CN109491308A - 一种基于隔离耦合的风洞群数据采集方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于隔离耦合的风洞群运行状态数据采集方法及其装置，目的在于解决目前现有的监测系统主要是针对单个风洞设备的本地监测，未见面向风洞群的跨层级数据传输和异地集中监测方案的公开报道，且现有监控系统均通过TCP/IP网络直接接入风洞测控网，存在相应技术风险的问题。该采集方法中，基于“耦合层—数据层—监测层”三层架构，为每座风洞设置独立的数据服务器，通过Profibus网络与风洞主PLC通信，从风洞主PLC中获取风洞状态数据；同时，远程监测工作站通过以太网与数据服务器通信，从而获取风洞主PLC的监测数据。本发明中，通过电气屏蔽和公共数据区的只读设置保证数据通信的保密性和安全性，实现数据的实时传输和有效隔离。

Description

一种基于隔离耦合的风洞群数据采集方法及其装置

技术领域

本发明涉及风洞测试控制领域，具体为一种基于隔离耦合的风洞群数据采集方法及其装置。本发明提供的是一种基于隔离耦合的风洞群运行状态数据采集方法及装置，主要用于风洞群运行状态的集中监测。

背景技术

随着风洞的集中建设、集中管理，风洞群开展的高频度、多种类气动试验与多种动力资源形成的交错对应关系给试验任务统一组织及动力资源集中保障增加了很大难度。因此，迫切需要借助信息技术，打破各风洞设备及动力资源生产设备运行管理系统数据壁垒，推动各风洞设备实时运行状态信息的集中采集、共享及综合应用。

但是，多重因素给风洞设备状态信息集中采集带来了较多困难。首先，由于各套风洞设备的工作原理、技术指标、归属单位、承研单位及建设时间各不相同，所采用的测控设备、控制软件等软硬件接口标准各异；同时，考虑安全保密要求及设备运行可靠性需求，各风洞设备试验现场的测控网均与办公网相互隔离。

因此，迫切需要开发异源风洞数据采集及现场隔离控制技术，针对风洞试验设备和动力资源生产设备不同的特点要求，采用新的技术手段，在不影响风洞设备本身运行安全的前提下，建立统一框架完成多源数据的采集传输，实现各风洞设备及动力设备实时运行状态的集中采集和统一监测。

通过初步调研，针对风洞设备运行过程集中监测需求，世界先进空气动力研究机构开展了相应工作。

美国NASA兰利中心建立了高压空气监测计量系统，对其在用的高压空气站进行了实时监测管理，并根据长期的数据分析、评估结论制定了更有针对性的维修维护策略，以提高动力资源设备的可靠性、可用性和可维护性；中国航空工业空气动力研究院针对某低速增压风洞风扇段轴系研制了实时温度监测系统，实现该风洞风扇段轴系温度的实时监测管理，有效提高了设备运行安全性；同济大学在其地面交通工具风洞中建立了风洞能耗监测系统，实现了对该风洞各种能耗数据的实时可视化查询、统计与分析。

但是，现有系统主要是针对单个风洞或单台设备的本地监测，未见面向风洞群的异地集中监测方案的公开报道；并且现有监控系统均通过TCP/IP网络直接接入风洞测控网，可能带来较大的技术风险。而现有的Profibus DP/DP耦合器应用主要局限于本地测控系统中现场总线层级的系统级联和多主站间通信，无法满足本发明涉及技术领域跨层级数据传输和风洞群集中监测的应用需求。

为此，迫切需要一种新的装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对目前现有的监测系统主要是针对单个风洞设备的本地监测，未见面向风洞群的跨层级数据传输和异地集中监测方案的公开报道，且现有监控系统均通过TCP/IP网络直接接入风洞测控网，存在相应技术风险的问题，提供一种基于隔离耦合的风洞群数据采集方法及其装置。一方面，风洞现场主PLC已包含所有需要集中监测的洞体状态、执行机构状态、风洞运行参数等试验运行状态数据；另一方面，从风洞运行安全考虑，不建议将风洞测控网与外部IP网络直接相连。因此，不能直接通过现场风洞测控系统主PLC的以太网接口获取监测数据。为克服这一矛盾，本发明基于“耦合层—数据层—监测层”三层架构，设计了一种“隔离耦合+统一数据访问”的技术方案，从而有效解决了前述问题。

该采集方法中，基于“耦合层—数据层—监测层”三层架构，为每座风洞设置独立的数据服务器，通过Profibus网络与风洞主PLC通信，从风洞主PLC中获取风洞状态数据；同时，远程监测工作站通过TCP/IP网络与数据服务器通信，从而获取风洞主PLC的监测数据。其中，耦合层实现现场数据的协议封装及数据耦合传输；数据层实现耦合层数据的获取和协议转换、量程转换后测点值和告警信息等数据处理；监测层实现人机界面应用发布。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于隔离耦合的风洞群数据采集方法，其采用数据隔离耦合传出，阻止外部IP非法连接，实现风洞群中各风洞状态数据的采集。为每座风洞设置独立的数据服务器，通过Profibus网络与风洞主PLC（含动力设备主PLC，下同）通信，从风洞主PLC获取风洞状态数据；各数据服务器通过OPC协议，将数据在统一数据访问服务器中进行处理和汇总；同时，远程监测工作站通过TCP/IP网络与统一数据访问服务器通信，从而获取风洞主PLC的监测数据。

需要说明的是，本方案同样适用于外部信息和数据从办公网可控传入至风洞测控网。

包括如下步骤：

（1）Profibus通信的实现

风洞主PLC通过其Profibus通信模块提供的Profibus接口与Profibus DP/DP耦合器（本申请中将Profibus DP/DP耦合器简写为“耦合器”）连接；耦合器与安装了Profibus通信卡的数据服务器进行连接，并将风洞主PLC中的监测数据隔离耦合传输给数据服务器；

（2）数据服务器的实现

数据服务器与风洞主PLC之间通过Profibus通信，获取风洞主PLC中的监测数据；然后，数据服务器将获得的风洞主PLC中的监测数据通过TCP/IP协议接入外部监测网络，从而将监测数据传出；

（3）统一数据访问的实现

统一数据访问服务器与各风洞数据服务器之间通过OPC协议通信，实现量程转换后数据（包括测点值和告警信息等）的处理、汇总与发布；

（4）远程监测工作站的实现

远程监测工作站与统一数据访问服务器进行通信，获取风洞主PLC中的监测数据，并提供风洞群集中监测显示界面；

（5）N个风洞采用步骤（1）~（4），将风洞主PLC中的监测数据传输至远程监测工作站，实现数据的跨层级统一访问和风洞群运行状态的集中监测；

所述N为自然数，且≥2。

所述步骤（5）中，将采集的数据进行分层级汇总，显示风洞设备运行状态，实现各风洞设备及动力设备实时运行状态的集中监测。

用于前述基于隔离耦合的风洞群数据采集方法的装置，包括：

风洞主PLC，其包含相应风洞的监测数据，并通过Profibus通信模块经耦合器与数据服务器进行通信；

数据服务器，配置有Profibus通信卡、以太网接口，其与风洞主PLC之间通过Profibus通信，以获取风洞主PLC中的监测数据；数据服务器通过以太网交换机接入外部监测网络，从而将监测数据传出；

耦合器，风洞主PLC与数据服务器之间通过耦合器进行连接，从而将风洞主PLC与数据服务器之间的Profibus总线分割为两个相对独立的网段，实现风洞主PLC和数据服务器的独立配置；

统一数据访问服务器，配置以太网接口，与各风洞数据服务器之间通过OPC协议通信，实现量程转换后数据（包括测点值和告警信息等）的处理、汇总与发布；

远程监测工作站，通过外部办公网络与统一数据访问服务器相连，实现风洞群状态数据的监测。

所述数据服务器还包括协议转换单元，其用以实现与不同协议客户端之间的通信。

所述协议转换单元通过通信协议为本地或远程监测工作站提供数据。

所述通信协议为SuiteLink、OPC通信协议中的一种或多种。

还包括与远程监测工作站相连的显示装置。

综上，本发明提出了一种安全可行的基于隔离耦合的风洞群数据采集方法，其是一种基于隔离耦合的风洞群运行状态数据采集方法及其装置；该方案中，一方面，通过电气屏蔽和公共数据区的只读设置保证数据通信的保密性和安全性，实现了数据的实时传输和有效隔离；另一方面，利用OPC Server协议转换的灵活、开放、可靠、安全的软件架构，提供统一数据服务，实现数据的跨层级统一访问和风洞群运行状态的集中监测。采用本发明，既能满足对关键运行状态集中监测的需求，又保证了风洞设备设施本身的运行安全。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为系统整体框架示意图。

图2为实施例1中单个风洞运行状态监测示意图。

图3为实施例1中风洞群运行态势集中监测示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例的软硬件配置及工作步骤如下：

1、系统配置

（1）系统硬件

a.风洞主PLC：现场风洞测控系统主PLC包含了集中监测系统所需的所有监测数据，因此以现场风洞测控系统主PLC作为初始数据源，并通过PLC配备的Profibus通信模块经耦合器与数据服务器进行通信。

b.数据服务器：采用台式计算机，并配置Profibus通信卡，实现与风洞主PLC之间的Profibus通信，获取PLC中的监测数据。同时，服务器配置有以太网接口，通过以太网交换机接入外部监测网络，从而将监测数据传出。

c.耦合器：风洞主PLC与数据服务器之间并没有直接连接，而是通过一个耦合器进行连接，从而将风洞主PLC与数据服务器之间的Profibus总线分割为两个相对独立的网段，即Profibus总线1和Profibus总线2，实现风洞主PLC和数据服务器的独立配置。

d.统一数据访问服务器：采用机架式服务器或高性能台式计算机，并配置以太网卡；提供状态数据的处理、存储和统一发布。

e.远程监测工作站：接入外部监测网络的计算机均可作为远程监测工作站。工作站上只需安装远程监测工作站客户端人机界面软件，即可远程集中监测风洞的开车运行状态及关键控制数据。

（2）系统软件

a. PC站组态软件：运行在数据服务器上，实现PC站和耦合器的组态，与风洞主PLC通信，获取PLC中的监测数据。

b. OPC Server：配置OPC服务，作为IP网络数据源。

c.协议转换软件：把一些主要的协议（OPC、SuiteLink）转化成任何一种网络组件要求的协议，也可以实现SuiteLink、OPC等协议之间的相互转换，使用不同的数据存取协议来实现客户端与数据源之间的通信。

d.统一数据访问软件：采用OPC方式与数据服务器进行数据交互，并进行数据处理、数据展示与数据存储，同时为客户终端和网络用户提供数据展示服务。

e.人机界面软件：编制单个风洞运行状态和风洞群运行状态集中监测软件，并安装在远程监测工作站上，实现风洞设备运行状态的集中监测。

其中，第a、b、c项软件可安装在同一台数据服务器上。

2、工作步骤

（1）风洞主PLC通过Profibus总线1传输到耦合器：现场风洞测控系统主PLC提供Profibus通信接口，利用这个Profibus接口，风洞主PLC作为主站，与耦合器通信；同时，需要在耦合器上定义一个公共数据区，并在PLC程序中增加向耦合器公共数据区写指定数据的功能；耦合器作为从站，将需要监测的状态数据由风洞主PLC写入耦合器公共数据区。

（2）数据服务器通过Profibus总线2获取耦合器数据：数据服务器中安装Profibus通信卡，为数据服务器提供了一个Profibus通信接口，并作为Profibus总线2主站使用。将耦合器作为从站，先要把耦合器的GSD文件加载到对应主站的组态工具里，随后在网络中添加耦合器模块后就可以对耦合器进行组态，并设置耦合器的Profibus从地址及交换数据长度等通信参数。其中，耦合器的Profibus从地址还须通过耦合器模块顶部的2个DIP开关来进行硬件设定，可设定的Profibus地址范围是1到125，而且硬件设定的地址要和组态工具设定的地址一致。

（3）通过OPC服务发布数据：在PC站中配置Profibus通信接口模块和OPC服务，将网络配置下载到PC站中，将接口配置文件复制到PC站组态软件安装目录下的“\opc2\binDP\”中，发布从耦合器中读取的数据。

（4）协议转换器软件，实现与不同协议客户端之间的通信，作为数据发布服务器，分别通过SuiteLink、OPC等多种通信协议为本地或远程监测工作站提供数据。

（5）统一数据访问服务软件，与各风洞数据服务器进行通信，读取数据，进行监测和报警等数据的量程转换、数据汇总和累计等统一处理，同时为远程监测工作站和网络用户提供数据展示服务。

（6）远程监测工作站访问数据

a.通过OPC方式读取试验状态数据。

可调用OPC Server专用函数。

DS_Open(const char *URL, DSEnum_AccessModes accessMode,DSCallbackPtreventFunction, void *callbackData, DSHandle *DSHandle)

b.通过SuiteLink协议访问数据。

SuiteLink是专为工业应用设计且基于TCP/IP的协议。SuiteLink可提供数据完整性保证、高吞吐量并发以及一些简单的诊断过程。

（7）建立人机界面，研制风洞运行状态集中监测系统：构建运行状态集中监测系统，包括数据采集、界面监视、报警管理、趋势分析、信息发布、报表生成等模块，通过数字化表盘、指针等图形化方式，模拟和再现试验过程，显示单个风洞运行状态和风洞群整体运行态势（如图2、图3所示）。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种基于隔离耦合的风洞群数据采集方法，其特征在于，其采用数据隔离耦合传出，阻止外部IP非法连接，实现风洞群中风洞数据的采集。

2.根据权利要求1所述基于隔离耦合的风洞群数据采集方法，其特征在于，为每座风洞设置独立的数据服务器，通过Profibus网络与风洞主PLC通信，从风洞主PLC获取风洞状态数据；各数据服务器通过OPC协议，将数据在统一数据访问服务器中进行处理和汇总；同时，远程监测工作站通过TCP/IP协议与统一数据访问服务器通信，从而获取风洞主PLC的监测数据。

3.根据权利要求1或2所述基于隔离耦合的风洞群数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）Profibus通信的实现

风洞主PLC通过其Profibus通信模块提供的Profibus接口与Profibus DP/DP耦合器连接；耦合器与安装了Profibus通信卡的数据服务器进行连接，并将风洞主PLC中的监测数据隔离耦合传输给数据服务器；

（2）数据服务器的实现

数据服务器与风洞主PLC之间通过Profibus通信，获取风洞主PLC中的监测数据；然后，数据服务器将获得的风洞主PLC中的监测数据通过TCP/IP协议接入外部监测网络，从而将监测数据传出；

（3）统一数据访问的实现

统一数据访问服务器与各风洞数据服务器之间通过OPC协议通信，实现量程转换后数据的处理、汇总与发布；

（4）远程监测工作站的实现

远程监测工作站与统一数据访问服务器进行通信，获取风洞主PLC中的监测数据；

（5）N个风洞采用步骤（1）~（4），将风洞主PLC中的监测数据传输至远程监测工作站，形成耦合层—数据层—监测层三层架构，实现数据的跨层级统一访问和风洞群运行状态的集中监测；

所述N为自然数，且≥2。

4.根据权利要求3所述基于隔离耦合的风洞群数据采集方法，其特征在于，所述步骤（5）中，将采集的数据经过协议封装及数据耦合、数据获取和协议转换、数据处理及应用发布，进行分层级汇总，显示风洞设备运行状态，实现各风洞设备及动力设备实时运行状态的集中监测。

5.用于权利要求1~4任一项所述基于隔离耦合的风洞群数据采集方法的装置，包括：

风洞主PLC，其包含相应风洞的监测数据，并通过Profibus通信模块经耦合器与数据服务器进行通信；

数据服务器，配置有Profibus通信卡、以太网接口，其与风洞主PLC之间通过Profibus通信，以获取风洞主PLC中的监测数据；数据服务器通过以太网交换机接入外部监测网络，从而将监测数据传出；

耦合器，风洞主PLC与数据服务器之间通过耦合器进行连接，从而将风洞主PLC与数据服务器之间的Profibus总线分割为两个相对独立的网段，实现风洞主PLC和数据服务器的独立配置；

统一数据访问服务器，配置以太网接口，与各风洞数据服务器之间通过OPC协议通信，实现量程转换后数据的处理、汇总与发布；

远程监测工作站，通过外部监测网络与统一数据访问服务器相连，实现风洞群状态数据的统一监测。

6.根据权利要求1~5任一项所述的装置，其特征在于，所述数据服务器还包括协议转换单元，其用以实现与不同协议客户端之间的通信。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述协议转换单元通过通信协议为本地或远程监测工作站提供数据。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述通信协议为SuiteLink、OPC通信协议中的一种或多种。

9.根据权利要求5~8任一项所述的装置，其特征在于，还包括与远程监测工作站相连的显示装置。