)程序進行的進一步優(yōu)化，提高了系統(tǒng)軟件的運行質(zhì)量。在實際應用中，這種方法對攪拌站.NET平臺控制系統(tǒng)通訊方案的設計和故障排查具有很好的指導意義.