電氣設備的嵌入式遠程監控系統的設計

趙 晶，湯宏穎，周建振 ，丁聰聰

（1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，昆明 650500；2.中國電信滄州分公司，滄州 061000；3.南車株洲電力機車研究所有限公司，株洲 412000）

隨著科學技術的發展和工業規模的擴大，電氣自動化程度的日益提高，電氣設備的智能化管理已成為電氣行業發展的重要任務。其中，裝置控制室與配電室之間的信息檢測，在現代化電氣智能管理中顯得尤為重要。尤其在一些重要場所，如石油化工企業生產裝置中，需要更直觀方便地對現場設備運行狀態、電流、電壓進行了解，同時設備的變位控制命令即電機的啟動或容許啟動、停機等動作，也需要做一個記錄，以便后續的管理和查詢。

本文所介紹的智能網絡管理系統，能有效地進行裝置控制室與變配電室之間的信息指令監測，并對被控電機等用電設備的運行狀態、電壓、電流進行實時監控；可以滿足生產實際使用要求，提高電氣智能化管理，有效地降低操作時間及成本，使生產過程中的電氣控制更加安全、便捷、可靠。

本系統在硬件設計方面，以高性能微處理器ARM為核心，通過可以觸控的顯示屏進行人機對話，并輔以相應的外圍接口電路進行通訊和信號采集。在軟件設計方面，采用C語言開發，應用Linux嵌入式開發系統作為開發平臺，實現了系統的高度智能化、提高了系統的可靠性，體現了該系統的靈活性和智能性。

1 系統總體設計

近年來，嵌入式應用領域中以ARM處理器發展最為突出，ARM被公認為業界領先的，優秀的32位嵌入式處理器結構。ARM系列處理器憑借高性能、低成本和低功耗等特點，在嵌入式領域占據了絕對市場份額[1-2]。系統選用的是ARM9處理器S3C2440，被廣泛應用于嵌入式系統中。

1.1 系統構成

嵌入式智能遠程監控系統主要用到的智能設備有RS485通訊管理機、以太網交換機EDS-205、帶有RS485接口的智能IO（輸入輸出）信號采集模塊STC-101、多個中間繼電器、多臺24 V直流電源和觸控顯示屏。本文為了展示方便，將多路電路簡化為2路為例進行說明，具體結構框圖如圖1所示，系統的拓撲結構為1個3層的分布，分為控制層、通訊層和采集層。其中上層為控制層，由一個嵌入式主控制器和1臺8寸的觸控顯示屏作為人機交互操作平臺，它們之間連接有RS232總線。嵌入式主控制器通過RS232總線將電機運行狀態、電流、電壓和上位機所發出的控制命令信息傳輸到觸控顯示屏并顯示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure diagram

中間層為通訊層，它由以太網交換機連接的多個485通訊管理機組成。以太網交換機采用EDS-205 5口非網管交換機，作為嵌入式主控制器與其他通信設備連接的中間節點，它可以擴展出5個通信網口，能夠通過以太網連接多個485管理機。485通訊管理器可以同時連接多個從機設備（電機綜合保護器和輸入輸出采集模塊STC-101），以Modbus通訊方式同時接收多臺從機設備傳送回來的信息。其中STC-101支持Modbus協議，具有16路接口，能夠滿足采集多路電路信息，并自帶有10 M/100 M以太網口、RS485和RS232接口，能夠和交換機直接通訊，以滿足實際需要。

底層是采集層，控制室的上位機通過控制中間繼電器的線圈來控制電機及其他用電設備的起動和停止。STC-101 IO（輸入輸出）智能采集模塊用來采集中間繼電器的啟停信號，再將記錄的數據儲存起來備查。RS485通信管理器還可以通過485總線連接采集層中帶有RS485接口的電機綜合保護器，用來采集電機的開關狀態和運行狀態、電壓、電流等信息。

1.2 嵌入式智能網絡監控系統主要功能

系統的嵌入式控制器主要有以下功能：

（1）轉發上位機發出的控制命令（起動、停機、容許起動）參與電機等設備的運行控制；

（2）采集、記錄和存儲上位機控制信號動作變化（記錄上位機發出的指令），并記錄發生時間和性質，以備日后事故查詢，且信號采集動作不影響原設備功能。

（3）以服務器模式巡檢下面的以太網交換機連接的485通訊管理機，并從STC-101模塊采集線路狀態，同時從電機綜合保護器中可以獲取電氣設備的運行狀態、電壓、電流等信息，用RS485總線或以太網將數據傳送到上位機儲存和顯示，同時數據也可以通過U盤導出；

（4）有統計查詢動作數據記錄的功能，可供工作人員分析處理；

（5）通過觸控顯示屏在本地顯示監控線路狀態，查詢上位機變位數據，并且可以進一步設置采集到的數據對應的內容信息。

2 硬件電路介紹

2.1 嵌入式控制器介紹

嵌入式主控制器主要是以ARM9為核心，采用Linux嵌入式作為操作系統平臺，其外圍電路主要包括128 MB內存、256 MB Flash閃存、RS232顯示器接口、RS485串行接口、時鐘脈沖電路、CAN總線接口、100 MB通訊網口、SD卡儲存和USB接口等。具體結構如圖2所示。

主控制器的主要功能和各外圍電路的作用為

（1）RTC時鐘脈沖電路具有啟動系統、計時、提供系統時鐘的作用；

（2）128 MB內存和256 MB閃存用來儲存應用程序和參數設置的數據；

（3）SD卡用于存儲設備信號數據記錄；

（4）RS485串口作為通信接口與信號控制室的上位機進行通訊，485通訊管理機通過RS485總線獲取各個電氣設備的運行狀態、電壓、電流等信息；

圖2 嵌入式控制器Fig.2 Embedded controller

（5）RS232串口為主控制器與觸控顯示屏的通訊接口；

（6）USB接口方便用U盤把所儲存的設備記錄拷出，為后續系統升級和寫系統內核服務[3]。

2.2 智能通訊模塊和智能采集模塊

以太網交換機采用的是EDS-205交換機，它是一種5口工業非網管以太網交換機，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x，即（標準設定傳輸速度為10 M/100 Mb/s），同時支持全/半雙工的工作方式。并且具有MDI/MDI-X自適應RJ-45端口，RJ-45端口可作為網絡通信接口[4]。

RS485通訊管理器NPort5430為串口設備連接到以太網提供了便捷的傳輸方式，只需要簡單的配置就可將現存的串口設備連接上網絡，它可以在串口和以太網接口之間進行雙向數據傳輸。其主要組成有10 M/100 M自適應以太網口，4個串口，支持RS232和RS485總線通訊，支持Socket操作模式，包括TCP Server、TCP Client和 UDP協議，支持網絡管理協議SNMP MIB-II，并具有隔離保護功能。

信號采集層主要由中間繼電器和IO采集模塊組成，其中IO采集模塊采用RS485 IO采集模塊STC-101，它有16路開關量光電隔離輸入，支持脈沖計數及SOE（事件順序記錄）；且具有標準的RS485和RS232通信口，支持Modbus協議的ASCII和RTU 2種方式。它的可靠性高，具有較強的抗干擾能力[5]。

2.3 智能遠程監控系統的原理

首先，介紹一下采集上位機的控制指令信息的過程。當控制室的上位機發出控制指令時，根據控制指令，接通指定的接點來驅動對應的中間繼電器的線圈。中間繼電器有2組觸點，主觸點參與電機控制，可以接成“啟動”、“關閉”或“運行啟動”3 種回路。輔助觸點接STC-101，作為上位機指令變位記錄儲存使用，STC-101它通過485總線將數據傳輸給485通訊管理機。

然后，介紹電機等設備狀態、電壓、電流的采集與傳輸。電機所帶有的綜合保護器自帶RS485接口，運行狀態、電壓、電流等信息可通過485總線傳輸給485通訊管理機。每個485通訊管理機都是嵌入式主控制器的從機，從機將所接收到的數據再通過以太網傳輸給以太網交換機EDS-205，它再以Modbus協議的主-從通訊方式通過以太網傳輸給嵌入式主控制器，在嵌入式主控制器上儲存并顯示，嵌入式主控制器也可以通過485總線或以太網與控制室的上位機直接進行數據通訊。

3 軟件設計

3.1 Linux操作系統及性能分析

Linux嵌入式操作系統憑借廣泛的移植性，支持多種網絡協議，以及其非常可靠的穩定性，在工業生產技術中得到廣泛應用。

隨著Linux在嵌入式領域應用的推廣，嵌入式Linux的實時性得到很大提高。相對于傳統的Linux，Linux2.6中通過配置就可以搶占高優先級內核空間進程的資源[6-7]，從而增強實時性能。為了更好地滿足用戶很多實時應用的需求，還需要在內核中增加延遲鎖[8]，進一步提高系統的實時性。

由于嵌入式系統的硬件是隨具體應用而定的，因此對應不同的嵌入式系統，為配合具體硬件的工作目的，需要對已有的內核代碼進行裁剪，去除本系統不需要的硬件系統，刪除用不到的功能模塊，裁剪后可以有很明顯的性能提高[9]。

3.2 應用程序的編寫

3.2.1 基于以太網的系統通信

本系統采用在工業中廣泛使用的Modbus協議來進行主控制器和各個通訊設備之間的通信。Modbus協議按主從方式進行網絡通信，采用的是主機查詢和從機回復的消息結構[10-11]。

主控制器從以太網交換機中接收采集來的數據，需要借助以太網進行通訊，以太網是應用最為廣泛的局域網，它符合IEEE802.3協議。以太網通信需要借助Socket編程才可以實現遠程控制，用戶可以借助Socket所具有的通信技術，再加上一些受計算機系統控制的API，就能實現對指定設備的控制[12]。以太網套接字的創建采用標準的網絡套接字操作來完成，其分為服務端和客戶端程序，主要有以下步驟[13]：

（1）套接字初始化。其中包括創建Socket套接字、綁定端口地址，Bind（）函數用來綁定一個口號到套接字，Bind（）函數在套接字與所指定的口號之間建立一個連接；

（2）初始化一個連接。客戶端必須發送Connect（）函數來指定套接字號、遠端IP地址和遠端監聽口號，向服務端發送連接請求的信息；

（3）服務端使用Listen（）函數監聽是否有遠程的客戶端申請與本地進程通信，當檢測到客戶端的連接請求時，利用Accept（）函數發送響應到指定客戶端；

（4）Send（）和 Receive（）函數專門用于已經連接的套接字進行發送和接收數據；

（5）完成通信后，關閉監聽并釋放與上位機的Socket連接。具體程序流程圖如圖3所示。

圖3 Socket通訊程序流程圖Fig.3 Program flow chart of Socket communication

3.2.2 RS485串口數據通迅的程序設計

在系統中，RS485串口通信不僅負責交換機與485通訊管理機之間的數據傳輸，同時在主控制器與上位機之間也可以用RS485串口通信，所以串口通訊在系統中起著至關重要的作用。上位機與主控制器之間的RS485串口通訊程序流程圖如圖4所示。

圖4 上位機通過串口讀取數據的程序流程圖Fig.4 Program flow chart of the host computer via the serial port to read the data

3.2.3 USB端口導出數據程序設計

本系統除了能夠將數據傳送到控制室的PC機上顯示，還可以通過USB端口將數據導出，方便用戶對數據進行后續處理。導出程序如下：

3.2.4 數據采集及處理模塊的設計

本系統的數據采集與處理模塊主要包括對數據的采集、儲存和查詢檢索功能。

嵌入式主控制器與其他通訊設備之間的通訊都是依照Modbus協議來編寫通信程序。在本系統中，IO信號采集STC-101和電機綜合保護器等通訊模塊為從設備，從設備利用ARM的DMA控制方式進行數據的采集和傳輸[13]。

嵌入式主控制器主動發起網絡中的通信，連續地向各個從設備發送命令；各個從設備根據接收到的命令給主控制器以相應的回應信息。主控制器的程序根據接收的數據判斷是否接收到從設備的回應，為增強可靠性，程序中設置了2個超時檢測，一個是檢測從設備回應超時，另一個是檢測一幀數據的結束，當超過設定的時間接收不到字符，就認為接收結束[11]。程序中還增加了錯誤處理，主要是對地址碼和CRC碼的錯誤及通訊故障進行處理。主控制器的數據傳輸程序流程圖如圖5所示。

圖5 數據采集及處理流程圖Fig.5 Flow chart of data acquisition and processing

4 結語

本文介紹了一種基于ARM9的嵌入式電氣設備遠程智能監控系統的設計與實現。系統中主要有數據采集終端、數據傳輸和數據展示等。其采用Modbus協議作為通訊協議，采用具有強大功能和豐富接口的ARM9作為嵌入式控制器，具有操作簡單、使用方便、能夠適應復雜環境等特點，為控制室的操作人員與工廠設備之間搭建了橋梁，使得操作人員能夠更加清晰直觀地看見其發出的控制命令是否能夠被電機設備準確執行，同時也逐條記錄了所發出的控制命令，為以后的數據查詢提供了依據。

設計成果已經實際應用到了工廠設備的電機信息采集中，本系統具有非常高的穩定性和可靠性，可以應用到如礦井、鍋爐房等條件較惡劣的環境中，具有一定的實際意義。

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