除湿机远程监控网络的设计

段淇倡，刘顺波，周光伟

(第二炮兵工程大学，陕西西安710025)

随着计算机和通讯技术的飞速发展，对电气设备自动化要求也越来越高。随着现场总线和以太网技术的不断成熟，为远程自动化监控提供了重要技术支撑。工业组态软件作为一款融过程控制、现场操作以及数据库管理于一体的工业控制软件包，就是在这一背景下应运而生。地下工程由于对环境温湿度有严格要求，因此安装了大量离散式除湿机，因其布置的分散性，传统的监控方式给设备管理、数据采集和集中管理带来极大不便，同时也不能进行实时监测。针对以上不足，作者将网络技术与设备现场控制技术相结合，设计出一种基于串口服务器的除湿机远程监控系统。

1 系统结构设计

由于地下工程中的除湿机布局分散，但控制与数据处理却要求集中。基于“分散控制，集中处理”的控制要求，系统整体架构如图1所示。

图1 监控网络整体架构

控制网络采用主流的3层设备加2层网络的“3+2”结构:3层设备分别指现场执行与数据采集设备，由变频器、压缩机、风机、数据采集器和传感器等组成;中间级控制与通讯转换设备，由设备控制器S7-200PLC、触摸屏、串口服务器和交换机组成;最高级监管控制部分，由服务器、操作站、数据服务器和工作站等组成，运行人机界面进行人机交互完成现场控制。2 网络指上层的管理网，由串口服务器的以太网接口部分与上位机之间的TCP/IP 网络和串口服务器的串行接口部分与现场控制器组成;下层的控制网，由现场控制器和现场设备组成，两者之间通过串行通讯交换数据。

2 现场控制网设计

在底层的控制网中，串行RS485 总线是最常用的电气标准，Modbus 协议作为一种公开的通讯协议，被广泛应用于控制网通讯。Modbus 协议采用主/从式通信，在网络中一个PLC 主站可以对应多个从站。在通信过程中，主站对从站的查询既可采用查询方式也可采用广播方式。受RS485 总线传输距离的限制，当通信距离超过设计值时，需要在网络中间增加RS485 中继器以保证信号的质量。作者所构建的Modbus控制网拓扑结构如图2所示。主站选用S7-200 PLC，CPU模块为CPU226，通讯扩展模块为EM277，用于接入西门子触摸屏OP77B 对PLC 进行现场设置;从站为6 台具有Modbus 通讯接口的时代TVF8040 变频器，用以控制风机、水泵和压缩机，2台研华ADAM4000系列I/O 扩展模块，用以完成现场传感器信号采集。

图2 Modbus 监控网络拓扑结构

2.1 变频器的控制连接

TVF8040 通过串行RS485 总线与现场控制系统进行通讯，其通讯规约为标准Modbus 协议。在出厂时该协议并未激活，激活后变频器才能与网络中的Modbus Master 进行通讯。为了实现与主站的通讯进行Modbus控制，就需要对变频器控制模式进行设置，并规定通讯速率、奇偶校验和停止位，同时要求与主站设置一致，如此才能实现主从通讯功能。对变频器的在线控制可以分为以下3步向寄存器(0001)中写入控制字:

第1步:向寄存器(0001)中写入，CW=0000 0000 0000 0010，变频器进入允许运行状态;

第2步:等待100 ms;

第3步:向寄存器(0001)中写入，CW=0000 0000 0010 0010，变频器跟随频率给定值正常运行。

该网络中的所有设备都要通过自己的接地端良好接地，TVF8040 变频器的接地线在任何情况下都不可以形成封闭回路。同时所有设备的接地端都要连到公共接地的母排上。按总线设计要求，RS485 网络的末端设备要使用120 Ω的终端电阻，该变频器跳线J2可用于连接或断开终端电阻，中间网络站不能使用终端电阻，TVF8040 变频器的RS485接口端子及终配跳线J2 接线示例如图3所示。

2.2 数据采集模块的通讯连接

ADAM-4015是16位A/D 6 通道的热电阻输入模块，它支持Pt100，Pt1000，BALC0500，Ni 热电阻。ADAM-4017+是16位A/D 8 通道的模拟量输入模块，提供8路差分信号，各通道可独立设置其输入信号的形式和范围。ADAM4000系列I/O模块要实现与S7-200PLC 通讯完成数据采集任务，就需要对其进行适当的配置，将模块的init* 和GND 短接，重新上电后，这时进入模块的初始化状态，就可以配置模块的地址、通讯速率、量程范围、数据格式、工作方式和通讯协议等。ADAM-4015/4017+均支持Modbus 协议，其接线如图4所示。

图4 ADAM-4015/4017+简单控制接线图

对模块的设置都采用研华公司配套的ADAM-4000-5000Utility (Ver 3.10.06)软件，为了实现ADAM 从站模块和PLC 主站的通讯，其通讯参数设置需要和主站一致，最后执行【UPDATE】，完成设置后，将init* 和GND 不短接，对模块上电进入正常工作模式。

3 系统管理网设计

对于管理网的构建，作者提出一种基于协议转换功能的串口服务器的新型网络连接方式，如图5所示，以低成本实现上位机与S7-200系列PLC 在以太网或Internet 上的TCP/IP 通讯。上位机采用工控机，运行人机界面应用程序，通过友好界面实现对系统的监测与控制功能。

图5 串口设备与工控机的连接示意图

串口服务器是一种能够方便地实现由软件设置串口类型，使不同形式的串口(如RS422/485/232)能方便地连接到以太网上，实现异构组网的设备。该系统中串口服务器的功能是:把从现场控制器(PLC)发来的协议打包成TCP/IP 识别的Socket套接字并发往上位机;同时，将上位机发来的Socket套接字和端口号进行解析发往相应串口。如图6所示分别为其软/硬件体系结构。

图6 串口服务器软/硬件体系结构

使用双绞线和串口线将串口服务器和交换机、下位机(S7-200PLC)进行连接，配置串口服务器的网络IP 地址和通讯端口映射方式，其配套软件能在上位机上形成虚拟串口，通过此虚拟串口来实现上位机同PLC的TCP/IP 网络通讯。PLC 对串口服务器端口的使用就如同自带的COM 口一样，上位机和PLC可视为直接的串口连接，实行串行通讯。

该系统串口服务器选用台湾MOXA 公司的DE-311型产品。该型产品有一个可设置类型的串口和一个10/100 MB的以太网接口，串口类型的设置通过拨码开关实现，可在RS232、RS422 和RS485 中根据实际情况进行选择，方便将各种带有标准异步串口的设备连接到以太网中。串口服务器内置有以太网和TCP/IP 协议，因此在使用前必须进行配置，才能使联网工控机和现场串口设备能通过它进行正常通讯，配置包括:IP 地址的设置，操作模式的选择，虚拟串口号的分配，串口通讯参数的设定和访问控制的设置。

4 软件程序总体设计

系统的硬件结构是软件程序的载体，软件程序是系统运行的核心，是整个系统的灵魂。该系统中的软件主要包括两方面内容:一部分是基于现场控制器PLC的控制和通讯程序的设计;另一部分是基于组态软件(力控)的上位机监控系统的设计。系统软硬件各部分的功能及总体设计流程如图7所示。

图7 系统软件总体设计流程

4.1 PLC 监控软件构架

现场控制器程序的开发，需要以除湿机的结构和工作原理为基础，并结合系统的具体要求来实现。该系统的主要功能是通过对系统和环境的温湿度，水、制冷剂和空气的流量、速度等的监控，完成对压缩机、水泵、风机、风阀等的控制，进而将环境温湿度控制在一定的范围内。PLC程序的工作流程如图8所示。

图8 PLC 监控流程图

为了能够方便进行控制策略的更改和现场调试，编程时采用模块化程序，以此来提高PLC控制系统的灵活性。其控制程序包括多个子控制部分:初始化控制、运行条件控制、通讯控制、送风温度设定值控制、送回风机控制、供热控制、水阀调节控制、制冷控制、除湿控制、预热控制、加湿控制、静压控制、风量控制、故障扫描与处理控制等。系统控制程序的各个子程序之间不是相互独立的，而是相互嵌套调用共同实现系统功能。

PLC 对ADAM4000系列I/O模块的轮询是完成正常监控任务的重要步骤，它使得PLC 能获得除湿机各部分的状态信息，这些数据为下一步的故障诊断、整机及变频器控制和人机界面提供依据。PLC 对变频器的监控主要包括查询和设置控制参数，在这两者之间设置参数任务的优先级高于查询任务的优先级。因此PLC 在没有对其进行参数设置时始终执行查询任务，以此保持对变频器的监测。

4.2 上位机软件设计

在除湿机电气控制系统硬件结构合理、控制功能完善的前提之下，监控软件的设计至关重要。监控软件应能够保证整个系统高效可靠运行，能够对除湿机电气控制系统进行实时的状态监测和在线故障诊断，确保除湿机安全地运行，并能够有效实现数据库的管理和提供完善的监测报告。根据电气控制系统状态监测与故障诊断的需要，采用模块化的方法开发力控组态软件相应功能模块。上位机监控系统结构如图9所示。

图9 工控机监控系统设计结构图

为了给用户提供强大灵活的功能，力控提供了脚本编译系统，具有自己的编程语言，语法采用类BASIC的结构。这些程序设计语言，允许在力控基本功能的基础上，扩展自定义的功能来满足用户各方面的需求。其功能十分强大，可以访问和控制实时系统的所有组件，如实时数据、历史数据、报警、报表、趋势和安全等;同时，用户通过脚本语言，可以实现从简单的数字计算到用于高级控制的算法功能，可进一步提高故障诊断的智能性，对数据进行更全面的分析。

4.3 数据管理

实时数据库是数据库系统发展的一个分支，它适用于处理不断更新和快速变化的数据及具有时间限制的事物，它是实时系统和数据库技术相结合的产物。实时数据库主要用于过程控制系统，在生产装置运行过程中，实时数据库记录采集装置的运行数据，随时掌握装置的运行状况，并通过对生产过程关键数据的监控和分析，对出现的问题及时处理，使设备安全无故障运行，当设备运行状态发生变化时可以及时做出反应，并且能够存对数据进行较长时间的存储。关系数据库指采用关系模型来组织的数据库，它是一个二维表格模型，关系模型指的就是二维表格模型，一个关系数据库就是由二维表及其之间的联系组成的一个数据组织，目前关系数据库广泛应用于各个行业。

实时数据库最大的优势是实时性，但它与实体无关，不能像关系数据库一样增加表，无法存储人员、设备、生产管理等信息。这样有明显实体归属关系的业务逻辑就无法用实时数据库来实现。同时，实时数据库目前并没有统一的标准，各个实时数据库客户端工具基本上都是由厂商自己提供，没有类似于关系数据库的查询语言SQL，对外只提供API接口访问，加大了与其他管理系统集成的难度，极易形成信息孤岛。为了便于以后对数据进行分析处理，通常还需将数据保存在关系数据库中，数据库服务器可以很好地解决这一问题。现场监控服务器通过对现场数据进行采集，然后将实时数据库数据转储到关系数据库，这就是该系统中数据库服务器的重要功能。系统选择了Microsoft Access 2003 来作为除湿机远程监测与故障诊断的关系数据库。其创建过程如下:

(1)定义ODBC数据源和创建数据表

力控能够和其他外部关系数据库(支持ODBC访问接口)进行数据传输。但实现数据传输必须在系统ODBC数据源中定义相应数据库。首先进入“控制面板”中的“管理工具”，双击“数据源(ODBC)”选项，弹出“ODBC数据源管理器”对话框，进行ODBC数据源的建立，并创建应用数据库FDD1，在FDD1数据库中按照系统的特点和实时数据平台的设计创建数据表。

(2)力控实时数据库到关系数据库转储

在力控应用程序中启动“ODBCRouter”，选择“力控数据库转储到ODBC”，设置转储工程的名称为“管理工程”，并选择所提供的驱动程序，选择连接的数据源，然后选择转储的数据表，进行数据转储设置，采用变量控制转储的启/停，定义变量“flag1”，当系统进行特征参数采集时，其值被置“1”，并触发转储运行。

经过以上组态设置，一旦有数据上传、需要保存数据时，系统就会自动通过数据库连接文件把相关数据保存到数据库中以供查询使用。

5 结论

文章的核心是提出一种基于串口服务器的远程网络监控系统，中心服务器通过串口服务器经以太网对串口设备进行现场控制和数据采集，弥补了地下工程除湿机传统管理方式的一些不足，有助于增加机电设备互联性，提高信息共享度，充分利用设备资源，降低维护人员工作强度，提高工作效率。文中所设计的系统在实际的使用中，运行可靠，操作方便。而且，网络的具体结构可以根据实际的需要进行调整或变更，体现了系统的灵活性。

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