陶 濤， 孟祥印, 張楓沛， 宋 波

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

在傳統(tǒng)燃?xì)鈭稣緶y控系統(tǒng)中，現(xiàn)場設(shè)備實時監(jiān)測與控制是最重要的環(huán)節(jié)[1,2]。傳統(tǒng)燃?xì)鈭稣緶y控系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和遠程上位機的數(shù)據(jù)傳輸依靠單一的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)一旦故障時，上位機將無法和現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)交換，更無法保證整個場站現(xiàn)場的安全穩(wěn)定運行。本文提出了一種基于以太網(wǎng)和通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)冗余通信的燃?xì)鈭稣緶y控系統(tǒng)設(shè)計，旨在保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不間斷傳輸，提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由現(xiàn)場電氣設(shè)備、下位機和上位機組成，如圖1所示。下位機控制系統(tǒng)以STM32為核心，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，包括壓力、溫度、流量、泄漏情況以及加臭參數(shù)。上位機由一臺裝有WINCC組態(tài)軟件編寫的監(jiān)控軟件的計算機機構(gòu)成，負(fù)責(zé)對燃?xì)鈭稣镜倪h程監(jiān)測與控制。系統(tǒng)工作時，下位機通過RS—485通信接口或者模擬量接口與現(xiàn)場電氣設(shè)備連接，通過其集成的液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)液晶屏與上位機IP地址綁定，下位機采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)整合后自行判斷當(dāng)前以太網(wǎng)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通斷狀態(tài)，根據(jù)決策結(jié)果選擇相應(yīng)的通信方式將整合數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。上位機則根據(jù)所記錄的最近一次的上傳數(shù)據(jù)的通信方式將控制指令發(fā)送至下位機。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2 硬件電路設(shè)計

2.1 硬件組成

整個硬件系統(tǒng)由6部分構(gòu)成，即處理器部分、電源部分、網(wǎng)絡(luò)部分、LCD部分、數(shù)據(jù)采集部分和控制輸出部分，硬件架構(gòu)如圖2所示。其中數(shù)據(jù)采集部分主要包括模擬量輸入電路(4～20 mA)、數(shù)字輸入電路和RS—485電路?？刂戚敵霾糠职M量輸出電路、數(shù)字輸出電路和RS—485電路。

圖2 硬件構(gòu)架

處理器模塊采用STM32F407[3～5]。在電路板設(shè)計中搭配使用LM817光耦隔離芯片，保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時不受外界的干擾。系統(tǒng)供電為寬電壓供電(7～40 V)，搭配使用LM2576S—5和ASM17—3.3芯片將電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V，直接為通信電路和系統(tǒng)芯片供電。

2.2 通信電路

STM32F4系列內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制(medium access control,MAC)控制器，外加一個PHY芯片即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能[6]。系統(tǒng)選擇LAN8720A作為STM32F4的PHY芯片，芯片采用RMII接口與STM32F4通信，占用I/O較少，且支持auto mdix(可自動識別交叉、直插網(wǎng)線)功能[7]。同時集成設(shè)計一個RJ45頭，共同組成10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)卡。

GPRS無線通信主控芯片采用安信可GSM/GPRS A6芯片。芯片支持GSM/GPRS4個頻段，包括850，900，1 800，1 900 MHz；同時芯片只要激活GPRS數(shù)據(jù)后，將不存在掉線問題，芯片集成2個串口，可直接與STM32串口通信。

2.3 模擬量輸入電路

現(xiàn)場壓力變送計、溫度變送計和泄漏探測儀輸出信號均為4～20 mA電流信號，STM32 ADC只能接收0～3.3 V電壓信號，故模擬量輸入電路需要將現(xiàn)場儀器電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。系統(tǒng)采用線性光耦芯片HCNR201能夠有效避免現(xiàn)場的各種噪聲干擾引入控制系統(tǒng)，同時滿足工作區(qū)域電流轉(zhuǎn)換為電壓的線性度要求。如圖3所示，模擬量輸出電壓與電流關(guān)系為

(1)

式中K=1；R1為可調(diào)電阻值，Ω；R5,R3為固定電阻值，Ω。

圖3 模擬量輸入電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計基于Keil uvision 5集成環(huán)境開發(fā)，采用面向硬件開發(fā)的C語言編程開發(fā)。下位機以μC/OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)[8]，結(jié)合emWin圖形庫進行用戶設(shè)置界面開發(fā)。以太網(wǎng)采用小型開源的TCP/IP協(xié)議棧LWIP[9]。

系統(tǒng)工作流程如圖4所示，待系統(tǒng)以太網(wǎng)和GPRS部分初始化完成后，進入循環(huán)檢測是否有數(shù)據(jù)采集完成待上傳，是,則系統(tǒng)進入網(wǎng)絡(luò)判斷決策函數(shù)：首先檢測PHY芯片是否正常連接，即以太網(wǎng)是否存在物理連接，若檢測到PHY處于斷開狀態(tài)，則系統(tǒng)選擇GPRS進行數(shù)據(jù)上傳；若PHY芯片連接正常，則進行TCP/IP連接狀態(tài)，若檢測未能成功與上位機綁定，則系統(tǒng)選擇GPRS進行數(shù)據(jù)上傳；反之，若檢測成功則啟動以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)上傳。

當(dāng)系統(tǒng)選擇GPRS進行通信時，若檢測GPRS正常則啟動GPRS數(shù)據(jù)傳輸，等待數(shù)據(jù)傳輸完成后將以太網(wǎng)部分重置并進入下一個數(shù)據(jù)上傳等待循環(huán)；若檢測GPRS掉線則將以太網(wǎng)和GPRS進行重置，并再次嘗試數(shù)據(jù)發(fā)送，直到數(shù)據(jù)發(fā)送正常后進入下一次數(shù)據(jù)上傳等待。

4 WINCC監(jiān)控界面

在WINCC組態(tài)軟件[10～13]中，其自定義變量用于存儲下位機上傳的數(shù)據(jù)，并通過WINCC軟件開發(fā)功能在設(shè)計的監(jiān)控界面上顯示出與其對應(yīng)的變量值。在監(jiān)控軟件中，用戶通過登陸界面進入主界面，其中主界面包括七個子版塊，即工藝畫面、趨勢圖、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、歷史數(shù)據(jù)、報表查詢、事件記錄及用戶管理。在工藝畫面中可以實時監(jiān)控各個儀表參數(shù)，也可設(shè)置出口壓力和加臭參數(shù)等。

圖4 下位機工作流程

5 實驗與結(jié)果

在實驗室測試該系統(tǒng)，以太網(wǎng)正常通信時，采用人為破壞方式，GPRS均能在100 ms內(nèi)介入傳輸過程。同時當(dāng)系統(tǒng)檢測到以太網(wǎng)滿足通信條件時，系統(tǒng)能自動恢復(fù)以太網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù)。

將該系統(tǒng)引入到某市燃?xì)夤镜娜細(xì)忾T站，并在該公司的中控大樓監(jiān)控中心處工控機安裝監(jiān)控軟件，如圖5所示。表1為該燃?xì)忾T站8︰00～18︰00間，每隔2 h一次現(xiàn)場民用燃?xì)鈹?shù)據(jù)，其中11︰00～16︰00采取人為中斷以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)均能穩(wěn)定以GPRS傳輸至中控室，且在17︰00后，恢復(fù)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)則恢復(fù)以太網(wǎng)上傳方式。

圖5 調(diào)試現(xiàn)場

時間進口壓力/kPa出口壓力/kPa流量/(Nm3/h)溫度/℃8︰001500402.0172918.210︰001550411.265418.212︰001650423.2189018.214︰001780411.265418.316︰001840404.0149318.218︰001570395.1212018.2

6 結(jié) 論

設(shè)計了一種以太網(wǎng)和GPRS冗余通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成μC/OSⅡ以及emWin，具有操作簡單，實時性高和維護簡單特點。經(jīng)現(xiàn)場測試，該冗余通信測控系統(tǒng)能夠快速在以太網(wǎng)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)2種通信方式切換，并且在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后能自行重置網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)重連，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)傳輸，提高了天然氣場站測控的可靠性和穩(wěn)定性，具有一定的推廣價值。