實驗室智能監控系統設計*

吳大中,宋俊飛

(南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044)

實驗室是進行各種實驗工作的特殊環境。為了保證整個實驗室系統安全可靠地運行，實時檢測、監控實驗室各項環境參數，保證實驗室狀態穩定，并在發生意外或者系統出現故障時，自動采取一定的保護措施，設計一種智能實時監控系統是非常必要的。

本文提出一種分散式結構的SCADA智能實驗室系統，將原本由一個MCU處理的復雜任務分散給多個MCU共同處理，從而使系統的可靠性、穩定性及處理數據速度、系統效率大幅度提高，增強了系統的可擴展性和可改造性。

數據采集與監控系統SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)是以計算機、通信網絡為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。通過對現場的運行設備進行監視和控制，實現數據采集、設備控制、測量、參數調節及各類信號報警等功能[1]。根據SCADA系統結構，該智能實驗室 SCADA系統由 RTU、HMI、TCOM 3個層次構成。遠程控制單元RTU(Remote Terminal Unit)(即傳統的下位機),主要負責實驗室參數采集和控制；人機接口 HMI(Human Machine Interface)，主要負責提供良好的人機接口；遠程通信網 TCOM(Telecommunication)，用于HMI與各RTU之間的通信。

1 總體架構

智能實驗室總體架構由房間控制系統、氣流控制系統(即通風柜控制系統和閥控制系統)、遠程控制系統及人機接口部分組成。如圖1所示

房間控制部分是實驗室監控系統的核心，連接著PLC、閥控制器、通風柜控制器以及觸摸屏，主要負責采集房間參數，并發送命令給PLC、閥控制器、通風柜控制器，以控制整個實驗室的正常運行。氣流控制部分和閥控制器主要根據房間控制器發送參數和命令，PID調節房間送/排風，在保證房間最小換氣次數的前提下，保證房間的負壓環境。遠程控制部分由遠程PC和PLC組成，用戶可以通過PC機的上位機軟件發送命令給PLC和房間控制器，從而達到遠程控制整個系統的效果。

圖1 系統總架構

人機接口除了遠程PC外，每個房間控制器都配有一臺7英寸液晶觸摸屏，用戶可以通過觸摸屏發送命令給房間控制器，控制整個系統的運行。此外，監控系統還包含報警裝置，當房間參數超出設定值，或者出現毒氣泄漏等危險情況時即刻發出報警信號。

2 房間控制部分

房間控制部分由房間控制器和傳感器組成。房間控制器以STM32F105RB處理器為主控制 MCU，通過AI模塊采集溫度、濕度、壓力、風量等信息，并通過DI模塊采集開關量信息，通過AO模塊調節系統的送/排風量和溫度，通過DO模塊改變系統各開關量的輸出狀態，房間控制部分結構如圖2所示。

STM32F105RB是基于ARM CORTEX-M3核的32位RISC處理器，相比 ARM7速率提高 1/3，功耗降低 3/4，最高運行頻率可以達到72 MHz。配備CAN模塊、RS485串口模塊、電源模塊、8位DI及6位DO模塊。不僅涵蓋了現有的STM32F103的功能，而且在此基礎上增加了網絡功能[2]。

溫度檢測模塊采用瑞士偉拓Vector室內溫度傳感器SRA-T1，EEPROM自動保存最值記錄，具有掉電存儲功能。SRA-T1室內溫度變送器感溫敏感元件是NTC電阻，變送器電路的微處理器每秒對溫度采樣一次。濾波時間計算信號平均值，并且根據濕度量程做線性變換，然后產生信號輸出，保證外部干擾對此變送器影響最小。默認濾波平均時間 10 s，測量范圍 0～+50℃(+32～+122°F)。本系統每個房間配置一個SRA-T1室內溫度傳感器，采用24 V直流供電，輸出0～10 V電壓，接入房間控制器的AI模塊。房間控制器將電壓轉換為溫度，儲存在RAM中，最后在上位機上顯示。

圖2 房間控制系統結構圖

3 氣流控制部分

無論應用于何種行業，實驗室氣流控制系統對于實驗室人員的人身安全都是至關重要的。必須確保實驗室有毒氣體從通風柜安全排放，維持合適的溫/濕度環境和實驗室負壓。因此實驗室通風系統在智能實驗室系統中具有很重要的作用。

監控系統送排風采用全新風直流式裝置及壓差和溫差控制，響應快速。送風空調機將室外風處理至送風狀態，然后送入實驗室內，補充實驗室排風，維持實驗室內溫/濕度和負壓環境[3]。送風機和排風機各2臺，一用一備。由于實驗室是全新風系統，實驗室送風量較大，導致系統能耗和運行的電費較大，故將PLC和變頻器技術[4-5]應用于實驗室控制系統中，通過檢測管道末端壓力，調節變頻器頻率，在保證房間最小換氣次數的前提下，降低送風量，從而達到節能、減少功耗的目的。各控制器通信圖如圖3所示。

圖3 各控制器通信圖

氣流控制中，通風柜控制器首先通過AO模塊將調節門開度發送給排風文丘里閥控制器，并通過485總線將通風柜開關機狀態、面風速、緊急排風等信息傳輸給排風文丘里閥控制器。然后排風文丘里閥控制器根據調節門開度，應用PID方法通過排風文丘里閥開度調節排風量，同時排風閥控制器會將閥開度反饋給通風柜控制器，通風柜會將閥開度與調節門開度進行比較，判斷閥控制器是否正常運行。排風閥控制器還會通過AO模塊將排風量發送給房間控制器，并通過CAN總線將通風柜各種信息發送給房間控制器。房間控制器會將采集到的排風量發送給送風文丘里閥，送風文丘里閥會根據排風量調節送風閥開度，從而調節送風量，并且送風閥控制器會將實際送風量反饋給房間控制器。最后房間控制器會將通風柜信息、送/排風量、溫/濕度及壓力等信息顯示在觸摸屏上。由此得出監控系統氣流控制部分的關鍵在于通風柜系統，只要調節門開度發生改變，則排風量發生改變，隨之送風量也相應發生改變，而且在幾毫秒內響應。

4 RTU軟件

系統軟件設計采用傳統的無限循環方式，開發平臺采用KeilMDK，采用STM32固件庫VER3.5版本開發程序[6]。按照靈活性和可重新配置原則，每個 AI、AO、DI、DO端口都可以配置成為不同的功能，如AI1既可以作為溫度傳感器的輸入,也可以作為壓力傳感器的輸入，同一時刻只能配置一個功能，可以通過上位機軟件或者觸摸屏設置[7]。

主程序運行流程如圖4所示，當系統上電后，首先進行設備初始化，然后系統會在每次循環的開始重啟13路ADC通道，采集各AI的輸入，并通過DMA保存到RAM中[8]。在中斷函數中，系統時鐘每 10 ms產生一次中斷，將 c_task[TASK4].TaskStatus置“1”，因此主循環中會首先執行 TASK4：DisposalRoomEvent()，程序會進行手動模式和自動模式選擇，默認情況下為自動模式。在手動模式下，風機以工頻形式運行，系統會根據手動輸入值改變各房間參數和系統參數。自動模式下，風機以變頻模式運行，系統會根據房間溫度和壓力情況，自動調節水閥開度和通風柜風量大小。

圖4 主程序流程圖

主循環是系統軟件核心，主要負責數據的采集、存儲以及與氣流控制系統數據的交換。主循環共有5個任務[1]：(1)TASK1執行的是串口1接受數據處理任務、完成房間控制器與PLC之間的數據通信；(2)TASK2執行的是串口2接受數據處理任務，完成房間控制器與觸摸屏之間的數據通信；(3)TASK3執行的是串口3或者CAN總線接受數據處理任務，完成房間控制器與通風柜之間的通信；(4)TASK4的作用是處理房間參數和系統參數；(5)TASK5用來保存房間參數和系統參數。

基于PLC+STM32的智能實驗室SCADA系統，利用PLC和變頻器技術調節風機頻率，節約能耗，提高了設備的穩定性和可靠性。利用CAN總線和串行總線將STM32、PLC、傳感器、觸摸屏組成網絡，可方便地監控實驗室設備的運行狀態。另外，利用智能PID技術調節系統送/排風以及房間溫度，提高了系統的動/穩態性和自適應性，保證了實驗室溫度、壓力、濕度維持在一個極小的波動范圍內，確保了實驗室的正常工作環境。

通過以太網將多個PLC和中央控制室工控計算機聯網，實現風機和實驗室的遠程監控以及手動模式和自動模式的切換。該系統已在某海關運行，調試結果表明，系統運行穩定，各項參數都能滿足安全控制要求，極大降低了系統的能耗，保證了實驗室工作環境的安全性及舒適性。

[1]陳 穎.SCADA系統通信軟件研究與設計[D].南京:東南大學,2006.

[2]周計文,王輝.基于ARM的智能家居控制器的設計[J].微計算機信息,2007,8(2):149-151.

[3]儲云峰.施耐德電氣可編程控制器原理及應用[M].北京:機械工業出版社,2007.

[4]賀亮.基于PLC的高清電子警察控制系統的研制[J].計算機應用與軟件,2012,29(5):241-243.

[5]洪群歡,呂昂.一種基于STM32的溫室 SCADA系統[J].農機化研究,2010(5):128-132.

[6]周先春,石蘭芳，周杰．一種出租車調度中心系統的設計[J]．電子技術應用，2012,38(3):136-138.

[7]張楠.可配置遠程溫度監控SoPC系統設計與實現[J].計算機應用與軟件,2012,29(6):61-200.

[8]劉建成，李樂樂，李浩,等.煤礦瓦斯氣體自動取樣裝置的設計與實現[J].電子技術應用，2013,39(7):77-79.