基于以太网通信的盾构机数据采集系统.pdf

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1、铷l 訇 4 b 太网通信的盾构机数据采集系统 Da t a acqui si t i on s ys t em o f t unneI s hi el d bas ed on et her net com m uni cat i on 赵炯，潘舒眉，胡玉俊，鲁丹军 Z H A 0 J i o n g，P AN Sh u-me i，H U Y u i u n，L U D a n-j u n (同济大学 机械电子工程研究所，上海 2 0 1 8 0 4)摘要：本文介绍了三菱A 系 IJ P L O 与计算机通过以太网通信的一种方法。利用专用组件进行网络参数 设置和系统配置，并利用V B N E

2、T 进行编程采集数据，最后将采集的数据存人S Q L 数据库。关键词：三菱A 系 I IP L O；以太网通信；专用组件；V B N E T 中图分类号：T H 9 1 4 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9-0 1 3 4(2 0 1 2)4(下)-O O O l 一 0 5 D o i：1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9-0 1 3 4 2 0 1 2 4(下)0 1 0 引言 地铁盾构机是一种挖掘隧道的专用复杂机电液 一体化设备。在盾构施工过程中，由于施工环境 恶 劣和盾构机本身结构复杂，出现故障的频率较高，且故障的排除有一定的困难。因此，有必要对盾构 机进

3、行故障的分析预测。盾构机的故障诊断技术是 根据盾构机各工作机构的功能、原理以及历史记录 来分析其故障率和分布状况，剖析故障发生的原 因 和机理，并以此取得对将来运行的预测。盾构机各 控制子 系统主要 由 P L C来 完成，同时通过传感器 采集盾构机关键部件的运行数据，但不对数据进行 保存。因此，通过 P L C对盾构机关键部位的数据采 集并传输到计算机上进行存储分析具有现实意义。1 系统构成 本系统中，P L C控制系统连接在局域网上，实 现 P L C与计算机之 间的通信，并将采集的数据存 入数据库中。本文所研究的盾构机共有三个部位安 装有 P L C系统，分别是：主控室、随动车 架和推

4、进油缸泵站。其 中，关键部位的数据主要来 自于主 控室 P L C中。数据采集系统整体构成如图 1 所示。2 以太网通信原理 三菱 A系列 P L C以太网模块有三种通信功能：1)固定缓冲存储器通信；2)随机读写用缓冲存储器通信；3)ME L S E C协议(简称 MC协议)通信。直 动 车 架 主 控 室l 推 进 油 缸 泵 站 飘 赣 块 0 以太 受j|太 售 漱 iE T I|髫 鼹羲 毒一 酶辑 l t I t 誊|A 焉 矾薯|i A 泵髋。|j 冬 兼 l|*誊氇 鬻 蔓。蠢 i|、|_ Q-佬 霍 图 1 数据采集 系统整体构成 目前，盾构 机数据采集正常都采用 MC协议 进

5、行 以太 网通 信。MC协议，即：计算机 通过 以 太网模块直接访问 P L C C P U，实现数据或程 序的 读写。以太网模块通信根据计算机命令接收数据。数据接收步骤如图 2所示。图 2所示的数据接收过程如下。1)当计算机要读取 P L C C P U中的数据时，计 算机先向以太网模块发送一个读取数据的命令；2)若 以太 网模 块 收到 读取 命令，即对 P L C C P U中的数据进行读取；3)P L C执行进程，并向以太 网模块发送执行 结果；4)当收到 P L C的执行结果后，以太网模块向 计算机发送一个应答。收稿日期：2 0 1 1-1 0-1 8 作者简介：赵炯(1 9 6 3

6、 一)，男，江苏苏州人，副教授，硕士生导师，研究方向为计算机网络协议分析与性能研究、操 作系统体系结构和自动化系统中的智能控制技术。第3 4 卷第4 期2 0 1 2-4(下)1 1 务l 匐 似 P L C控制系统 图 2 数据接收 命令格式：鲁 命 令 和 响 应 根 据 功 能 格 式 不 同 网3 棍棒 格 式 数据接收的格式如图 3 所示。如图 3所示，数 据格式 由首部和应用数 据两 部分组成。其 中，首部在以太网模块进行数据传 输时被 自动添加，它表示数据通过 T C P通信协议 进行传输。应用数据又分为次首部和内容两部分，它的值根据命令、响应的不 同而不 同。当计算机 给 AJ

7、 7 1 E 7 1发送一个命令时，A J 7 1 E 7 1会 自动发 出一个响应。若响应中的完成代码为 5 B(即：P L C 与计算机无法实现正常通信)时，完成代码后自动 会添加一个错误代码。以太 网模 块可实现二进 制代码和 AS C I I 码传 送数据，图 3所示为二进制码传输。3 P L C 以太网通信过程的实现 盾构机 的数 据采 集 系统 利用 MX C o mp o n e n t 组件对 P L C C P U 中的数据进行周期性采集，周期 定时时间根据 系统的具体要求而定。3 1 P L C 设 置 在进行通信前，先要对 P L C进行网络参数设置。三菱 A系列 P L

8、 C进行 以太网通信的网络参数 设置需要利用 GX De v e l o p e r 软件绘制梯形 图来完 成。设置内容为：P L C网络位置参数(I P地址，网 络号，组号，站号)，通信协议(T C P或 U D P)，开 放模式及初始参数(确认外部设备是否存在的时间 2 1 第3 4 卷第4 期2 0 1 2-4(下)和次数)。图 4所示了一些主要参数的设置。M OVP l H0 A 2 0 0 0 9 B F l D1 0 0 TO I H0 l K0 l Dl 00 l K2 (a 1 I P 地址设置!：!l!I!i!I I i!开放模式 通信协议 固定缓冲区应用：“O ff：主动“

9、：T C P ：发送“1 l”：完全被动“1”：U DP “l，接收“1 0 ：不完全被动(c)通信参数设置 图4 主要参数设置 图 4中(a)设置 了盾构机 以太 网模块 的 I P地 址，将 I P地址 HO A 2 0 0 0 9 B F(即 1 6 2 0 9 1 9 1)存入 缓冲 区 0和 1中。图 4(b)设 置通 信方 式为 T C P，并创 建了一个接收数据的通道：缓冲 区内存地址 1 6。图 4(c)则详 细解释 了图 4(b)中通信连接参数 H8 0 0 0的 内容：利用 T C P通信协议进 行数据的接 收且开放模式为不完全被动式。3 2 MX C o mp o n e

10、 n t 件设置 MX C o mp o n e n t 组件是 三菱 P L C与计 算机进 行通信 的组件。它兼容 多种 高级语言。使 用 MX C o mp o n e n t 组件不 用考虑具体的 MC协议(传送 接收步骤)即可创建通信程序，大幅减少了编制通 信程序的工时。MX C o mp o n e n t 组件是针对三菱 P L C以太网模 块 A J 7 1 E 7 1 进行通信设置的。其设置方式有两种：1)方法一(1)打 开 c o m mu n i c a t i o n s e t u p u t i l i t y(通讯 设置 工具)进行通信路径设 置：设置逻辑站号(0

11、 1 0 2 3 任意设置，不重复即可)，P C端参数，P L C端参数，网络设置。其中，P L C端参数中的 I P地址应与 G x D e v e l o per 中设置的一致，站号与 P C端的站号不同(P C端站号只有在通信协议为 U DP时设置)；网络 设置中 S m fi o n T y p e(站类型)应选择 H o s t S t a t i o n(主 站)。本系统的设置结果如图 5所示。图 5表示此 0逻辑站 系统通过 以太网板卡将 A3 A系列 P L C以太网模块 A J 7 1 E 7 1与计算机相连，利用 T C P通信协议实现二进制数据传输。其中，以 太网模块的

12、地址为 1 6 2 0 9 1 9 1，端口号为 1 2 8 0。(2)打开 P L C mo n i t o r u t i l i t)(P L C监视 工具)：U=l 訇 化 蜘噼 阿 丽 _ Lo g s l瞳 lll腑 埘10：日 1 fIef，l 图5 MX C o mp o n e n t 设置结果 在 u t i l i t y s e t t i n g t y p e(工具设 置类型)中选择 已设 置好的逻辑站号，即可进行连接测试。2)方法二 直接打开 P L C mo n i t o r u t i l i t y(P L C监视工具)，选择 p r o g r a m

13、s e t t i n g t y p e(程序设置类型)进行 P C 端参数，P L C端 参数 和网络参数的设置，也可实 现 与图 5相同的结果。使用此方法不 需设 置逻辑 站号，但每次连接时都需要对所有参数进行设置。本 系统采用第一种方法进行设置。当 P L C与 计算机进行连接设置后，在 P L C监控页面 中可直 接对 指定的 目标地址(软元件，缓冲区，输入设 备)进行在线监测调试。3 3 程序实现 三 菱 公 司 的 MX C o mp o n e n t 组 件 支 持 V i s u a l C+，V i s u a l Ba s i c和 Ac c e s s E x c e

14、 l的 VB A，VB S c r i p t 等语言进行编程。其中，VBN E T具有高 效率低成本的优点，支持二次扩展和开发。因此，本系统选择利用 VBNe t 进行读取数据的编程。3 3 1 A C T 控制 在进行编程前，先要进行 A C T控制设置。利 用 AC T控制可实现各种功能，如：打开通讯线路、关闭通讯线路、显示出错定义、读 写数据、设置 软元件和读 写时钟数据等等。以太 网 模块 A J 7 1 E 7 1进 行 T C P通 信 可 使用 A c t E a s y l F和 A c t A J 7 1 E 7 1 T C P两种 AC T控制方式。其中，Ac t E a

15、 s y l F是一个通用控件，使用比较 简单，所 以本系统使 用此控件进行设 置。其控制 属性如表 1所示。操作时，首先需要将 MX C o mp o n e n t 组件 自带 的 A c t D e f me v b文件添加到新建工程 的解决方案列 表中。然后，在选择工具箱选项的 C OM C o mp o n e n t 表1 Ac t E a s y l F 控件控制属性 属性名 缺省值 属性式样 在C o mmu n i c a t i o n s e t t i n g u t i l i t y(通 Ac t L o g o c a l Nu mb e r O 讯设置工作)中设

16、置的逻辑站号 设置于连接站端A6 T E L、Q 6 T E L、Ac t P a s s w o r d*1 空 Q系列兼容模块C 2 4 及Q系列 兼容模 块E 7 1 中的密码 1：未设定密码时，则无需设置A c t P a s s w o r d。标签中，选择 A c t E a s y l F控制标签并粘贴在程序界 面窗口中，并设置控制的属性(仅设置逻辑站号且 与 c o mmu n i c a t i o n s e t t i n g u t i l i t y中设置的逻辑站号一 致，不设置密码)。这样，即可完成 A C T控制的设置。3 3 2编程指令及函数 MX C o mp

17、 o n e n t 编程共支持两种界面：自制界 面 和标 准界 面。1)自制界面：将 A c t i v e X控制粘 贴到程序界 面上的一种方法，不需获取编程界面和 目标生成，使用较为简单。2)标准界面：在使用 Ac t i v e X控制时，通过 使用界面获取 函数，在生成 目标时也使用 目标生 成 函数。其 编程 比较 复杂，但是它可以很好地控 制 目标的生成与消除。当使用 VBN E T进行编程 时，只能使 用 自制 界面。通信过程如下：1)通信线路的打开 1 R e t=Ac t E a s y l F O p e n()；通过此 o p e n函数即可实现通 信线路 的连接。其

18、中，1 R e t 为整型的返 回值。若正 常终止，即连 接成功，则返回 0，否则，返回 0以外的值。在通 信线路打开后，如 果需要 更改通信参数，则需先 关闭线路，将设置更改后再次打开通信线路。O p e n函数在建立通信路径或取得 P L C内部信 息等的处理上可能会耗费较长的处理时间，所以，必须创建一个高效率的程序来提高应用程序的执 行速度。程序流程 图如图 6所示。2)数据的读取 当通信 线路 连接 以后，可进 行数据 的读取。盾构机关键部件的数据均存放于 P L C C P U的软元 件 中且存储地址连续，因此，可使用函数进行数 据的批量读取。1 R e t=Ac t E a s y

19、 l F Re a d De v i c e Bl o c k(s z De v i c e，1 S z e，1 D a t a(0)；此批量读取软 元件函数表示 以 s z De v i c e中的 软元件地址为起始点，批量读取 1 S i z e个软元件 的 第3 4 卷第4 期2 0 1 2-4(下)I 3 l I 匐 化 开 始 、打 开 通 讯 线 路(。p e n)l 读 取 P L c 数 据 l 关 闭 通 讯 线 路(C 1。s e)l l 结 束 、图6 程序流程 图 值，最后将读取的数据存储在以 1 Da t a(O)为起始的 l Da t a(n)数组 中。其 中，1

20、Da t a 数 组需 要预 留多于 1 S i z e的存储区。如果没有足够的存储区域，则可 能出现应用程序出错等严重问题。最后，若正常读 取数据则返 回 0，否则，返回 0以外的错误代码。又 因为，此批量读取软 元件 函数是长整型 函 数，读取的数据均为长整型，而盾构现场传感器采 集的数据都是浮点数，所以在数据读取后需进行转 换，将数据转换成浮点型。由于长整型和单精度浮 点型存储空间大小均为4 字节，故可直接进行转换。通过以下程序即可实现数据的读取和转换：Di m 1 R e t As I n t e g e r 返回值 D i m s z D e v i c e As S t r i n

21、 g 软元件起始点 Di m 1 S i z e As I n t e g e r 软元件数 D i m 1 Da t a(2 0 0)As I n t e g e r 函数读取的数据 Di m f D a t a(2 0 0)As S i n g l e 转换后的数据 Di m 1 Cn t As I n t e g e r 1 S i z e=1 6 2 软元件个数 I R e t=A c t E a s y l F 1 Re a d D e v i c e B l o c k(D5 0 0 0”，1 S i z e，l Da t a(0)读取以 D 5 0 0 0为起始的 1 6 2个软

22、元件 I f 1 R e t=0 T h e n 正常采集，则进行类型转换 F o r 1 C n t=0T o(1 S i z e l、将长整型数据转换成单精度浮点型 f Da t a(1 C n t)=1 Da t a(1 C n t)Ne x t En dI f 如果将此程序放入一个 t i me r 定时器循环中即 可实现对数据的周期 自动读取，周期时间根据 系 统的具体要求可进行修改。1 4 l 第3 4 卷第4 期2 0 1 2-4(下)3)读取时钟数据 在读取数据时，同时 读取 时钟时 间，可明确 每一次数据采集的具体时间，从而便于管理。1 R e t=Ac t E a s y

23、l F Ge t C l o c k Da t a(1 Y e a r，1 Mo n t h，1 Da y，1 Da y Of We e k,l Ho u r,l Mi n u t e J S e c o n d)利用此时钟 函数可分别读取年、月、日、周 日、小时、分、秒值。4)通信线路的关 闭 每次程序关 闭前，都需要将通信线路关闭。1 R e t=A c t E a s y l F C l o s e()；使用此关闭函数即可关 闭 o p e n函数 打开的通 信线路。4 数据的存储 要实现对盾构机关键 部件数据 的分析，查询 和智能诊 断，就必须要求对所有采集数据进行统 一存储。在本数据

24、采集 系统 中，盾构机 P L C的数据经 过 MX C o mp o n e n t 组件编程 采集后，先将数 据放 入一个数据库临时表，最 终调 用数据库存储过程 将数据保存至 S Q L中心数据库中。在进行一次编程采集后，数据存储在一个数 组 中。如果对数据进行一条一条循环存放入临时 表，容易造 成数据 的堆积。但是，若先将数组数 据合并成一个字符串(各数 据之 问用空格隔开)，再将其写入一个 t e x t 字段中，这样一次数据采集 周期 只需进行一次数据库临时表的写入，效率得 到了很大的提高。所以，临时表只需两个字段：T i me 和T e x t(T e x t 字段存放数据字符串

25、)。临时表的创建如下：CRE A TE T ABLE t mp(Ti me Da t e t i me NO t Nu l l T e x t V a r c h a r(ma x)No t N u l 1 )此临时表是永久存在的，但 它的数据会随着 数据的采集持续更新。又因为盾构机 P L C每一个 地址对应某一特定的传感器，且数组 中的每一个 数据对应的 P L C地址 是固定的。所以，当数据库 进行读取时只需将字符串以间隔为标记分解成数 组再转换为数值即可，分解后的每个数组 的值对 应 的传感器地址与读取时的一致。且 当 S Q L数据 库对临时表中的某一 条数据读取后即对其进 行删 除

26、，以避免临时表 中数据冗余。【下转第2 2 页l 1 訇 出 性较 大 的 U C I 数据 库 中的数据 集 I r i s、Di a b e t e s、n e w t h y r o i d s，其 中 I r i s 数据集 中有 1 5 0条样 本记 录，有 4个属性，分为 3个类别；Di a b e t e s 数据集 中有7 6 8 条样本记录，有 8 个属性，分为2 个类别；n e w t h y r o i d s中有 2 1 5条样本 记录，有 5个 属性，分为 3个类别。通过传统 k me a n s 算法、文献【9 19 的算法和本文提出的改进算法分别进行 了 1 0次

27、实 验，在对 D i a b e t e s、I r i s、f l e w t h y r o i d s 得 到的实 验 数据。实验结果见表 3，准确率()保留两位小数。相对于传统随机 算法而言，本文以簇内相似 度最高的具有高密度分布的点为聚类中心选择 方 法，时间主要花费在计算所有样本距离密度情况 与簇 内相似度，时间复杂度为 O(n )。从实验结果看，传统算法数据集 D i a b e t e s 准确 率平均为 6 0 0 1，文献 9】中的准确率为 6 4 8 4，改进算 法准 确率 均 为 6 6 0 2；i r i s 中传统 算法 的 准 确率平均 为 7 4 6 0，文献【

28、9】算法 的准确率为 8 3 3 3，本文改进的准确率为 9 2 6 7；n e w t h y r o i d 中传统算法准确率最低为 6 2 7 9，最高为 8 5 1 1，平均为 7 4 6 5，文献 9 算法中准确率为 8 4 1 9，本文改进算法准确率为 8 5 5 8。因此，本文提出 的改进算法优于传统 K me a n s 算法及文献【9 19算法。5 结束语 针对传统 K me a n s 算法的缺陷，本文提 出以 簇内相似度最高的具有高密度分布的点为聚类中心 的算法，通过聚类评价函数提高聚类质量。用传统 K me a n s 算法、文献【9 1 算法及本文改进算法进行 一 表

29、3 数据集测试结果表 随机 聚类算法 文献9 算法引 改进k me a n s 算浸 数据 集()()(1 D i a b e t e s 数据 集 6 0 0 1 6 4 8 4 6 6 0 2 i r i s 数据集 7 4 6 0 8 3 3 3 9 2 6 7 n e w t h y r o i d 数据集 7 4 6 5 8 4 1 9 8 5 5 8 实验对比，结果证明本文改进算法提高了聚类的质 量，具有更强的稳定性和相对较高的准确率。参考文献：1 J i a w e i Ha n，Mi c h e l i n e K a mb e r 数 据挖掘概念与技术【M】北京：机械 工业

30、出版社，2 0 0 8 2】孙秀娟，刘希玉 基于初始 中心优化 的遗传K m e a n s 聚 类新算法【J 1 计算机工程 与应用 2 0 0 8，4 4(1 0)：1 4 7 1 4 9 3 汪 中，刘贵全，陈 恩红 一种优化初始 中心 点的K me a n s 算法【J J 模式识别与人工 智能 2 0 0 9，2 2(2)：2 9 9 3 0 4 【4 周 壮兵，徐振源，唐旭清 K m e a n s 算法最佳 聚类数确 定 方法【J 1 计算机应用 2 0 1 0，3 0(8)：1 9 9 5 1 9 9 8 5】袁 方，周志 勇，宋鑫 初始聚类 中心 优化的k me a n s

31、算法 I J 1 计算机工程 2 0 0 7，3 3(3)：6 5 6 6 【6 1赖玉 霞，刘建平 K me a n s算 法的初始聚类 中心 的优化 l J 1J 计 算机工程与应用 2 0 0 8，4 4(1 0)：1 4 7 1 4 9 【7】步媛媛，关忠仁 基于K me a n s 聚类算法的研究【J J 西南 民族 大学学报 2 0 0 9，3 5(1)：1 9 8 2 0 0 8 曹 志宇，张 忠林，李 元韬 快速 查 找初 始 聚类 中心的 K me a n s 算法 J J 兰州交通大学学报 2 0 0 9，2 8(6)：1 5 1 8 9】韩凌波，王强，蒋正锋，郝志强 一种

32、改进的k m e a n s 初始聚 类中心选取算法【J J 计算机工程与应用2 0 1 0,4 6(1 7)：1 5 0-1 5 1 【l 0】李涵 一种改进的聚类方法在异常检测中的应用【J】微 电子学与计算机 2 0 1 0，2 7(8)：6 6 6 9 【1 1】张 莉 数 据挖掘技 术在高校 学生成绩分析 中应用 的研 究 D】中国石油大学 2 0 0 9 矗I 毫 I 盘 岛 出 岛 岛 矗 童 毒I 毒 蠢 岛 岛 生 赢I _ 生 岛 岛 矗I 童 氐 矗【上接第4 页】5 结束语 本数据 采集系统 以盾构机作为研究对象，通 过 三菱 A系列 P L C的 以太 网模 块 A J

33、 7 1 E 7 1实现 P L C与计算机的以太网通信，利用 MX C o mp o n e n t 组件进行数据的读取，最终将采集 的实时数据放 入数据库中，使之与盾构机已有的实时监控 系统，中心数据库系统 和远程诊断 系统形成一套完整的 盾构机故障诊断 系统，实现“盾构关键部件的在 线监测与远程维护”。此故障诊断 系统的完成将全面实现盾构机的 实时在线监测和智能诊断功能，能够有效降低盾 构机的故障率，减小施工风险，极大程度地提高 1 2 2 1 第3 4 卷第4 期2 0 1 2-4(下)我国盾构施工信息化水平。参考文献：【l】樊彬彬，刘谨，等 盾构机故障诊断专家系统综合推理机 的研制，

34、机械设计与制造，200 7，(0 9)：l 1 1-1 1 3 2】三菱电机株式会社 E t h e r I n t e r f a c e Mo d u l e t y p e A J 7 l E 7 1 U s e r s Ma n u a l【M】，1 9 9 3 【3】三菱 电机 株式会社 MX C o mp o n e n t Op e r a t i n g Ma n u a l 【M】，2 0 0 5 【4】三 菱 电机 株 式会 社 MX C o mp o n e n t P r o g r a mmi n g Ma n u a l M 2 0 O 5 【5】F o x a l l J P r a c t i c a l S t a n d a r d s f o r Mi c r o s o f t Vi s u a l Ba s i c N E T J 清华大学出版社，2 0 0 3，(1)：4 0 7 5 【6】6 郑晟 盾构机远程在线监测与维护设计及研究I J 1 机电 一体化，2 0 1 0，(1 0)：4 4 4 7