UPS集中監控系統的研發與應用

魏軍朋　孫玉勝　孟昕元

(鄭州輕工業學院1，河南 鄭州　450002；河南機電高等?？茖W校2，河南 新鄉　453000)

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UPS集中監控系統的研發與應用

魏軍朋1孫玉勝1孟昕元2

(鄭州輕工業學院1，河南 鄭州450002；河南機電高等專科學校2，河南 新鄉453000)

針對大型分布式工業控制系統中不間斷電源(UPS)位置分散、無法集中管理等特點，采用串口服務器聯網技術，構建了UPS集中監控網絡?？紤]到系統中存在不同品牌的UPS設備，協議各不相同，開發了基于C#的UPS集中監控系統。工程應用表明，系統實現了工業現場中多個UPS電源設備的監控，并提供了短信報警功能；同時，通過OPC技術實現了與組態軟件的數據交互，以便操作人員及時掌握企業UPS電源運行信息。

不間斷電源(UPS)監控OPCC#WinCCDCS多線程報警組態軟件數據交互串口通信

0　引言

在大規模分布式工業控制系統中，特別是化工、電力等行業的DCS控制系統，供電系統的穩定性和可靠性將直接影響整個控制運行的穩定性[1]。不間斷電源(uninterruptable power system,UPS)作為電力供應設備[2]，往往會分布在工業現場的多個位置。如無法實現對這些UPS電源的有效、集中監控，將會給工業控制系統的穩定性帶來很大的隱患。

本文采用串口服務器聯網技術，實現了企業UPS電源聯網，使用C#語言開發了UPS監控系統，集中監控系統中分布的UPS電源運行狀況。

1　UPS電源在工業控制系統中的重要性

我國的電網發電及用電情況比較復雜，設備建設相對滯后、管理不善等問題造成企業使用的交流電質量較差、電壓波動范圍大。同時，由于企業工業設備會帶來大量嚴重的電磁和諧波干擾，也會破壞我國電網環境。

在工業現場中，供電系統出現嚴重問題時，會發生設備斷電、損壞、誤操作、工作性能變差、軟件數據丟失或錯誤、網絡數據傳輸率降低、計算機網絡不能正常運行等狀況。例如工業供電電壓波動過大會造成DCS不能正常運行，電力系統除了遭受一定的經濟損失外，也產生了電廠鍋爐安全性的巨大危機。UPS作為保護性的電源設備，可有效解決電源安全性問題。穩定、可靠的UPS電源對工業控制系統非常重要[3]。

2　總體方案與關鍵技術

基于C#語言的UPS監控系統主要包括兩個部分：底層為使用串口服務器連接UPS，核心為C#語言開發的UPS監控系統。

當前，UPS電源大量應用了控制技術、計算機技術進行各種異常保護、信號檢測、電池管理等操作，可以通過UPS電源通信接口(RS-232/RS-485/SNMP卡)，對交流輸入電壓、電流、頻率、直流輸出電壓、總負載電流、蓄電池充放電電流、整流模塊狀態、逆變模塊狀態、靜態開關模塊狀態等信息進行集中監控。

由于UPS電源主機都支持RS-232通信，本系統中使用串口服務器將UPS的RS-232串口轉換為TCP/IP網絡接口，使得UPS電源設備能夠立即具備TCP/IP網絡接口功能，以便連接到就近的以太網中，從而實現多個UPS電源的快速組網。

系統架構如圖1所示。

圖1　系統架構圖Fig.1　Architecture of system

2.1UPS電源串口通信

UPS電源都預留有RS-232接口，而其他類型通信則需要另外購買相關硬件。此外，在工業控制系統中會出現多個不同品牌的UPS設備，雖然其通信協議不同，但在硬件上都是基于RS-232接口的，只是在命令格式和數據報文上有所差異[4]。例如廈門科華電子的UPS，串口通信傳輸速率為 2 400 bit/s，設備通信采用主從式的工作方式，上位機呼叫機內監控單元下發命令，等待下位機應答；若無應答或應答無效，則進行下一次呼叫；若連續10 s無應答，則認為通信鏈路中斷；UPS內的監控單元在接收到上位機的請求命令后，對命令進行判斷并作出正確響應。

系統通過RS-232接口采集UPS電源運行信息，可以最大程度地集成工廠中的UPS設備。在系統硬件安裝之前，需要根據UPS設備通信手冊，使用串口調試工具檢測UPS設備串口硬件狀況。

2.2串口轉以太網設備

串口服務器提供串口轉網絡功能，能夠將RS-232/485/422串口轉換成TCP/IP網絡接口，實現這些串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向、透明傳輸。串口設備具備TCP/IP網絡接口功能，可連接網絡進行數據通信，極大程度地擴展了串口設備的通信距離。

串口聯網服務器產品提供了直接通過網絡訪問工業設備的解決方案。傳統串口設備因此可以被轉換為通過局域網甚至互聯網實現監測和控制的以太網設備。常見的串口聯網服務器工作模式包括協議轉換、Real COM(實時串口)驅動、TCP操作模式。本系統選用了MOXA NPort系列串口設備聯網服務器，可根據現場的實際情況，靈活地選擇支持1個或多個串口的設備。

圖2為MOXA NPort設備串口接口定義圖。

圖2　MOXA與NPort串口接口定義圖Fig.2　MOXA NPort serial port interface definition

2.3基于C#的OPC數據通信

用于過程控制的對象連接嵌入(object linking and embedding for process cortrol,OPC)以 OLE/COM/DCOM 技術為基礎，采用客戶/服務器模式，為工業自動化軟件面向對象的開發提供了統一的標準。

這個標準定義了應用 Microsoft 操作系統在基于 PC 的客戶機之間交換自動化實時數據的方法。OPC主要包含自定義接口和自動化接口，自定義接口是服務商必須提供的，而自動化接口則是可選的。同時，OPC 基金會提供了OpcRcw 動態鏈接庫、OPC NET COM 包裝器和OPC NET API，將 OPC 復雜的規范封裝成簡單易用的C# 類，從而可以比較容易地實現OPC數據訪問。

在運行的過程中，組態軟件本身也可以作為OPC Server，為其他OPC客戶端提供運行數據。其他軟件可以通過OPC技術與組態軟件系統實現數據交互，例如SIEMENS WinCC組態軟件在運行的時候，提供OPCServer.WinCC服務器，作為數據外部訪問接口。

本文在基于C# 實現UPS監控系統的過程中，系統內置了OPC客戶端，可以通過OPC配置實現和其他組態軟件的互連。

3　基于C# 的UPS監控系統的實現

3.1串口服務器配置

MOXA NPort系列串口服務器驅動程序支持Windows的Real COM和Linux的終端設備通信。串口服務器可通過IP映射，建立主機和串行設備之間的透明傳輸。其中，Real COM模式最多支持4個設備同時連接，以便多臺主機連接同一個串行設備并從中收發數據。使用Real COM模式的最大益處是，可以像真實存在的串口一樣，使用串口通信軟件通過以太網和串口設備進行通信。

MOXA針對串口聯網服務器，開發了軟件NPort Administrator，便于用戶配置。在NPort Administrator管理界面內，點擊COM Mapping項，進入串口映射界面，在右邊的列表內會列出所有的串口及相關設置，點擊應用當前的設置。在列表內雙擊某一項可以修改其配置(例如修改port1映射COM1)，修改完畢后，點擊應用當前的配置。此時，需記住Nport設備的串口名所映射的COM Port的對應關系，例如port1映射COM1、port2映射COM2，依次類推，以便在軟件中使用COM口將數據發送到顯示屏。

3.2程序設計

串口服務器配置完成后，UPS監控系統才能穩定運行。UPS監控系統的程序設計主要由串口數據處理、報警數據分析、OPC數據傳輸這三個方面組成。

程序流程圖如圖3所示。

圖3　程序流程圖Fig.3　Flowchart of program

C#語言支持通過多線程并行地執行代碼，每個線程都有它獨立的執行路徑，能夠與其他線程同時運行，適當使用多線程能提高系統性能[5]。程序啟動后，完成數據庫配置、系統設置、數據庫初始化等任務，以串口數據讀取線程為主線程，再創建報警處理線程與OPC數據傳輸線程，由這三個線程協同完成UPS監控系統任務。

串口數據讀取線程的主要任務是從命令緩沖區讀取命令[6]，并將相關命令發送到UPS設備；然后接收UPS設備信息并寫入數據庫中。報警處理線程首先從數據庫讀取報警設置信息和設備運行信息，對UPS設備狀況進行智能分析，判斷是否需要報警；如果需要，就通過短信模塊聯系相關責任人。OPC數據傳輸線程根據所連接OPC服務器提供的變量信息，并通過讀取數據庫報警設置信息和設備運行信息，實現監控系統與組態軟件數據的交互。

3.3程序界面

UPS監控系統程序包括運行總覽、網絡狀態、報警信息、數據庫設置、系統設置和OPC設置功能。運行總覽能夠快速查看所有的UPS設備運行信息，點擊子菜單可以查看單個UPS電源的詳細信息。網絡狀態是根據NPort串口服務器的聯網運行數據顯示整個網絡信息。報警信息功能可及時查看最新和歷史故障及報警信息。數據庫設置功能可便于用戶備份和恢復監控系統的數據。系統配置用于串口型號設置、報警參數設置、用戶及權限設置、蓄電池設置、短信模塊配置等相關配置。OPC配置可以與組態軟件及其他OPC服務器建立連接[7]。

4　結束語

在工業控制系統中，使用UPS電源可以為安裝有組態軟件的服務器和計算機以及現場設備提供穩定、不間斷的電力供應，從而有效保護工業控制系統中的精密電子儀器，維持生產線持續運行，減少工業安全事故發生。

本文基于串口服務器聯網技術，使用串口服務器將UPS的RS-232串口轉換為TCP/IP網絡接口，實參考文獻:

現了UPS電源快速組網。同時，使用C#語言開發了UPS監控系統，可集中監控企業中多個UPS電源的運行信息，并提供了短信報警功能；采用OPC技術與組態軟件進行數據交互，實現了與企業監控系統項目集成。

[1] 郝偉.DCS系統設計及在電廠熱工控制系統的應用[J].科技創新與應用,2014(31):140-140.

[2] 周波,劉春玉,王毅.UPS實時監控系統的設計[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2013,35(1):32-35.

[3] 郭亞杰,相有桓,韓慧奇.UPS網絡集中監控系統設計與實現[J].電子技術,2013(10):26-28.

[4] 王天夫,侯春杰,關俊武,等.基于云終端的UPS電池遠程監測系統軟件設計[J].信息技術,2015(9):184-186.

[5] 王小科.C#開發實戰1200例[M].北京：清華大學出版社，2011.

[6] 馮慶東，楊麗.C#項目開發全程實錄[M].3版.北京：清華大學出版社,2013.

[7] 陸會明.OPC服務器開發設計與應用[M].北京：機械工業出版社,2010.

R&D and Application of Centralized Monitoring System of UPS

According to the features of disperse location and unable to centrally manage of the uninterruptable power system(UPS) in the large-scale distributed industrial control system,a centralized monitoring network for UPS is built based on the serial port server networking technology.Considering that different brands of UPS equipment exist in the system and the agreements are different,the UPS centralized monitoring system based on C# is developed.Practical application shows that the system can monitor multiple UPS equipment in the industrial field,and provide SMS alarm function,in addition,data interaction with configuration software is implemented through the OPC technology,so as the operators can grasp the running information of the UPS in enterprise on time.

Uninterruptable power system(UPS)Monitoring and controlOPCC#WinCCDCSMultithreadingAlarmConfiguration softwareData interactionSerial communication

魏軍朋(1987—)，男，現為鄭州輕工業學院電氣工程專業在讀碩士研究生；主要從事微控制器應用、電機電器方向的研究。

TH865;TP273

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610026

修改稿收到日期： 2016-03-08。