基于Labveiw的試驗(yàn)設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 偉，陳臻科

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

基于Labveiw的試驗(yàn)設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 偉，陳臻科

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

中央集中監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于中大型試驗(yàn)場(chǎng)地或試驗(yàn)中心的統(tǒng)一管理、及時(shí)響應(yīng)緊急狀況、減少工作強(qiáng)度及人員具有現(xiàn)實(shí)而重要的意義?；贚abView的試驗(yàn)設(shè)備的集中監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)不同試驗(yàn)設(shè)備的適應(yīng)性改造，以上位機(jī)為控制核心。通過以太網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成環(huán)形以太網(wǎng)，其主要功能為采集試驗(yàn)設(shè)備的溫度或濕度信號(hào)。

試驗(yàn)；LabView；集中監(jiān)控

概述

長期以來，大型試驗(yàn)中心存在試驗(yàn)設(shè)備種類繁多、功能不一、設(shè)備供應(yīng)商多及設(shè)備技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代化程度差別大的現(xiàn)象，這種情況，一方面對(duì)于操作人員或值班人員而言，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，需要的人員也較多；另一方面對(duì)于一些落后設(shè)備，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致試驗(yàn)中出現(xiàn)故障或嚴(yán)重時(shí)造成被試設(shè)備損壞。為解決大型試驗(yàn)中心存在的這種問題，需研制出一套集中監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的溫度、濕度信號(hào)的采集，同時(shí)具有對(duì)溫度超限報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示及報(bào)表打印等功能，亦可減少值班人員。

本文給出了基于LabView的試驗(yàn)設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。LabView是美國NI公司實(shí)現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)的圖形化的計(jì)算機(jī)語言語言，基于通用計(jì)算機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)軟硬件資源平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)構(gòu)建靈活、層次體系明晰、功能強(qiáng)大，因此在國內(nèi)外許多監(jiān)控系統(tǒng)中被廣泛采用。本文介紹了該系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，包括集中監(jiān)控方案、各類設(shè)備控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)及上位機(jī)監(jiān)控技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)主要功能

集中監(jiān)控系統(tǒng)主要采集試驗(yàn)設(shè)備的溫度或濕度信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。集中監(jiān)控系統(tǒng)主要功能：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有試驗(yàn)設(shè)備的溫度及濕度；

2）具有溫度超限報(bào)警功能；

3）數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示、報(bào)表打印等功能；

4）集成視頻監(jiān)控功能。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 軟件架構(gòu)

集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件以Labview架構(gòu)核心，通過硬件建立通信信道，其組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，硬件數(shù)量少，成本較低，通用性強(qiáng)。

由于各個(gè)試驗(yàn)設(shè)備接口不一，對(duì)于具有通信接口并且通信協(xié)議已知的試驗(yàn)設(shè)備，可通過串口服務(wù)器接入主干網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于通信協(xié)議未知的設(shè)備，需要設(shè)備廠商將其通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議，通過串口服務(wù)器接入主干網(wǎng)絡(luò)。

集中監(jiān)控軟件界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：進(jìn)入界面包含整個(gè)設(shè)備的分布圖，點(diǎn)擊任意設(shè)備可以進(jìn)入該設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線。主界面實(shí)時(shí)顯示所有設(shè)備的溫（濕）度數(shù)據(jù)，并提示報(bào)警信息。曲線界面顯示數(shù)據(jù)曲線如圖2所示，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇某一設(shè)備的數(shù)據(jù)曲線，查看數(shù)據(jù)歷史曲線，曲線坐標(biāo)可以任意調(diào)整，曲線可以任意放大和縮小。報(bào)表界面可根據(jù)需要選擇溫（濕）度數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表顯示和存儲(chǔ)。

圖1 監(jiān)控軟件界面拓?fù)鋱D

1.2.2 硬件架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)硬件以上位機(jī)為控制核心，其它主要組成有串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電源適配器、數(shù)據(jù)采集模塊等。集中監(jiān)控系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)用以太網(wǎng)，由若干臺(tái)10口百兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)互聯(lián)構(gòu)成環(huán)形以太網(wǎng)，具有通信故障自愈功能。每個(gè)房間安放一個(gè)監(jiān)控柜，用于安放串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電源適配器、數(shù)據(jù)采集模塊等設(shè)備。

無通信接口的老舊設(shè)備通過額外加裝傳感器，再通過數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)由串口服務(wù)器接入主干網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)串口服務(wù)器具有4個(gè)串口，每個(gè)串口均具有三種組態(tài)，可以連接RS-232、RS-485和RS-422。另外每個(gè)房間安裝2臺(tái)IP攝像機(jī)進(jìn)行視頻監(jiān)控，該設(shè)備為數(shù)字式攝像機(jī)，可直接接入主干網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備需在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，配置本地監(jiān)控計(jì)算機(jī)直接讀取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本地監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)與監(jiān)控站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖2 曲線界面示意圖

整個(gè)系統(tǒng)預(yù)留多個(gè)備用通信接口和通信帶寬，可方便地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。該網(wǎng)絡(luò)采用普通以太網(wǎng)方式組網(wǎng)，監(jiān)控大廳與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備距離最遠(yuǎn)可達(dá)100m。若監(jiān)控大廳距離超過100m，可在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上加裝光纖通信轉(zhuǎn)換模塊，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)100km。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

監(jiān)控大廳中的數(shù)據(jù)監(jiān)控站和視頻監(jiān)控站通過以太網(wǎng)通信方式采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和數(shù)字視頻信號(hào)。數(shù)據(jù)監(jiān)控站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備溫度、濕度數(shù)據(jù)的顯示、報(bào)警、報(bào)表等功能。視頻監(jiān)控站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)時(shí)，自動(dòng)記錄報(bào)警時(shí)間，并自動(dòng)調(diào)出故障設(shè)備的監(jiān)視畫面。集中監(jiān)控大廳的設(shè)備布局如圖4所示。

2 集中監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備根據(jù)通信協(xié)議和實(shí)際應(yīng)用需要分為6種類型：①RS-232/RS485通信設(shè)備；②模擬量通信設(shè)備；③以太網(wǎng)通信設(shè)備；④控制系統(tǒng)改造設(shè)備；⑤熱真空設(shè)備；⑥視頻監(jiān)視設(shè)備。每種類型設(shè)備都有多臺(tái)。

2.1 RS-232/RS-485通信設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

該類型設(shè)備具有RS-232通信接口。對(duì)于通信協(xié)議已知的設(shè)備，可以直接連接串口服務(wù)器接入主干網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于通信協(xié)議未知的設(shè)備，將設(shè)備通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus RTU協(xié)議，通信接口為RS-485。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 模擬量通信設(shè)備布置（見圖6）

在一些試驗(yàn)設(shè)備中本身不具有通信接口或無法獲取通信協(xié)議。對(duì)于無法通過與設(shè)備直接通信的方式采集數(shù)據(jù)（即無通訊接口或無通信協(xié)議）的試驗(yàn)設(shè)備，采用更換或加裝雙只熱電阻PT100的方法進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。雙只熱電阻具有兩路溫度檢測(cè)輸出，一路接入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備，一路接入集中監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)于因設(shè)備保修需要不能更換原有線路的設(shè)備，額外加裝溫濕度傳感器。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備指標(biāo)要求溫度范圍為-70℃～+180℃、濕度0%～100%，指標(biāo)要求每臺(tái)設(shè)備配置合適的溫濕度變送器，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變送成4～20mA信號(hào)。再通過模擬量數(shù)據(jù)采集模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過通信方式將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)。模擬量數(shù)據(jù)采集模塊采用Modbus RTU串口通信協(xié)議，接口為RS-485，支持多主站通信。

圖3 集中監(jiān)控方案一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖4 試驗(yàn)中心集中監(jiān)控大廳效果圖

圖5 RS-232/RS-485通信設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

由于新安裝的檢測(cè)元件與原檢測(cè)元件可能存在一定的偏差，根據(jù)實(shí)際使用效果在上位機(jī)軟件中進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，以減小測(cè)量偏差，提高準(zhǔn)確度。

2.3 以太網(wǎng)通信設(shè)備入網(wǎng)（見圖7）

試驗(yàn)設(shè)備中有些具有以太網(wǎng)通信接口，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入主干網(wǎng)絡(luò)。

2.4 控制系統(tǒng)改造設(shè)備

由于一些試驗(yàn)設(shè)備原控制系統(tǒng)過于陳舊，無法在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，且無法添加通信模塊?？刂栖浖到y(tǒng)版本過低，存在許多不易解決的問題。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，重新設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，本地采用觸摸屏控制，采用監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制，并將溫度濕度信號(hào)接入集中監(jiān)控系統(tǒng)。控制系統(tǒng)改造設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

新型控制系統(tǒng)采用以PLC為核心的系統(tǒng)架構(gòu)，通過以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)多主站通信。根據(jù)實(shí)際需要，選擇是否配置監(jiān)控站。整套控制系統(tǒng)置于本地控制箱中，放置與試驗(yàn)箱附近。

2.5 熱真空設(shè)備

熱真空設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為工控機(jī)與所有儀表構(gòu)成串行網(wǎng)絡(luò)。真空系統(tǒng)控制核心PLC、溫度巡檢儀、各區(qū)域溫控儀表之間相互獨(dú)立，只能實(shí)現(xiàn)單一主站的本地控制，無法實(shí)現(xiàn)本地和的并行控制。由于儀表使用串口通信，只支持單主站通信方式。PLC為三菱低端控制器，不支持以太網(wǎng)通信方式。無法在原有系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)。改造后控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

改變控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以可靠性較高的西門子PLC為控制系統(tǒng)核心，本地采用觸摸屏控制，采用普通計(jì)算機(jī)與PLC以太網(wǎng)通信模塊進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。繼續(xù)使用原系統(tǒng)儀表，使用自由口通信方式采集儀表數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)既可在本地觸摸屏上進(jìn)行監(jiān)控，也可在監(jiān)控站進(jìn)行監(jiān)控。由于該控制系統(tǒng)支持多主站以太網(wǎng)通信，可通過交換機(jī)接入集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)廠房視頻監(jiān)控的需要布置攝像頭，采用高清攝像機(jī)構(gòu)成視頻監(jiān)控系統(tǒng)。每個(gè)房間配置2臺(tái)攝像頭，視頻信號(hào)通過上位機(jī)視頻監(jiān)控計(jì)算機(jī)顯示，通過數(shù)字硬盤錄像機(jī)進(jìn)行視頻存儲(chǔ)。

圖6 模擬量通信設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 以太網(wǎng)通信設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 控制系統(tǒng)改造設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖9 熱真空設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.7 本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)

對(duì)于系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備需在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，配置本地監(jiān)控計(jì)算機(jī)直接讀取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本地監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)與監(jiān)控站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

本地?cái)?shù)據(jù)采集軟件在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，無需進(jìn)行配置。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)采集軟件中，不會(huì)丟失。

2.8 Labview軟件設(shè)計(jì)

編寫串口通信程序通過串口RS-232與高低溫箱進(jìn)行通信，使用OPC通信模塊與S7-200 PLC進(jìn)行通信，編寫TCP/IP通信程序與UMD控制器進(jìn)行以太網(wǎng)通信，編寫數(shù)據(jù)庫程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、保存與報(bào)表。

3 總結(jié)

基于LabView的試驗(yàn)設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互能力和信息處理能力，其組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，硬件數(shù)量少，硬件系統(tǒng)可靠性較高，具備通信阻塞處理功能成本較低；通用性強(qiáng)，數(shù)據(jù)“透明”傳輸，無需進(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，直接將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控站，擴(kuò)展性強(qiáng)，同時(shí)系統(tǒng)預(yù)留多個(gè)通信接口可方便進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

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Design of Centralized Monitoring System of Test Device Based on Labveiw

HUANG Wei, CHEN Zhen-ke
（Shanghai Institute of Electronic Technique for Aeronautics, Shanghai 201109）

Centralized monitoring system plays a significant role in unified management, emergency response timely, workload reduction, and working personnel of middle-large size test site and test center. Based on Labveiw, through the adaptability improvement for different equipment device, the centralized monitoring system of test device takes upper computer as the control core. Through the Ethernet backbone network, the loop Ethernet is composed. Its main function is to collect the information of temperature and humidity signal for test device.

experiment; LabView; centralized monitoring

TP277

A

1004-7204（2015）02-0040-05

黃偉（1982-），男，工程師 ，學(xué)士，研究方向?yàn)檫h(yuǎn)程控制技術(shù)。