段淇倡，劉順波，周光偉

(第二炮兵工程大學，陜西西安710025)

隨著計算機和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，對電氣設備自動化要求也越來越高。隨著現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，為遠程自動化監(jiān)控提供了重要技術(shù)支撐。工業(yè)組態(tài)軟件作為一款融過程控制、現(xiàn)場操作以及數(shù)據(jù)庫管理于一體的工業(yè)控制軟件包，就是在這一背景下應運而生。地下工程由于對環(huán)境溫濕度有嚴格要求，因此安裝了大量離散式除濕機，因其布置的分散性，傳統(tǒng)的監(jiān)控方式給設備管理、數(shù)據(jù)采集和集中管理帶來極大不便，同時也不能進行實時監(jiān)測。針對以上不足，作者將網(wǎng)絡技術(shù)與設備現(xiàn)場控制技術(shù)相結(jié)合，設計出一種基于串口服務器的除濕機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

由于地下工程中的除濕機布局分散，但控制與數(shù)據(jù)處理卻要求集中?；凇胺稚⒖刂疲刑幚怼钡目刂埔?，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控網(wǎng)絡整體架構(gòu)

控制網(wǎng)絡采用主流的3層設備加2層網(wǎng)絡的“3+2”結(jié)構(gòu):3層設備分別指現(xiàn)場執(zhí)行與數(shù)據(jù)采集設備，由變頻器、壓縮機、風機、數(shù)據(jù)采集器和傳感器等組成;中間級控制與通訊轉(zhuǎn)換設備，由設備控制器S7-200PLC、觸摸屏、串口服務器和交換機組成;最高級監(jiān)管控制部分，由服務器、操作站、數(shù)據(jù)服務器和工作站等組成，運行人機界面進行人機交互完成現(xiàn)場控制。2 網(wǎng)絡指上層的管理網(wǎng)，由串口服務器的以太網(wǎng)接口部分與上位機之間的TCP/IP 網(wǎng)絡和串口服務器的串行接口部分與現(xiàn)場控制器組成;下層的控制網(wǎng)，由現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場設備組成，兩者之間通過串行通訊交換數(shù)據(jù)。

2 現(xiàn)場控制網(wǎng)設計

在底層的控制網(wǎng)中，串行RS485 總線是最常用的電氣標準，Modbus 協(xié)議作為一種公開的通訊協(xié)議，被廣泛應用于控制網(wǎng)通訊。Modbus 協(xié)議采用主/從式通信，在網(wǎng)絡中一個PLC 主站可以對應多個從站。在通信過程中，主站對從站的查詢既可采用查詢方式也可采用廣播方式。受RS485 總線傳輸距離的限制，當通信距離超過設計值時，需要在網(wǎng)絡中間增加RS485 中繼器以保證信號的質(zhì)量。作者所構(gòu)建的Modbus控制網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。主站選用S7-200 PLC，CPU模塊為CPU226，通訊擴展模塊為EM277，用于接入西門子觸摸屏OP77B 對PLC 進行現(xiàn)場設置;從站為6 臺具有Modbus 通訊接口的時代TVF8040 變頻器，用以控制風機、水泵和壓縮機，2臺研華ADAM4000系列I/O 擴展模塊，用以完成現(xiàn)場傳感器信號采集。

圖2 Modbus 監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 變頻器的控制連接

TVF8040 通過串行RS485 總線與現(xiàn)場控制系統(tǒng)進行通訊，其通訊規(guī)約為標準Modbus 協(xié)議。在出廠時該協(xié)議并未激活，激活后變頻器才能與網(wǎng)絡中的Modbus Master 進行通訊。為了實現(xiàn)與主站的通訊進行Modbus控制，就需要對變頻器控制模式進行設置，并規(guī)定通訊速率、奇偶校驗和停止位，同時要求與主站設置一致，如此才能實現(xiàn)主從通訊功能。對變頻器的在線控制可以分為以下3步向寄存器(0001)中寫入控制字:

第1步:向寄存器(0001)中寫入，CW=0000 0000 0000 0010，變頻器進入允許運行狀態(tài);

第2步:等待100 ms;

第3步:向寄存器(0001)中寫入，CW=0000 0000 0010 0010，變頻器跟隨頻率給定值正常運行。

該網(wǎng)絡中的所有設備都要通過自己的接地端良好接地，TVF8040 變頻器的接地線在任何情況下都不可以形成封閉回路。同時所有設備的接地端都要連到公共接地的母排上。按總線設計要求，RS485 網(wǎng)絡的末端設備要使用120 Ω的終端電阻，該變頻器跳線J2可用于連接或斷開終端電阻，中間網(wǎng)絡站不能使用終端電阻，TVF8040 變頻器的RS485接口端子及終配跳線J2 接線示例如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的通訊連接

ADAM-4015是16位A/D 6 通道的熱電阻輸入模塊，它支持Pt100，Pt1000，BALC0500，Ni 熱電阻。ADAM-4017+是16位A/D 8 通道的模擬量輸入模塊，提供8路差分信號，各通道可獨立設置其輸入信號的形式和范圍。ADAM4000系列I/O模塊要實現(xiàn)與S7-200PLC 通訊完成數(shù)據(jù)采集任務，就需要對其進行適當?shù)呐渲茫瑢⒛K的init* 和GND 短接，重新上電后，這時進入模塊的初始化狀態(tài)，就可以配置模塊的地址、通訊速率、量程范圍、數(shù)據(jù)格式、工作方式和通訊協(xié)議等。ADAM-4015/4017+均支持Modbus 協(xié)議，其接線如圖4所示。

圖4 ADAM-4015/4017+簡單控制接線圖

對模塊的設置都采用研華公司配套的ADAM-4000-5000Utility (Ver 3.10.06)軟件，為了實現(xiàn)ADAM 從站模塊和PLC 主站的通訊，其通訊參數(shù)設置需要和主站一致，最后執(zhí)行【UPDATE】，完成設置后，將init* 和GND 不短接，對模塊上電進入正常工作模式。

3 系統(tǒng)管理網(wǎng)設計

對于管理網(wǎng)的構(gòu)建，作者提出一種基于協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的串口服務器的新型網(wǎng)絡連接方式，如圖5所示，以低成本實現(xiàn)上位機與S7-200系列PLC 在以太網(wǎng)或Internet 上的TCP/IP 通訊。上位機采用工控機，運行人機界面應用程序，通過友好界面實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測與控制功能。

圖5 串口設備與工控機的連接示意圖

串口服務器是一種能夠方便地實現(xiàn)由軟件設置串口類型，使不同形式的串口(如RS422/485/232)能方便地連接到以太網(wǎng)上，實現(xiàn)異構(gòu)組網(wǎng)的設備。該系統(tǒng)中串口服務器的功能是:把從現(xiàn)場控制器(PLC)發(fā)來的協(xié)議打包成TCP/IP 識別的Socket套接字并發(fā)往上位機;同時，將上位機發(fā)來的Socket套接字和端口號進行解析發(fā)往相應串口。如圖6所示分別為其軟/硬件體系結(jié)構(gòu)。

圖6 串口服務器軟/硬件體系結(jié)構(gòu)

使用雙絞線和串口線將串口服務器和交換機、下位機(S7-200PLC)進行連接，配置串口服務器的網(wǎng)絡IP 地址和通訊端口映射方式，其配套軟件能在上位機上形成虛擬串口，通過此虛擬串口來實現(xiàn)上位機同PLC的TCP/IP 網(wǎng)絡通訊。PLC 對串口服務器端口的使用就如同自帶的COM 口一樣，上位機和PLC可視為直接的串口連接，實行串行通訊。

該系統(tǒng)串口服務器選用臺灣MOXA 公司的DE-311型產(chǎn)品。該型產(chǎn)品有一個可設置類型的串口和一個10/100 MB的以太網(wǎng)接口，串口類型的設置通過撥碼開關(guān)實現(xiàn)，可在RS232、RS422 和RS485 中根據(jù)實際情況進行選擇，方便將各種帶有標準異步串口的設備連接到以太網(wǎng)中。串口服務器內(nèi)置有以太網(wǎng)和TCP/IP 協(xié)議，因此在使用前必須進行配置，才能使聯(lián)網(wǎng)工控機和現(xiàn)場串口設備能通過它進行正常通訊，配置包括:IP 地址的設置，操作模式的選擇，虛擬串口號的分配，串口通訊參數(shù)的設定和訪問控制的設置。

4 軟件程序總體設計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是軟件程序的載體，軟件程序是系統(tǒng)運行的核心，是整個系統(tǒng)的靈魂。該系統(tǒng)中的軟件主要包括兩方面內(nèi)容:一部分是基于現(xiàn)場控制器PLC的控制和通訊程序的設計;另一部分是基于組態(tài)軟件(力控)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)軟硬件各部分的功能及總體設計流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件總體設計流程

4.1 PLC 監(jiān)控軟件構(gòu)架

現(xiàn)場控制器程序的開發(fā)，需要以除濕機的結(jié)構(gòu)和工作原理為基礎(chǔ)，并結(jié)合系統(tǒng)的具體要求來實現(xiàn)。該系統(tǒng)的主要功能是通過對系統(tǒng)和環(huán)境的溫濕度，水、制冷劑和空氣的流量、速度等的監(jiān)控，完成對壓縮機、水泵、風機、風閥等的控制，進而將環(huán)境溫濕度控制在一定的范圍內(nèi)。PLC程序的工作流程如圖8所示。

圖8 PLC 監(jiān)控流程圖

為了能夠方便進行控制策略的更改和現(xiàn)場調(diào)試，編程時采用模塊化程序，以此來提高PLC控制系統(tǒng)的靈活性。其控制程序包括多個子控制部分:初始化控制、運行條件控制、通訊控制、送風溫度設定值控制、送回風機控制、供熱控制、水閥調(diào)節(jié)控制、制冷控制、除濕控制、預熱控制、加濕控制、靜壓控制、風量控制、故障掃描與處理控制等。系統(tǒng)控制程序的各個子程序之間不是相互獨立的，而是相互嵌套調(diào)用共同實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

PLC 對ADAM4000系列I/O模塊的輪詢是完成正常監(jiān)控任務的重要步驟，它使得PLC 能獲得除濕機各部分的狀態(tài)信息，這些數(shù)據(jù)為下一步的故障診斷、整機及變頻器控制和人機界面提供依據(jù)。PLC 對變頻器的監(jiān)控主要包括查詢和設置控制參數(shù)，在這兩者之間設置參數(shù)任務的優(yōu)先級高于查詢?nèi)蝿盏膬?yōu)先級。因此PLC 在沒有對其進行參數(shù)設置時始終執(zhí)行查詢?nèi)蝿?，以此保持對變頻器的監(jiān)測。

4.2 上位機軟件設計

在除濕機電氣控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)合理、控制功能完善的前提之下，監(jiān)控軟件的設計至關(guān)重要。監(jiān)控軟件應能夠保證整個系統(tǒng)高效可靠運行，能夠?qū)Τ凉駲C電氣控制系統(tǒng)進行實時的狀態(tài)監(jiān)測和在線故障診斷，確保除濕機安全地運行，并能夠有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理和提供完善的監(jiān)測報告。根據(jù)電氣控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的需要，采用模塊化的方法開發(fā)力控組態(tài)軟件相應功能模塊。上位機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 工控機監(jiān)控系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)圖

為了給用戶提供強大靈活的功能，力控提供了腳本編譯系統(tǒng)，具有自己的編程語言，語法采用類BASIC的結(jié)構(gòu)。這些程序設計語言，允許在力控基本功能的基礎(chǔ)上，擴展自定義的功能來滿足用戶各方面的需求。其功能十分強大，可以訪問和控制實時系統(tǒng)的所有組件，如實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警、報表、趨勢和安全等;同時，用戶通過腳本語言，可以實現(xiàn)從簡單的數(shù)字計算到用于高級控制的算法功能，可進一步提高故障診斷的智能性，對數(shù)據(jù)進行更全面的分析。

4.3 數(shù)據(jù)管理

實時數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的一個分支，它適用于處理不斷更新和快速變化的數(shù)據(jù)及具有時間限制的事物，它是實時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。實時數(shù)據(jù)庫主要用于過程控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)裝置運行過程中，實時數(shù)據(jù)庫記錄采集裝置的運行數(shù)據(jù)，隨時掌握裝置的運行狀況，并通過對生產(chǎn)過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，對出現(xiàn)的問題及時處理，使設備安全無故障運行，當設備運行狀態(tài)發(fā)生變化時可以及時做出反應，并且能夠存對數(shù)據(jù)進行較長時間的存儲。關(guān)系數(shù)據(jù)庫指采用關(guān)系模型來組織的數(shù)據(jù)庫，它是一個二維表格模型，關(guān)系模型指的就是二維表格模型，一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫就是由二維表及其之間的聯(lián)系組成的一個數(shù)據(jù)組織，目前關(guān)系數(shù)據(jù)庫廣泛應用于各個行業(yè)。

實時數(shù)據(jù)庫最大的優(yōu)勢是實時性，但它與實體無關(guān)，不能像關(guān)系數(shù)據(jù)庫一樣增加表，無法存儲人員、設備、生產(chǎn)管理等信息。這樣有明顯實體歸屬關(guān)系的業(yè)務邏輯就無法用實時數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。同時，實時數(shù)據(jù)庫目前并沒有統(tǒng)一的標準，各個實時數(shù)據(jù)庫客戶端工具基本上都是由廠商自己提供，沒有類似于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的查詢語言SQL，對外只提供API接口訪問，加大了與其他管理系統(tǒng)集成的難度，極易形成信息孤島。為了便于以后對數(shù)據(jù)進行分析處理，通常還需將數(shù)據(jù)保存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫服務器可以很好地解決這一問題。現(xiàn)場監(jiān)控服務器通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，然后將實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫，這就是該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫服務器的重要功能。系統(tǒng)選擇了Microsoft Access 2003 來作為除濕機遠程監(jiān)測與故障診斷的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。其創(chuàng)建過程如下:

(1)定義ODBC數(shù)據(jù)源和創(chuàng)建數(shù)據(jù)表

力控能夠和其他外部關(guān)系數(shù)據(jù)庫(支持ODBC訪問接口)進行數(shù)據(jù)傳輸。但實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸必須在系統(tǒng)ODBC數(shù)據(jù)源中定義相應數(shù)據(jù)庫。首先進入“控制面板”中的“管理工具”，雙擊“數(shù)據(jù)源(ODBC)”選項，彈出“ODBC數(shù)據(jù)源管理器”對話框，進行ODBC數(shù)據(jù)源的建立，并創(chuàng)建應用數(shù)據(jù)庫FDD1，在FDD1數(shù)據(jù)庫中按照系統(tǒng)的特點和實時數(shù)據(jù)平臺的設計創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。

(2)力控實時數(shù)據(jù)庫到關(guān)系數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)儲

在力控應用程序中啟動“ODBCRouter”，選擇“力控數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)儲到ODBC”，設置轉(zhuǎn)儲工程的名稱為“管理工程”，并選擇所提供的驅(qū)動程序，選擇連接的數(shù)據(jù)源，然后選擇轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)表，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲設置，采用變量控制轉(zhuǎn)儲的啟/停，定義變量“flag1”，當系統(tǒng)進行特征參數(shù)采集時，其值被置“1”，并觸發(fā)轉(zhuǎn)儲運行。

經(jīng)過以上組態(tài)設置，一旦有數(shù)據(jù)上傳、需要保存數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)就會自動通過數(shù)據(jù)庫連接文件把相關(guān)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中以供查詢使用。

5 結(jié)論

文章的核心是提出一種基于串口服務器的遠程網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，中心服務器通過串口服務器經(jīng)以太網(wǎng)對串口設備進行現(xiàn)場控制和數(shù)據(jù)采集，彌補了地下工程除濕機傳統(tǒng)管理方式的一些不足，有助于增加機電設備互聯(lián)性，提高信息共享度，充分利用設備資源，降低維護人員工作強度，提高工作效率。文中所設計的系統(tǒng)在實際的使用中，運行可靠，操作方便。而且，網(wǎng)絡的具體結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際的需要進行調(diào)整或變更，體現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活性。

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