探究電氣設備的嵌入式遠程監控系統設計

肖 菡，李 龍

（許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000）

在電氣設備的發展過程中，為了減輕工作人員的工作量，在局部網內部組建環網能夠及時地監控電氣設備，一旦電氣設備在運作的過程中出現問題，則可以立刻發現并解決。以往的電子設備監控采用的是電氣化系統集散控制，該方式對于機電設備管理質量的提升起到了良好的助力作用，但在應用中存在一定的局限性。

1 電氣設備革新的必要性

以往的電氣設備采用的監控系統是傳統的集散控制系統 （Distributed Control System，DCS），其屬于一種綜合控制系統，能夠滿足現代大型工業生產自動化中對于過程監控的需求。DCS需要多項技術的加持，如：通訊、網絡、控制系統等。在電氣設備的監控方面，嵌入式遠程監控系統豐富了其交互、實時監控等功能，進一步加強了嵌入式遠程監控在工業領域的監控能力與實用性，使工業生產更加規范化，確保了相關人員的人身安全。對比傳統的控制及管理模式，該系統存在一定的先進性，但隨著我國綜合實力的不斷增強，技術手段的進一步升級 （如人工智能、虛擬現實技術的發展等），嵌入式遠程監控需要更加安全、便捷。電氣工業的過程控制站規模也有所擴大，其大部分采用4～20 mA模擬量信號下的現場信號檢測、傳輸和控制。隨著電氣設備的更新，傳統集散控制所傳達的 “分散控制、集中監控”思想已經逐漸不適用，電子監控技術的革新非常有必要。

2 嵌入式遠程監控系統在電氣設備中的應用價值

首先，將嵌入式遠程監控系統應用在電氣設備中可以為相關單位節省一部分開支。系統與網絡的融合能夠使監控能力得到提升，同時節省了大量的人工監控費用。其次，隨著系統越來越豐富，采集到的數據更加精準有效，避免了傳統監控力度不足、統計與篩選工作量大等問題。如：智能儀表可以將定時采集的數據與計算機設備相連，然后生成Excel表格，便于相關人員進行更加詳細的統計與梳理。最后， “嵌入式系統+TCP/IP協議”所構建成的Internet互聯嵌入式系統增加了遠程監控功能，使各項設備更加便攜和智能化 （如電器、儀表、汽車等與互聯網融合），有益于提升企業發展的綜合實力。從宏觀角度分析，電氣設備的功能也越來越豐富，滿足了相關單位的發展需求，其嵌入式遠程監控系統后期發展應更加傾向于提升信息獲取的便利性與遠程控制[1]。

3 電氣設備的嵌入式遠程監控系統功能分析

傳輸功能。系統將上位機發出的控制指令轉發到電氣設備當中，包括機器的啟動、停機、容許啟動等，實現對電氣設備運行的控制。

收集、記錄、儲存功能。該功能主要是記錄上位機發出的指令并儲存，在以后發生事故時，可以以此為依據調查事故發生的原因。同時，信號的采集工作不會影響電氣設備的運行。

檢測功能。服務器會分別巡檢相應的模塊線路（如STC-101模塊采集線路）狀態和通信管理機的工作狀態，最大限度地保護電氣設備的運行，時刻監視各設備或系統的運行狀態并采集其數據信息（如電流數據信息、電壓數據信息等），對相關信息進行備份、存儲、歸檔等。另外，相關人員可以用移動存儲設備將數據信息導出，非常便捷。

統計、查詢功能。該功能可以幫助調查人員更加有效地分析和處理采集到的數據信息。

設置功能。相關人員可以通過觸控顯示屏隨時查看監控線路的工作狀態，這有助于相關人員對上位機變位的數據加以分析，從而設置更加有效、安全的數據參數，進而實施信息數據的控制和電氣設備的保護。

4 嵌入式控制器結構及系統原理介紹

4.1 嵌入式控制器介紹

嵌入式遠程監控系統主要是依托微處理器芯片、嵌入式操作系統、網絡接口等獨立單元構建的一套處理復雜數據信息的控制系統。常見設備構成如下：ARM9微處理器芯片，它是嵌入式控制器的核心；RT-Linux嵌入式操作系統；外圍電路，包括內存儲器 （125 MB）、RS485串行接口、SD儲存卡、USB接口等功能部件[2]。具體的結構見圖1（圖片來源于網絡）。

圖1 嵌入式控制器的結構

4.2 智能遠程監控系統的原理

相關人員在控制室進行操作時，上位機發出相應的指令，嵌入式遠程監控系統會根據控制指令實現自動化運行。通過接點來驅動相對應的中間繼電器線圈，利用中間繼電器的主觸點可以實施對電氣設備的控制，可以接成開啟、關閉、運行啟動3種線路。相關人員需要注意，中間繼電器的輔助觸點需連接STC-101才能夠實現對上位機指令變位記錄的儲存使用，并將信號傳輸給485通信管理機。

電氣設備狀態、電壓、電流信息的采集和傳輸控制是通過電機自帶的RS-485接口實現的，這些信息可以通過485總線傳輸給485通信管理機。其中，每個485管理機都是嵌入式主控制器的從機,從機將收集的數據傳送給以太網交換機EDS-205，再傳輸到嵌入式主控制器上進行顯示并儲存。嵌入式主控制器也可以通過以太網或485總線和控制室的上位機進行數據通信，實現電氣設備運行過程中相關數據的傳輸，達到監控的目的。

5 電氣設備的嵌入式遠程監控系統設計策略

5.1 實現方式

嵌入式遠程監控系統可以針對機電設備有效實現遠程控制。對于工業設備的遠程控制，采用較多的是以太網遠程集控系統，在各個節點中設置微處理器，實現了矯正、采樣等功能。在以太網遠程監控中，各個模塊都可以實施合理分類，通過合理的分配可以實現在組態軟件下的鏈接。完成之后，可以實現常規的控制。

遠程電子自動化控制系統中，對于變量的控制是一個難點，技術人員不僅需要針對質量計量進行準確的控制，而且需要對輔機進行啟動、停止運作兩部分的控制。在技術人員實施控制的過程中，需要設置相應的程序來控制機器的運作。在此過程中，相關的技術人員要提高對輔助車間的重視程度，按照工作順序有序地進行控制，運用可編程邏輯控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）技術使控制順序更具獨立性。由于PLC控制器的種類較多，效果也存在較大差異，因此相關人員應充分結合當地通信協議情況、網絡通信交換信息等合理地選擇PLC的種類，降低使用效果的差異性[3]。嵌入式技術在電氣自動化控制系統的設計中需嚴格控制質量計量以及模擬量，將兩者緊密結合。不同的設備在使用過程中受到的影響也不同。

5.2 控制系統的結構設計

嵌入式遠程監控系統結構可劃分為三部分。

一是信息管理層。該層屬于基礎控制結構，相關設計人員應將 “一體化”作為搭建遠程信息管理系統的前提，并在電氣設備后期運行與管理中側重信息化功能，為相關單位的正常運行與電力輸送提供強有力的保障。系統需采集現場信息，以保證機電設備管理、控制的有效性，并將現場采集到的信息進行儲存。借助于服務器的管控，形成實施信息集成的重要條件，將信息轉化為實際生產過程中需要應用的信息。另外，監控設備要能夠實施全方位的監控。

二是網絡層。網絡層構建的重點是接入不同的數據和網絡協議，使系統監控更加智能化。因此，可以基于工業以太網結構和光纖建立網絡層主體，將現場采集到的信息迅速傳輸，實現遠程監控。

三是設備層。該層的主要作用是將被控制的設備與控制系統進行連接，從而達到遠程控制電氣設備的目的。

嵌入式遠程監控系統總體結構設計見第124頁圖2（圖片來源于網絡）。

圖2 嵌入式遠程監控系統總體結構設計

5.3 軟件設計

軟件設計人員需要針對不同的嵌入式操作系統，了解不同操作系統設計時的技術要點。如：相關人員對嵌入式遠程控制系統進行設計時采用的是Linux操作系統，其在操作流程上需要加強Linux系統對于任務函數的控制，應首選最高級的任務進行操作，提升其切換控制的效果[4]。

基于任務分配原則進行嵌入式遠程控制系統設計，設計的功能大致可分為3類：一是監測功能，該功能屬于最基礎的部分，可將其視為進行任務控制、數據采集、數據輸出等過程的 “基石”；二是保護功能，該功能會對控制系統進行實時預警，一旦達到最高任務參數就會向工作人員發送警告信息；三是交互功能，該功能是將外部設備與系統進行連接，實現人機交互的同時，顯示相應的進程與控制系統所采集的數據，屬于軟件設計最低優先級任務。

通過以上軟件設計中不同類型的劃分，實現了對電氣設備的遠程監控，取得了良好的人機交互效果。相關人員在該過程中應設置好相應的期望參量的定值 （即控制指令），以滿足迅速傳輸的使用需求，提升設備的安全性和嵌入式遠程監控系統的實際控制效果。此外，系統可以根據本地數據來接受外部的信號，從而實施數字濾波處理，并運用數據保護模塊將公共緩沖區的數據保存在Flash中。網絡服務程序由兩部分組成，一是嵌入式Web server，二是CGI程序。嵌入式Web server是后臺守護進程，主要的功能是監聽客戶請求，用戶向本地系統發送請求之后，CGI程序將其轉化為服務器能夠識別的格式，便于Web瀏覽器識別，再將應答消息傳輸到客戶端，實現客戶端與本地系統之間的交互操作。

6 結束語

將嵌入式遠程監控系統融入到電氣設備，能夠實現對設備運行數據的采集、傳輸和顯示功能。采用ARM9作為嵌入式的控制器，具有操作簡單、使用方便、可操控性強的特點。操作人員能夠清晰地看到機電設備是否準確執行了下達的指令，同時該系統也實時地記錄了工作人員下達的指令，在實現對電氣設備遠程監控的同時，也為數據的查詢提供了理論依據。由此可見，嵌入式遠程監控系統具有一定的實際應用價值。