串级调速系统的远程监控系统设计与实现

张庆红,林永君，王兴武，张照彦

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003； 2.保定华仿科技有限公司，河北保定071051)

串级调速系统的远程监控系统设计与实现

张庆红1,林永君1，王兴武2，张照彦2

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003； 2.保定华仿科技有限公司，河北保定071051)

针对传统串级调速系统采用的就地监控方式存在的使用地点的局限性，监管不便等问题，笔者提出了一种基于移动网络的串级调速系统的远程监控系统的解决方案。以Freescale公司的处理器MC9S12X128MAA为控制单元，结合华为EM770W M2M无线传输模块开发的无线数据终端为硬件平台，配合在Windows系统下开发的服务器、客户端软件，实现对串级调速系统的远程无线监控。所设计的远程监控系统利用无线数据终端通过3G网络和Internet网络将作业现场的设备参数信息及时传输至服务器端，在服务器端进行存储并转发。用户通过在监控客户端的操作，以实现对现场设备的实时监视和控制。除远程监控功能外，系统还具备远程升级功能。阐述了系统的总体设计方案，并详述了下位机软、硬件的实现和上位机软件的实现。实际试验表明系统运行稳定，人机界面友好，达到预期的效果。

远程监控；EM770W；远程升级；服务器

0 引言

近年来，串级调速作为转子侧一种高效、节能的调速方法，在高压大容量电机上的应用日趋广泛[1，2]。掌握串级调速系统运行状态对于安全生产而言至关重要。然而，目前对串级调速系统的监视和控制依然采用就地监控的方式。就地监控方式需要技术人员亲临串级调速装置作业现场来查看设备运行参数，了解设备运行状态[3]。这不仅降低了工作效率，而且不符合现代人们对于工业生产更加自动化、监控管理更加人性化的期求。

随着移动网络技术的开启和发展，应用于工业的远程无线监控技术得到了蓬勃发展[4～6]。目前，市场上远程无线工业监控方案层出不穷，并已应用到各行各业[7，8]，但是由于通讯协议、监控参数、实时性要求的不同，宽泛的远程工业监控系统并不能与所有载体兼容，很难精准地应用于串级调速装置。因此设计一种专门用于串级调速系统的远程监控系统尤为必要。

针对以上问题，提出了一种基于移动网络的串级调速系统的远程无线监控系统。系统的开发以嵌入式技术、移动通信技术、互联网技术为技术支撑。采用可拆卸3G数据终端对串级调速系统的参数信息进行提取，在兼顾传输速度和传输费用的情况下，用WCDMA网络和Internet网络进行数据传输[9]。既满足了数据传输的性能要求，又节约了数据传输成本。在对比C/S和B/S的通讯模式特点后，客户端与服务器通讯采用C/S结构，使客户端的设计更加灵活[10]。监控系统在实现远程无线监控的基础上，增加远程固件升级的功能，使系统功能更加完善。该监控系统可让用户在无须亲临现场的情况下通过监控平台对运行中的设备进行远程监视和控制；串级调速系统生产厂家也可以通过远程监控平台，实时掌握工业现场的设备运行情况，对设备的故障诊断、固件程序的升级为用户提供远程协助。

1 远程监控系统结构与工作原理

1.1 系统结构

远程监控系统从功能上可分为三部分组成：3G数据终端、服务器、监控客户端。其系统总体结构图如图1所示。

3G数据终端主要负责从串级调速装置中提取设备运行参数信息并将数据通过WCDMA网络传输至运行在Windows操作系统上的服务器端。服务器端负责对接收的参数数据进行读取、分析、存入数据库，并为监控客户端提供远程访问数据功能。客户端主要功能是为用户提供登陆服务器、开启监控、远程升级等操作，并且将参数信息以数字或图形的方式呈现在用户面前。

图1 系统总体结构图

1.2 系统工作原理

3G数据终端独立于串级调速装置之外，通过RS232接口与串级调速装置相连。3G数据终端上电后自动与服务器进行连接，连接成功后，3G数据终端处于在线状态。启动串级调速装置，串级调速装置主控制器根据用户选择来判定先从BootLoader区执行升级程序，还是从应用程序区执行用户程序。默认首先从应用程序区执行用户程序。当执行用户程序时，串级调速装置根据预先定好的协议将参数信息发送至3G数据终端，经由WCDMA/3G网络传输至服务器上，并分类存入数据库中。当执行升级程序时，串级调速装置主控制器首先将应用程序区原来程序页擦除，然后按页将客户端发送来的更新程序写入应用程序区，更新完毕后自动执行新的应用程序。用户在客户端登陆服务器后，处于用户在线状态。用户在客户端列表框内可查看同时在线的其他用户和数据终端。选择指定数据终端，可对其进行远程监控与远程升级。同时，客户端提供本地监控与本地升级的功能。此时，无需连接3G数据终端，将串级调速装置通过串口与PC直接相连。通讯协议和监控画面与远程监控时相同。

2 3G数据终端的设计

3G数据终端作为远程监控系统的硬件平台，是整个系统的关键部分之一，具有信息的分析、处理、串口传输、无线传输等功能。数据终端通过RS232接口与串级调速装置相连，经由3G无线网络与服务器通讯，是连接现场设备与服务器的桥梁。

2.1 数据终端硬件设计

3G数据终端的设计采用模块化设计，整个硬件平台由处理器模块、3G模块、电源模块及一些外围电路组成。主处理器提供两个标准的UART接口，分别与现场设备和3G模块相连。主处理器主要负责3G模块的驱动，数据格式的转换，数据分析、处理。3G模块主要功能是无线数据传输，主处理器通过AT命令实现对3G模块的初始化配置，拨号联网、收发数据等相关操作。数据终端总体框图如图2所示。

图2 硬件总体框图

数据终端采用飞思卡尔的十六位单片机MC9S12X128MAA作为主处理器。该芯片工作电压为3.135～5.5 V，集成了两个标准的UART串行接口。在本设计中，处理器工作电压为5V，晶振频率为16 MHz。为了使系统更加稳定、快速的运行，通过对锁相环的设置，将处理器总线频率增加到80 MHz。3G模块采用华为公司EM770 W M2M模块，该模块支持内置TCP/IP协议栈、标准的AT指令及华为扩展AT指令集。该3G模块集成2路UART通信接口。其中UART1支持带流控功能的全串口模式，UART1支持数据服务，用户可以通过UART1接口发送AT指令完成拨号上网，进行数据业务操作。UART2不支持数据服务和AT命令[11]。系统使用EM770W M2M模块的UART1与主处理器相连。该3G模块I/O端口输入电压极限值为2.6 V，为了实现与主处理器I/O端口电平兼容，通过双向电平转换芯片74LVC4245实现。该3G模块电源电压范围为3.0～3.6 V，本系统中采用德州仪器(TI)生产的LM2596降压开关型集成稳压芯片为3G模块提供3.3 V稳定电压。

2.2 数据终端软件设计

数据终端的软件开发是在Windows操作系统下，使用C语言在codeWarrior开发环境下完成。数据终端工作过程分为初始态、登录服务器、功能选择判断、远程升级、监控数据通信5个状态，模型如图3所示。具体分述如下：

图3 数据终端状态机模型

(1)初始态。系统启动后，完成串口初始化、锁相环设置，I/O端口初始化等操作后，处于初始态。

(2)登录服务器。对3G模块进行波特率、接入点的配置，然后与指定的IP地址、端口号的服务器建立UDP链接，与服务器交换登录数据包后即登录服务器成功。

(3)功能选择判断。根据用户选择，判断下一时刻进入哪种工作状态。当登录服务器后，5 s时间内，条件(SCI1Receive[0]==‘>’)满足，则进入远程升级状态，否则进入远程监控状态。

(4)远程升级。数据终端按页接收客户端发送的更新程序，并按页转发给串级调速装置，经串级调速装置主控器的Boot区引导程序将更新程序按页写入单片机应用区Flash中。远程升级完成后，串级调速系统主控制器开始执行应用程序区新的程序，3G数据终端进入监控数据通信状态。

(5)监控数据通信。进入数据通信状态后，终端以一定的时间间隔将串级调速系统运行参数按照约定好的协议发送至服务器端，经服务器转发至监控客户端。同时终端不断响应客户端监控指令。系统复位后，3G数据终端进入初始态。

3 上位机软件设计

上位机软件使用C++语言，在Windows操作系统下，使用Microsoft Visual C++ 6.0开发工具编写完成。上位机软件主要包括服务器软件与客户端软件两部分。

3.1 服务器的设计与实现

3.1.1 服务器端总体设计

系统数据传输网络采用覆盖范围较广的WCDMA网络，由于IPv4资源的匮乏，联通网络运营商为每个SIM卡分配的IP地址都是私有IP，企业或家庭电脑接入因特网所用的IP地址也多是内网IP，因此3G数据终端与客户端的IP地址互不可见，无法直接通信，因此需要一台有公网IP的服务器中转数据。所以服务器软件必须运行在一台具有公网IP的计算机上。

服务器的设计是基于对话框的模式。由于远程监控系统与用户的交互主要在客户端完成，所以服务器端只设计了一个主功能界面。服务器端主界面提供登陆服务器、退出服务器操作、显示在线用户列表及监控信息。服务器端接收来自3G数据终端的串级调速系统的运行参数、上限值等各项参数信息，响应客户端监控请求将接收到的参数数据发送给客户端，同时将这些参数数据进行存储，为客户端提供访问历史数据服务。

为了使监控数据有效、规律地存储、查询，在服务器端引入数据库的设计。数据库的设计以MySQL Server 5.6数据库为基础，实现实时及历史数据的入库、检索，支持客户端远程查询、应用。通过分析传输数据的类型，可将远程监控数据分为两类：状态参数和设置参数。因此在MySQL平台下创建数据库g3_monitor，并根据监控数据类型创建设置参数表settingparameter 和状态参数表statusparameter。

3.1.2 服务器端程序设计

服务器端作为整个监控系统的通信枢纽，其主要功能有界面初始化、数据接收及处理、检查用户在线、数据格式转换、数据库操作。为了提高数据处理效率，降低程序复杂度，分模块对这些功能进行设计[12]。服务器软件结构如图4所示。

图4 服务器软件结构

图5 数据接收及处理模块流程图

初始化模块负责完成服务器界面的初始化以及通信套接字的初始配置。数据接收及处理模块是服务器软件设计核心，负责接收和处理来自终端和客户端的数据包，其软件流程图如图5所示。当客户端和终端的心跳包或通信数据包到来时，更新其连接标志位，检查用户在线模块通过判断终端和客户端连接标志确定终端和客户端是否在线[13]。EM770W模块对于收发的数据有严格要求，接收数据范围为0x01～0x7F，发送数据范围为除0x08外的0x01～0x7F，0x08在发送数据中有着特殊意义，表示退格。本系统的服务器运行在Windows操作系统下，由服务器向3G终端发送数据时，操作系统会自动在0x0A之前添加0x0D,所以0x0A无法直接发送。服务器端与3G终端实际通信数据范围为0x00～0xFF，而且上位机与下位机编译环境不同，导致结构体对齐方式不同。因此需对通信数据进行转义以及格式转换。数据库操作模块负责将数据终端发送的监控数据分析、处理，然后写入数据库。

3.2 客户端的设计与实现

客户端是整个监控系统的重要组成部分，它提供了可视化的监视界面和实时高效的操作平台。在权衡B/S与C/S架构模式优缺点的情况下，监控客户端采用C/S架构模式。根据功能不同，将监控客户端化分为系统操作、设备运行状态、运行参数、接触器设置、上限值设置、保护值设置、调速关联参数、启动关联参数、操作项、过程曲线显示十大功能模块。

另外事件记录和控制命令模块作为系统必要的操作和显示部分，在每个功能模块的界面中都能显示。事件记录显示系统当前运行状态以及运行状态的改变。启动、停止、调速等命令按钮用来对串级调速系统下达控制命令。客户端的开发是基于对话框的模式，每一个功能模块都与之对应交互界面和类。在主对话框中，采用工具栏、状态栏、位置固定的子区域与用户交互。点击工具栏按钮，在主对话框的子区域内呈现出对应的功能模块的界面。远程监控客户端界面如图6所示。

图6 远程监控客户端界面

为了提高程序执行效率，监控客户端的程序开发在分模块设计的基础上采用了多线程技术。线程调度由线程调度器完成。为了实现线程间的协调运行，防止多个线程同时访问同一资源时出现不可预知的后果，采用Windows环境提供的同步措施—事件(Event)来解决以上问题。客户端程序除主线程外，还包括保持客户端在线线程、发送更新程序线程、数据接收线程、串口收发线程。监控客户端软件流程图如图8所示。

图7 客户端软件流程图

保持客户端在线线程以一定时间间隔向服务器端发送“心跳”包，通知对方客户端的当前状态。发送程序线程主要负责将更新程序按页发送至服务器端。当用户打开程序文件时，将更新程序读取至数据缓冲区。此时远程升级按钮为可操作状态，点击远程升级按钮，激活发送线程。发送线程将数据缓冲区的升级程序按页发送至服务器端，经服务器转发至终端，收到终端应答后，发送下一页程序，依此循环，直至程序页完全发送(FLAG==TRUE)，然后发送完成标志。数据接收线程主要功能是接收来自服务器端的数据包，并对其分析、处理，例如将监控信息通过窗口间消息机制发送至指定窗口进行显示。就地监控与升级需通过串口与串级调速系统进行通讯，打开串口后即创建串口收发线程，串口收发线程主要负责客户端PC与串级调速装置间的数据往来。

4 系统测试与分析

本系统已在保定华仿科技有限公司的串级调速系统实验平台进行系统测试，并对运行情况进行详细记录与分析。为防止因采样频率过大而增加流量费用和消耗系统资源，而且又要避免重要信息遗漏，将数据采样周期定为60 s。系统测试总次数为200次。系统测试记录如表1所示。

表1 系统测试

WCDMA/3G网络理论上上行、下行速率可达到5.76 Mbps、7.2 Mbps，在实验环境下测得其平均速率为0.78 Mbps。由于采集的监控参数数据经封装以及转义后大小约为4.312 Kbyte，网络宽带有较大富余，能保证监控数据较快传输。在系统测试中，数据包传输时间小于1 s，小于系统实时性要求的2 s，满足实时性要求。测试中没有出现数据包的丢失及出错以及传输中断情况，满足系统的可靠性及准确性要求。终端登陆服务器用时与实验现场3G网络信号质量有关，测试中接入服务器时间小于3 s，满足系统要求。3G数据终端出现2次掉线，经分析，这是由于实验现场3G网络信号质量不稳定所致。由于在3G数据终端软件设计中，增加了掉线重连功能，所以3G数据终端在掉线后能及时再次登陆服务器，避免影响下一次数据传输。实验各项数据表明，实时性、可靠性、准确性、丢包率等各项指标都满足系统设计要求。

另外，系统抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。由于串级调速系统作业于工业现场，作业环境中的电磁信号干扰影响着采集数据的准确性，同时网络信号质量也是影响采集数据准确性的一项重要因素。可通过优化硬件及软件设计来提高系统的抗干扰能力。由于硬件设备由厂家生产，不可随意更改，本系统主要通过优化系统软件设计的措施来提高系统的抗干扰能力。采用的措施：一是在数据包中增加数据校验位，数据校验位为所有数据位异或；二是3G数据采集终端将从串级调速装置提取的参数信息存入临时缓存区，待接收到客户端正确接收数据包的应答后，清空临时缓冲区，以为下次存储新的数据做好准备；否则重新发送数据包，超时仍未收到客户端正确接收数据包的应答，视为包丢失。系统测试数据显示没有出现数据包的丢失及错误情况，验证了系统具有一定抗干扰能力，能保证数据的准确采集及可靠传输。

5 结论

本文从3G数据终端硬件结构、软件状态机模型，服务器及监控客户端的实现等方面阐述了系统的设计思路与实现方法。远程监控系统解决了串级调速系统传统的就地监控方式对恶劣环境中的现场设备监管不便的问题，确保操作人员及管理人员无须亲临工业现场，能及时掌握串级调速系统运行状态，有效的提高了工作效率并且节约了物力、人力。并且还可以根据实际需求，调整数据传输方式(由无线传输转变为串口传输)，提高了系统的适用性。通过在保定华仿科技有限公司的串级调速系统上实际测试，验证了系统的可行性。系统运行稳定，实现成本低，操作简便，监控画面友好，具有良好的市场应用前景。

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Design and Implementation of Remote Monitoring System of Cascade Control System

Zhang Qinghong1,Lin Yongjun1, Wang Xingwu2,Zhang Zhaoyan2

(1.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China；2.Baoding Huafang Science and Technology Co., Ltd.,Baoding 071051,China)

Aiming at issues such as the limitation of operating spot and supervision inconvenience of traditional local monitoring methods used by cascade control system,this paper proposes a solution of remote monitoring system of cascade control system based on mobile network. A hardware platform based on wireless data terminal realized the remote wireless monitoring of cascade control system through the cooperation with the server and client software developed in the Windows system.The wireless data terminal was developed based on MC9S12X128MAA MCU of Freescale company which was combined with wireless transmitting module EM770W M2M of HUAWEI company.The remote monitoring system was designed to transmit through 3G networks and Internet, the information of the wireless data network terminals jobsite equipment parameters to the server which can store and forward them.Users could achieve real-time on-site monitoring and control of the equipments by monitoring the operations of the clients. In addition to the remote monitoring functions, the system also included a remote upgrading capabilities. The overall scheme of the system was presented. And the implementation of software and hardware of lower computers, the software of host computer were introduced in detail. Practical experiment shows that the system could work stably with a friendly HMI, and meet the desired effects.

remote monitoring；EM770W；remote upgrading；server

2015-05-14。

张庆红(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为嵌入式技术在工业过程中的应用，E-mail：1044528248@qq.com。

TP393

B

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.009