除濕機遠程監控網絡的設計

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的飛速發展，對電氣設備自動化要求也越來越高。隨著現場總線和以太網技術的不斷成熟，為遠程自動化監控提供了重要技術支撐。工業組態軟件作為一款融過程控制、現場操作以及數據庫管理于一體的工業控制軟件包，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，傳統的監控方式給設備管理、數據采集和集中管理帶來極大不便，同時也不能進行實時監測。針對以上不足，作者將網絡技術與設備現場控制技術相結合，設計出一種基于串口服務器的除濕機遠程監控系統。

1 系統結構設計

由于地下工程中的除濕機布局分散，但控制與數據處理卻要求集中。基于“分散控制，集中處理”的控制要求，系統整體架構如圖1所示。

圖1 監控網絡整體架構

控制網絡采用主流的3層設備加2層網絡的“3+2”結構:3層設備分別指現場執行與數據采集設備，由變頻器、壓縮機、風機、數據采集器和傳感器等組成;中間級控制與通訊轉換設備，由設備控制器S7-200PLC、觸摸屏、串口服務器和交換機組成;最高級監管控制部分，由服務器、操作站、數據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場控制。2 網絡指上層的管理網，由串口服務器的以太網接口部分與上位機之間的TCP/IP 網絡和串口服務器的串行接口部分與現場控制器組成;下層的控制網，由現場控制器和現場設備組成，兩者之間通過串行通訊交換數據。

2 現場控制網設計

在底層的控制網中，串行RS485 總線是最常用的電氣標準，Modbus 協議作為一種公開的通訊協議，被廣泛應用于控制網通訊。Modbus 協議采用主/從式通信，在網絡中一個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，需要在網絡中間增加RS485 中繼器以保證信號的質量。作者所構建的Modbus控制網拓撲結構如圖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，用以完成現場傳感器信號采集。

圖2 Modbus 監控網絡拓撲結構

2.1 變頻器的控制連接

TVF8040 通過串行RS485 總線與現場控制系統進行通訊，其通訊規約為標準Modbus 協議。在出廠時該協議并未激活，激活后變頻器才能與網絡中的Modbus Master 進行通訊。為了實現與主站的通訊進行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;

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 數據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模塊要實現與S7-200PLC 通訊完成數據采集任務，就需要對其進行適當的配置，將模塊的init* 和GND 短接，重新上電后，這時進入模塊的初始化狀態，就可以配置模塊的地址、通訊速率、量程范圍、數據格式、工作方式和通訊協議等。ADAM-4015/4017+均支持Modbus 協議，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ADAM 從站模塊和PLC 主站的通訊，其通訊參數設置需要和主站一致，最后執行【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 系統管理網設計

對于管理網的構建，作者提出一種基于協議轉換功能的串口服務器的新型網絡連接方式，如圖5所示，以低成本實現上位機與S7-200系列PLC 在以太網或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，通過友好界面實現對系統的監測與控制功能。

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上，實現異構組網的設備。該系統中串口服務器的功能是:把從現場控制器(PLC)發來的協議打包成TCP/IP 識別的Socket套接字并發往上位機;同時，將上位機發來的Socket套接字和端口號進行解析發往相應串口。如圖6所示分別為其軟/硬件體系結構。

圖6 串口服務器軟/硬件體系結構

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上位機同PLC的TCP/IP 網絡通訊。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。

該系統串口服務器選用臺灣MOXA 公司的DE-311型產品。該型產品有一個可設置類型的串口和一個10/100 MB的以太網接口，串口類型的設置通過撥碼開關實現，可在RS232、RS422 和RS485 中根據實際情況進行選擇，方便將各種帶有標準異步串口的設備連接到以太網中。串口服務器內置有以太網和TCP/IP 協議，因此在使用前必須進行配置，才能使聯網工控機和現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，串口通訊參數的設定和訪問控制的設置。

4 軟件程序總體設計

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

圖7 系統軟件總體設計流程

4.1 PLC 監控軟件構架

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

圖8 PLC 監控流程圖

為了能夠方便進行控制策略的更改和現場調試，編程時采用模塊化程序，以此來提高PLC控制系統的靈活性。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、水閥調節控制、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，而是相互嵌套調用共同實現系統功能。

PLC 對ADAM4000系列I/O模塊的輪詢是完成正常監控任務的重要步驟，它使得PLC 能獲得除濕機各部分的狀態信息，這些數據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。PLC 對變頻器的監控主要包括查詢和設置控制參數，在這兩者之間設置參數任務的優先級高于查詢任務的優先級。因此PLC 在沒有對其進行參數設置時始終執行查詢任務，以此保持對變頻器的監測。

4.2 上位機軟件設計

在除濕機電氣控制系統硬件結構合理、控制功能完善的前提之下，監控軟件的設計至關重要。監控軟件應能夠保證整個系統高效可靠運行，能夠對除濕機電氣控制系統進行實時的狀態監測和在線故障診斷，確保除濕機安全地運行，并能夠有效實現數據庫的管理和提供完善的監測報告。根據電氣控制系統狀態監測與故障診斷的需要，采用模塊化的方法開發力控組態軟件相應功能模塊。上位機監控系統結構如圖9所示。

圖9 工控機監控系統設計結構圖

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，具有自己的編程語言，語法采用類BASIC的結構。這些程序設計語言，允許在力控基本功能的基礎上，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的所有組件，如實時數據、歷史數據、報警、報表、趨勢和安全等;同時，用戶通過腳本語言，可以實現從簡單的數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，對數據進行更全面的分析。

4.3 數據管理

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

實時數據庫最大的優勢是實時性，但它與實體無關，不能像關系數據庫一樣增加表，無法存儲人員、設備、生產管理等信息。這樣有明顯實體歸屬關系的業務邏輯就無法用實時數據庫來實現。同時，實時數據庫目前并沒有統一的標準，各個實時數據庫客戶端工具基本上都是由廠商自己提供，沒有類似于關系數據庫的查詢語言SQL，對外只提供API接口訪問，加大了與其他管理系統集成的難度，極易形成信息孤島。為了便于以后對數據進行分析處理，通常還需將數據保存在關系數據庫中，數據庫服務器可以很好地解決這一問題。現場監控服務器通過對現場數據進行采集，然后將實時數據庫數據轉儲到關系數據庫，這就是該系統中數據庫服務器的重要功能。系統選擇了Microsoft Access 2003 來作為除濕機遠程監測與故障診斷的關系數據庫。其創建過程如下:

(1)定義ODBC數據源和創建數據表

力控能夠和其他外部關系數據庫(支持ODBC訪問接口)進行數據傳輸。但實現數據傳輸必須在系統ODBC數據源中定義相應數據庫。首先進入“控制面板”中的“管理工具”，雙擊“數據源(ODBC)”選項，彈出“ODBC數據源管理器”對話框，進行ODBC數據源的建立，并創建應用數據庫FDD1，在FDD1數據庫中按照系統的特點和實時數據平臺的設計創建數據表。

(2)力控實時數據庫到關系數據庫轉儲

在力控應用程序中啟動“ODBCRouter”，選擇“力控數據庫轉儲到ODBC”，設置轉儲工程的名稱為“管理工程”，并選擇所提供的驅動程序，選擇連接的數據源，然后選擇轉儲的數據表，進行數據轉儲設置，采用變量控制轉儲的啟/停，定義變量“flag1”，當系統進行特征參數采集時，其值被置“1”，并觸發轉儲運行。

經過以上組態設置，一旦有數據上傳、需要保存數據時，系統就會自動通過數據庫連接文件把相關數據保存到數據庫中以供查詢使用。

5 結論

文章的核心是提出一種基于串口服務器的遠程網絡監控系統，中心服務器通過串口服務器經以太網對串口設備進行現場控制和數據采集，彌補了地下工程除濕機傳統管理方式的一些不足，有助于增加機電設備互聯性，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。文中所設計的系統在實際的使用中，運行可靠，操作方便。而且，網絡的具體結構可以根據實際的需要進行調整或變更，體現了系統的靈活性。

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