远程I/O通信（精选7篇）
远程I/O通信 篇1
GPRS无线通信以IP封包形式传输,通信计费是以其传输资料流量计费,通信费用便宜、技术成熟、传输速度快。因此,GPRS无线通信被广泛地应用于远程无线控制终端设备通信中。
随着GPRS无线通信技术研究的不断发展,GPRS无线通信已经被模块化,用户只需要负责GPRS模块与自己的处理器之间的通信,即可实现GPRS无线通信。
本文选用GTM900作为GPRS通信模块,LPC2214作为驱动GPRS模块的处理器,通过UART串口控制GPRS模块,最终实现了GPRS无线通信远程控制I/O口终端的设计。整个设计采用UCOS操作系统[1]控制,串口通信采用标准的MODBUS协议,深入地解析了GPRS通信数据帧格式和MODBUS协议数据帧格式,从而规范了整个GPRS通信和串口通信的方式,从而确保了GPRS无线通信稳定且可靠。
1 GPRS模块GTM900介绍
1.1 GTM900系统框图
GTM900是一款可以通过AT命令实现GPRS无线通信的通信模块,其系统框图如图1所示。TE是与GTM900连接的串口通信设备,TA是终端调制器,ME是移动设备。首先,串口通信设备TE可以通过串口通信的方式向GTM900发送AT命令,AT命令经过TA调试终端解析,返回对应的结果,并将结果发送到TE,如果需要跟互联网连接,则TA可以通过ME移动设备将信息发送到网络上去,也可以通过ME将网络数据接收回来,并传输到TE处理。
1.2 GPRS模块与LPC2214的硬件连接
本设计采用LPC2214作为TE串口通信设备,负责GPRS模块的驱动和通信数据的处理。如图2所示,LPC2214的串口负责控制GTM900的串口,由R22和C12组成的RC充电电路为GTM900提供上电复位信号,在上电复位之后,GTM900就可以通过串口信号线RX和TX完成和LPC2214的串口通信和数据交互。
1.3 GPRS模块初始化
在GTM900硬件与LPC2214连接之后,首先要对GPRS模块进行硬件检测和初始化,整个流程如图3所示。首先,检测GPRS模块功能是否正常工作,对应的AT命令为“AT”,即LPC2214需要通过串口向GTM900发送字符串“AT”,如果正常,则GTM900会返回“OK”字符串到LPC2214的串口FIFO中;接下来就是关闭回显功能,对应的AT命令为“ATEO”,这一步主要是防止向GTM900发送的AT命令返回传输;接下来测试SIM卡是否正常工作,对应的AT命令为“AT%TSIM”;最后,配置APN参数,对应的AT命令为AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMET”,整个GPRS初始化完成,可以开始连接网络。
1.4 GPRS模块连接网络流程
GTM900的整个控制都是通过AT命令来完成的,对于每一种通信方式,都有对应的AT命令,由AT命令控制器完成对应命令的解析和实现。GTM900的连接网络过程如图4所示。首先,在连接网络之前,要查询GPRS信号强度情况,需要LPC2214串口向GTM900发送字符串“AT+CSQ”,如果信号良好,就可以注册移动网络;注册移动网络对应的AT命令为“AT+CGREG?”或“AT+CGEG?”,其中,LPC2214串口发送字符串“AT+CGREG?”表示注册本地网络,发送“AT+CGEG?”表示注册漫游网络;接下来就是TCP/IP的初始化,对应的AT命令为AT%ETCPIP=“USER”,“GPRS”,其中USER和GPRS代表用户名和密码,可以自己根据需要设定,中间必须加上逗号分开;接下来就是选用域名解析连接上位机,对应的AT命令为AT%DNSR=“域名”,域名就是用户GPRS需要解析的域名;最后,连接Internet,对应的AT命令为AT%IPOPEN=“TCP”,“DEST_IP”,“DEST_PORT”,其中,TCP代表TCP通信方式,DEST_IP和DEST_PORT代表目的IP地址和端口号,整个GPRS连接网络流程完成,如果连接网络顺利,则可以通过GPRS发送和接收IP数据包了。
1.5 GPRS通信IP数据包格式
GPRS在连接上无线网络之后,便可以进行TCP/IP网络数据通信了。GPRS在TCP/IP通信时发送数据帧格式为:AT%IPSEND=“DATA”,其中,“AT%IPSEND=”是启动TCP/IP发送命令字符串,双引号里面的DATA是用户发送的数据,只要用户以GPRS发送帧格式向GPRS模块发送一串GPRS发送数据帧,在GPRS接收端便可以接收到一帧GPRS数据帧。GPRS接收数据帧格式为:%IP-DATA:<LEN>,“DATA”,其中,“%IPDATA:”为接收数据帧包头,LEN为接收到用户发送过来的字节数,一共占用两个字节,DATA是用户发送过来的数据。
2 MODBUS通信协议
MODBUS协议[3]是一个请求/应答协议,可以用来规范主机和从机之间的通信方式。MODBUS协议规范、稳定且可靠,在串口通信上已经得到广泛的应用。通用MODBUS数据帧格式如图5所示。
GPRS主要是通过串口控制和交换数据,因此,采用标准的串口通信协议MODBUS协议可以规范GPRS传输用户数据段DATA,本文定义了2个MODBUS功能号,写多个寄存器和读多个寄存器,并将这2个功能号对应的用户数据段按照MODBUS协议标准解析成如图6和图7的格式。
设备号用来规定与GPRS模块通信的具体设备,占1个字节。功能号0x10代表写多个寄存器,对应图6数据帧格式,寄存器首地址代表数据写入第一个寄存器的地址,占两个字节,寄存器数代表连续从首寄存器开始写入的寄存器总数,占2个字节,写入寄存器的数据就是对应写入寄存器中的数据,每个寄存器对应其中1个字节的写入数据,最后是2个字节的CRC校验码;功能号0x03代表读多个寄存器,对应图7数据帧格式,与写多个寄存器相对应。
3 UART串口处理
GPRS模块与LPC2214之间的通信都是通过串口来完成的,其中,主要的串口处理包括串口发送和接收,而串口发送和接收都是以串口中断的形式请求CPU处理。下面定义了UART接收和发送参数结构体:
对于UART发送参数结构体很简单,只需要3个参数。其中,Buffer为串口需要发送的GPRS数据帧缓存区;Sending用来标志是否正在发送数据,用来防止在发送数据的时候再次启动数据发送;Length是用来标志每次发送数据时Buffer中存放的字符数,发送GPRS数据帧时,通过不断的判断和修改Txd.Length可以控制GPRS数据帧的发送,当Txd.Length=0时表示一帧GPRS数据帧发送完毕。UART接收参数结构体比较复杂,其中,Buffer为接收GPRS数据帧缓存区;Buf Count用来表示接收到GPRS数据帧的字节数;Receiving用来防止在接收数据的时候启动数据发送,这里特地添加了一个Over Flag接收完成标志,用来监视GPRS数据帧是否接收完成,当接收完成后,开始复制Buffer中的数据到Data中;Data OK表示GPRS数据帧复制完成。
4 系统设计流程
整个系统设计流程图[4]如图8所示。首先,初始化LPC2214和UCOS操作系统,LPC2214初始化主要有PLL时钟初始化、中断初始化等。由于使用到UART1串口中断,所以需要初始化串口1中断,定时器0为UCOS操作系统提供系统节拍时钟,所以还需要初始化定时器0中断。
在UCOS操作系统初始化之后,整个系统的操作都可以使用UCOS操作系统的任务管理来实现。本设计一共创建了5个任务,分别是:GPRS初始化任务;GPRS连网任务;GPRS信号强度查询任务;串口接收数据处理任务;串口发送数据处理任务。其中,串口接收数据处理任务对应等待信号量队列,用来接收IP数据包的不同功能号,并做出对应处理;串口发送处理任务对应发送一个信号量队列,用来发送不同IP功能号回文;而其他3个任务都对应一个信号量。首先,发送一个GPRS初始化信号,启动GPRS初始化,如果GPRS初始化成功,则发送一个GPRS连接网络的信号量,启动GPRS连网任务,连网成功之后,再发送一个GPRS信号强度查询信号,启动GPRS信号强度查询信号,GPRS信号好,则可以开始正常的IP包数据传输,这时,开启UART1串口接收和发送任务,等待上位机的IP数据包,如果接收到上位机的IP数据包,则发送一个信号到UART串口接收信号量队列,启动串口接收任务处理,这里只针对功能号0x03和0x10处理,功能号0x10代表用GPRS向客户端寄存器写多个数据IP数据包,功能号0x03代表用GPRS向客户端寄存器读多个寄存器IP包,在收到GPRS IP数据包并做出相应的处理之后,构建相应的GPRS IP数据包回文,并发送一个信号到UART发送信号量队列,启动UART串口发送任务,发送IP数据包回文到PC机上显示。
5 仿真结果与分析
上位机的IP地址为192.168.0.4,端口号为60055;下位机的IP地址为117.136.31.57,端口号为24256。
整个仿真过程为:1)上位机通过网络调试助手向下位机发送一帧MODBUS构建的写多个寄存器数据帧,如图9所示。其中14和10分别代表设备号和功能号;第1个0001代表写入下位机寄存器的首地址,这个地址是一个虚拟地址,这个虚拟地址与一个下位机的实际地址映射,这样下位机可以很方便地控制IP数据包的存放;第2个0001代表写寄存器的个数;02代表写入寄存器数据字节数,由于寄存器是16位,所以,每个寄存器写入2个字节数据;AA55代表写入数据;EB8E是CRC校验码。2)上位机向下位机发送一帧MODBUS构建的读多个寄存器数据帧,如图10所示。14 03 0001 0001与写多个寄存器MODBUS数据帧对应,后面D70F是CRC校验码,这一步就是要将写入下位机对应寄存器的数据读出来。上位机向下位机发送的MODBUS数据帧在下位机接收数据缓存Buffer中都会以标准的GPRS接收数据帧形式“%IPDA-TA:<LEN>,“DATA””存放,如图11所示。所有的数据都是以ASIC码形式存储的,前面是包头%IPDATA:<LEN>,存放在双引号中的是上位机发送过来的写多个寄存器的MODBUS数据帧,接收数据正确无误,下位机在接收到GPRS IP数据包之后,返回对应的回文,在图9和图10中可以看到下位机返回的回文,从回文中可以看到,写入下位的数据能够正确的读到上位机显示,整个GPRS通信结果正确无误。
6 结束语
针对GPRS无线通信远程终端I/O口控制问题,提出了一个从硬件设计到软件控制的整体方案。该方案详细分析了GPRS通信协议和GPRS模块控制AT命令,并根据GPRS标准协议规定了GPRS模块和LPC2214之间的GPRS无线通信数据格式,并采用MODBUS协议规范了它们之间的UART串口通信,使得整个设计规范和稳定,最终实现了GPRS远程控制I/O口终端。整个设计稳定、可靠,并且都是按照标准的协议进行通信,而且成本低,能够方便地运用于移动终端设备连网,具有很好的实用性和市场价值。
摘要：GPRS无线通信已经广泛地运用于现实生活中。针对GPRS无线通信远程终端I/O口控制问题,提出了一个从硬件设计到软件控制的整体方案。在该方案中,完成了GPRS模块GTM900的硬件连接设计和软件驱动,规范了GPRS模块与LPC2214处理器之间串口通信的MODBUS协议标准格式,实现了GPRS无线通信。实验结果证明,所提出来的方案成本低,且稳定可靠。
关键词：GPRS,MODBUS,LPC2214,GTM900,UART
参考文献
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远程I/O通信 篇2
随着科学技术的日新月异自动化水平的不断提高。将电气控制系统 (简称ECS) 纳入集散控制系统以下简称DCS实现炉、机、电一体化监控, 已是各工厂所必须选择的控制系统方案。由于国内对电气系统监控的有关规定、规范还在不断地修订完善中, 对电气系统的控制方式没有作统一的规定, 国内各企业对电气系统接入DCS的方式采用了不同的方式, 主要有“硬接线”方式、远程I/O及分布I/O接口方式、智能终端设备 (ST) 和现场总线 (FB) 连接方式, 各种方式各有优缺点, 目前在工厂的新建项目中应用较多的是远程I/O及分布I/O连接方式。
2 远程I/O及分布I/O接口方式
远程I/O基于现场总线发展起来的现场与控制室或控制系统之间的一种全数字、双向串行、多节点的通讯系统。现场总线是工业系统向分散化、智能化、网络化的发展方向, 其导致传统自动仪表和控制系统在结构和功能上得到进一步的变革, 把DCS集中与分散相结合的控制方式变成新型的全分布式控制网络。远程I/O适用于恶劣环境中, 远程I/O的理论基础简单, 工程应用方便可靠, 整套系统设计方便, 整体网络和硬件可以自由分配, 灵活变通, 主要注意工艺要求, 整体考虑防止网络地址的冲突。具体实践应用应该了解硬件的原理和注意事项, 软件应了解组态方式, Profibus—dp协议转换卡组态简单, 可以进行离线组态, 并要保存好组态程序。远程I/O和DCS通讯应清楚通讯协议以及其衔接部分的接线方式, 通讯距离决定用光纤还是普通通讯电缆, 采用光纤还需要配备光纤耦合器。控制系统个从设计、安装、投运到生产运行及其维护检修都有其优越性;通讯速率高, 通讯质量好, 通讯介质广, 网络拓扑结构灵活, 可应用于安全等级较高的危险场合。特别投资少、耗能少;是符合国家提倡的节能环保要求。
远程I/O通信 (分布式I/O通信) 是采用的周期I/O数据传输方式。远程I/O通信中采用“周期I/O方式交换数据”, 按照主从方式存取控制, 其带的通信处理器作为主动站, 其它远程I/O单元皆为从动站。在主站设立一个“远程I/O缓冲区”, 主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式, 按照顺序与各从站交换数据存放于远程I/O缓冲区中。这样周而复始, 使主站中的“远程I/O缓冲区”得到周期性刷新。在主站中的CPU单元负责用户程序的扫描, 它按照循环扫描方式进行处理, 每个循环扫描周期都有一段时间集中进行I/O处理, 这是它对本地I/O单元和远程I/O缓冲区进行读写操作;尽管主站中的CPU单元没有直接对远程I/O单元进行操作, 但是由于主站中远程I/O缓冲区和远程I/O单元是一一对应的, 所以主站CPU对远程I/O缓冲区进行读写操作, 就相当于直接访问了远程I/O单元。图1、图2分别为远程I/O连接方式和分布式I/O连接方式。
3 性能结构分析
远程I/O它的最为主要的优势在于远程, 最远传播距离为可达到十几公里, 其次是稳定性和可靠性高, 在恶劣的工业环境里, 一旦通讯正常可以保证几年不出问题, 为化工连续生产带来了保证。技术特点是:
(1) 系统具备开放性;总线标准、通信协议均是公共的, 一次性选用后可以满足多种上位机系统兼容和集成, 通用性极强。
(2) 互可操作性和互换性;是实现互连仪表、设备间及系统间的信息传送与沟通, 可实现点对点、一点对多点的数字通讯。互换性是不同生产厂家性能类似产品可以互换, 而不必担心兼容性。
(3) 适应性强;其通讯可支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、电力线、射频。同时能够适应环境恶劣的工业现场, 抗干扰能力强。
存在的问题:近几年来, 在新建火电机组及工厂电气系统都实现了范围不等的联网应用, 并通过远程I/O接口向DCS传送监测信息, 在提高电气系统自动化水平和管理维护方面, 给用户提供了实实在在的好处。但是, 电气控制系统 (ECS) 在实施过程中也存在此困难和问题, 主要如下:
1) 对于DCS厂家来说, 取消了大量的变送器和I0卡件, 市场利益受到一定的冲击, 还要投入精力来做通信接入工作, 难免会有定的抵触情绪。
2) 目前国内也投资了进口DCS设备, 但DCS的通信开放性受到很大限制, 对于通信的信息, DCS的通信周期、数据包长度都对通信的实时性有很大影响。
3) 通信方式与硬接线方式相比, 信息申转环节多, 在可靠性和实时性方面还有一定的差距, 目前通信的信息大多局限于监测信息, 还不能完全实现用户期望的全通信目标。
4) ECS节点多、分散性强, 并且多台机组需要分期建设, 对系统的容量、网络构架的可扩展性和设备厂家的售后服务能力都提出了很高的要求, 而不同厂家的解决方案良秀不等, 网络通信中断、信息刷新缓慢等问题经常困扰用户, 使系统维护量增大, 从而影响ECS的实施效果和用户的应用信心。
5) 从投资成本来看, 由于部分工程ECS的站控层和通信层配置较复杂, 从而使ECS的投资偏高, 对于整个控制系统而言, 成本降低并不明显。
6) 在DCS投运之后, 用户对ECS酌应用相对较少, 关注程度较低, 因而目前ECS的电气维护和管理功能并不十分完善。
对于以上问题的解决, 一方面, 需要ECS厂家切实根据用户需求提供先进的技术、可靠的产品和完善的服务, 并且能持续不断地改进和创新, 特别是提高网络通信的可靠性和实时性、提供丰富完善的电气维护和管理功能;另一方面, 需要广大电厂、设计规划部门和DCS厂家以更加坚定的信心和开放的心态来接纳ECS, 各方密切配合, 从真正为电厂用户提供服务的角度出发, 做好ECS和DCS的互联规划和实施工作, DCS厂家应从软硬件配置上满足异构系统互联的开放性、实时性和灵活性要求。
4 结语
远程I/O通信 篇3
随着工业自动化系统向分散化、网络化和开放式结构的方向发展,自动化系统将部分测控功能下放到远程I/O模块完成,同时将符合同一标准的各种远程I/O连接在总线上,实现整个测控系统的分散控制。目前Modbus已经成为工业测控网络应用中的一种事实上的标准协议,并已列为我国的指导性国家标准(GB/Z 19582.1-2004和GB/Z 19582.2-2004)。由于具有简单、可靠和透明等特点,Modbus测控设备在工业现场的占有率和需求均较大。
现有文献报道的Modbus远程I/O模块均是以单片机或ARM为核心实现的[13],硬件电路的复杂程度和成本相对较高,软件编程也较困难。本文介绍的Modbus远程I/O模块以CPLD作为核心芯片,Modbus协议采用VHDL语言编程在CPLD内部实现,外围输入/输出电路的控制也由CPLD完成,使模块的硬件结构得以简化,电路的集成度得以提高,具有运算速度快和可靠性高等特点。
1 远程I/O模块结构
CPLD选用了价格低廉的MAX7000S系列EPM7064SLC44。基于CPLD的远程I/O模块设计包括多种类型,主要有:1) 32路数字量输入模块,用于检测开关、按钮、运行和故障等信号的状态;2)16路数字量输出模块,通过继电器驱动现场的被控设备;3) 8路模拟量输入模块,用于检测现场输入的4mA～20mA标准电流信号;4) 4路模拟量输出模块,可以通过拨码开关选择电压或电流输出。
远程I/O模块的硬件电路主要包括以下几个部分:CPLD芯片、电源电路、数字量输入电路、数字量输出电路、A/D转换电路、D/A转换电路、I/O模块站号设置和RS-485接口电路等,硬件整体逻辑结构如图1所示。CPLD芯片的作用包括:1)控制外围电路完成输入数据采集或输出控制量;2)通过嵌入的Modbus协议模块和UART接口及外部的RS-485接口芯片,实现远程I/O模块与Modbus主站之间的数据通信。
1.1 数字量数入/输出电路
数字量输入电路可以承受10V～24V直流电压输入,由于外部干扰信号作用,在输入电路设计部分需要加入光耦来隔离外部干扰信号,对于数字量输出部分则采用了继电器输出,由于CPLD管脚的驱动能力有限,同时也为了保护CPLD芯片免受外部电流冲击,需要采用三极管驱动继电器线圈。在数字量输入和输出电路部分同时使用发光二极管指示其所在通道的通断状态,便于操作人员观察。
1.2 模拟量输入/输出电路
A/D转换电路采用AD7858芯片完成0V～10V标准直流电压输入信号采集,该芯片可以支持8路模拟电压同时输入,采样速率高达100K。通过SPI总线与CPLD连接,可以节省CPLD外围管脚使用数量同时提高数据采样速度。通道切换由SPI指令完成,如果有模拟通道未使用,可以将其与地短接,否则会有感应电压产生,影响测量。
SPI (Serial Peripheral Interface)是一种高速的、全双工、同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局节省空间,提供方便。正是由于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。在远程I/O模块中需要将SPI连接和控制功能集成到CPLD芯片内部。
D/A转换电路采用了高精度、低功耗、全数字、电流环转换芯片AD420。具体输出量程可以通过管脚Range Selectl和Range Select2,配置为0V～5V、4mA～20mA、0mA～20mA或0mA～24mA。如果需要输出电压代替输出,可以增加一个额外的电压放大器得到0V～5V、0V～10V、±5V或±10V的电压。AD420具有灵活的串行数字接口,最大通信速率可达3.3Mbps,AD420与外部控制器可以通过SPI或Micro-wire接口通信。在我们设计的远程I/O模块中通过3线的SPI方式实现了模拟量的输出功能。
1.3 站号设置电路与RS-485接口电路
站号设置电路采用了8位拨码开关设置模块的站号。在同一网络中不能有相同的I/O模块站号,站号设置范围为1～255之间。由于I/O模块需要和Modbus主站之间进行远距离通信,同时为了提高模块工作的稳定性,在通信接口电路中选用了抗雷击的半双工RS-485接口芯片SN75LBC184,通过CPLD对半双工管脚的控制,可以使芯片在接收和发送之间切换。为了便于接收Modbus主站查询I/O模块的数据,芯片默认处于接收状态。
2 Modbus协议的实现
Modbus协议是串行现场总线通信协议,定义了独立于物理介质的消息帧结构,通过Modbus协议可以实现控制器之间、控制器与远程I/O之间串行通信。随着Modbus协议的广泛应用,该通信协议已经发展成为一种在工业控制领域真正开放的、标准的网络通信协议。
Modbus协议采用主从技术,是一种主从应答方式的通信协议。在同一个通信网络中只有一个主设备可以初始化传输(查询),其他设备(从设备)根据主设备的查询数据做出相应的反应。主设备可以单独与从设备通信,也可以以广播方式与从设备通信。
Modbus协议规定了两种传输方式:ASCII模式和RTU (Remote Terminal Unit)模式。ASCII模式规定在消息中的每个字节(8 bits)作为两个ASCII码字符发送,数据校验方式采用LRC逻辑冗余校验。这种方式的优点是字符发送的时间间隔可达到1s而不发生错误,缺点是通信速率较RTU模式慢。而RTU模式则规定在消息中的每个字节包含有两个16进制字符,数据校验采用CRC循环冗余校验,这样可以极大限度地利用数据位空间,提高通信效率。在相同的通信速率下,RTU模式比ASCII模式可以传输更多的数据。
2.1 Modbus远程I/O模块整体功能及模块划分
CPLD芯片内部采用并行数据通信方式,为了实现其与外部电路的串行通信,需要设计一个UART接口实现串、并行数据之间的转换,其中UART接口包括发送模块、接收模块、接口控制模块和波特率模块。接口模块控制接收模块和发送模块完成外部Modbus主站与Modbus从站之间的数据交换。考虑到工业现场需要处理的数据较多,可以利用CPLD自带的LPM功能为接收模块和发送模块分别定制一个FIFO缓冲区,缓冲区大小可以设置为32个字节。整个远程I/O模块的功能结构如图2所示。通过UART接口将Modbus主站查询数据转为并行数据传到Modbus模块,Modbus调用CRC子函数完成校验,判别功能代码并执行相应的操作。根据执行功能代码的情况,远程I/O应答外部Modbus主站,需要通过UART将并行数据转换为串行数据输出。
2.2 远程I/O模块的Modbus从站协议
远程I/O模块在通信中以数据帧为单位,每个帧包括1 1位的串行比特流,具体格式为:1个启始位、8个数据位、奇/偶检验位、停止位(无检验位时,需要两个停止位)。
消息帧中的地址码标志查询/选通的设备,功能码将告之从设备执行何种命令,其中Modbus常用的功能码如表1所示。
在远程I/O中支持02、04、05、06、15、16代码,Modbus主站设备可以通过以上功能码完成对远程I/O模块的测控,远程I/O模块根据执行情况返回控制器一个应答帧。Modbus从站程序查询应答流程如图3所示。
远程I/O模块的功能主要包括数据采集、数据处理、状态指示、查询应答、异常处理。数据采集是CPLD在机器时钟的作用下完成对A/D与数字量输入状态的采集。由于工业现场环境恶劣、干扰源多、如环境温度、强电子磁场等,这些干扰会使A/D转换结果偏离实际值。数据处理可以在完成A/D转换后对取得的数字量进行滤波求取平均值,提取有用信号,抑制或消除干扰和噪声。状态指示灯可以方便用户判断远程I/O模块的供电情况、A/D电路工作情况、各路输入/输出的通断状态。异常处理主要针对从站执行主站的查询情况而设置的,由于外界干扰或从站不支持某些功能,需要对主站控制器返回异议应答,并利用错误代码指示相应的错误。
根据图3的流程利用VHDL语言编写Modbus从站协议,对接收到的数据首先进行地址判断,以决定是否继续接收数据,然后对数据帧进行CRC校验,如果正确则对功能码进行判别并执行相应的功能,否则返回异议应答,其中CRC校验采用的是8位并行计算方法。
2.3 CRC校验
循环冗余校验码CRC (Cyclical Redundancy Check)在数据通信和计算机通信中有着广泛的应用,它具有编码和解码方法简单,检错纠错能力强等特点,可以显著提高系统的查错能力[4]。CRC校验的基本原理是在一个K位的二进制数据序列之后附加一个R位的二进制校验码序列,构成一个长度为N=K→R位的二进制序列,这种编码又叫(N,K)码,它可以提高整个编码系统的码矩和检错能力。
在CRC计算中的关键因素有两个:一是CRC生成多项式的选择;二是依据生成多项式计算CRC校验结果。目前常用的CRC生成多项式如表2所示,由于Modbus协议采用了CRC-16计算方式,因此生成多项式选择x16+x15→x2+1。
CRC校验一般可分为软件和硬件实现两种方法。Tenkasi、V.Ramabadran和Sunil S.Gaitonde总结了5种用于软件的实现方法,其中最常用的是按字节查表法和半字节查表法[5,6]。软件查表法不但需要占用大量的存储空间,而且由于软件顺序执行的速度要比硬件并行速度慢,因此软件查表计算CRC不适合在实时性要求较高和数据量大的场合使用。
CRC的并行计算有查表法以及基于查表法导出的一些方法,但是这些方法都需要存储长度较大的CRC余数,并且随着并行位数的增加,余数表的长度按指数增加,因此查表法的硬件实现的可行性大大降低。Giuseppe Campobello、Giuseppe Patane和Marco Russo根据线性时不变系统LSFR的特性推导出了用于CRC计算的转换矩阵,但变换矩阵推导方法过于繁琐[6,7]。
目前,大部分CRC都是在芯片内利用硬件直接完成串行校验的,其中经典的硬件电路采用了LSFR (Linear Shift Feedback Register,线性反馈移位寄存器)来完成,如图4所示。这种串行CRC计算电路仅使用了移位寄存器和异或门,占用CPLD的资源很少。这种方法虽然简单,但由于CRC计算是一个机器时钟计算一个比特位,因此对于处理数据量较多的Modbus数据不能满足实时性要求。
在远程I/O模块设计中采用的是一种按字节并行计算CRC的方法,它直接推导出CRC校验码、输入数据和生成多项式的逻辑关系,然后直接运算得出CRC校验码。这种按字节并行计算的思路是模拟图4中LSFR线性反馈移位寄存器串行计算电路的计算过程,从而推导出每次并行处理一个字节后的CRC校验码与当前输入字节和CRC寄存器前一状态的关系。直接推导计算CRC校验码的方法具有直接、简洁、运算速度快、占用资源少的优点。经过8次模拟串行数据计算得到CRC-16按字节并行计算的结果,如图5所示。
图5中“CRC”表示按字节并行运算的校验结果,“因子”表示每位CRC寄存器中所包含的项数,“异或”表示因子之间的关系,Xi=Cixor Di,其中Ci为CRC寄存器的第i位,Di为输入字节的第i位。在CRC计算过程中,使用VHDL语言首先将CRC寄存器初始化为0XFFFF,再根据图5中CRC并行计算公式编写程序,在CPLD内仅需要占用少量的异或门和寄存器就可以在一个机器周期内完成CRC校验。将编写好的CRC-16程序作为子函数并打包存放在工作库中,这样可以十分方便地调用CRC函数完成对发送数据和接收数据的CRC校验。
3 串行通信接口功能的实现
Modbus协议可以运行在RS-232接口或RS-485接口上,通过RS-485接口可以将远程I/O模块与主站连接。由于主站通常距离现场I/O模块较远,因此选用了通信距离远、抗干扰能力强、通信速率快、价格便宜的RS-485接口。另外由于RS-485总线传输串行数据而CPLD内部采用了并行方式处理数据,因此需要一个并、串转换电路。
UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter,通用异步收发器)广泛应用于串行数据传输协议。UART用于短距离通信,主要包括数据缓冲器、奇偶校验、串/并转换。UART的特点是一个字符接一个字符地传输,并且传送每个字符总是以“0”为起始位,以“1”为停止位。每个UART字符帧都是由1个起始位,5～8个数据位,1个校验位,1～2个停止位组成,如图6所示。
一般采用专用集成芯片实现UART功能,如8250、8251等,这类芯片有时还需要很多辅助电路例如FIFO。在远程I/O模块设计时为了节省空间,将UART的功能集成到CPLD内部,将半双工RS-485芯片SN75LBC184的接收、发送、控制管脚分别与集成UART功能的CPLD管脚连接,通过CPLD控制数据的收发,实现利用485接口通信的目的。
根据UART的功能,将其划分为4个模块:波特率发生器、接收模块、发送模块、控制模块。在每个模块里采用状态机编程,因此可以提高程序的可靠性,使程序易读、结构合理、容易修改和排错。
3.1 波特率发生器
波特率发生器实际就是一个分频器,可以根据给定的系统时钟频率(外部晶振时钟)和要求的波特率计算出波特率的分频因子。波特率发生器的分频系数一般在CPLD内是固定的,但对于不同的通信设备,这个系数往往需要修改,在VHDL语言中可以采用Generic语句使问题得以解决。通过总线将不同的数值写到波特率发生器保持寄存器,分频器就可以产生不同的分频时钟,这个分频时钟不是波特率时钟,而是波特率时钟的16倍,目的是为了在接收数据时可以进行精确的采样。CPLD采用外部有源24M晶振时钟,在9600bps的通信速率下发生器的分频的系数为:24M/(16×9600×2)=78,将分频系数写入波特率发生器并对波特率发生器的波形仿真,结果如图7所示。clk外部晶振频率;rst为复位信号,低电平有效;clk16为分频时钟输出,是波特率的16倍。
3.2 发送模块设计
根据UART协议的描述,将字符的发送分为6个状态:空闲、发送起始位、等待、移位发送数据、校验、停止。数据发送由接口控制模块控制,接口模块给出wrn信号后,发送模块根据此信号锁存并行数据,通过发送保持寄存器和发送移位寄存器进行并串行数据转换。其中计数器no控制状态的转移,计数值为0时发送起始位,计数器为1～8时发送8位数据位,计数器为9时发送校验位,计数器为10时发送停止位,计数器随后清零并向控制接口模块发送并串转换完毕的信号。采用16倍于波特率的时钟发送数据,整个发送逻辑流程如图8所示。
图8中rst为复位信号,低电平信号有效;xmit_cmd_p为并串转换开始脉冲信号,高电平信号有效;no为发送数据个数计数脉冲;cnt为等待计数器。对发送模块进行时序仿真,结果如图9所示。clk16为波特率时钟的16倍;rst为复位信号,低电平有效;txdbuf为发送寄存器;txd_done为并串转换完毕信号;xmit_cmd_p为串并转换开始脉冲信号;txd为发送数据线。
3.3接收模块设计
根据UART的协议描述,接收模块的作用与发送模块正好相反,接收模块编程与发送模块类似,将接收分为6个状态:空闲、发送起始位、等待、移位发送数据、校验、停止,按照不同的状态分别完成接收起始位、8位数据位、产生校验位、停止位。但接收模块接收时钟与发送部分时钟是异步的,因此接收逻辑首先通过检测输入数据的下降沿来检查起始位,然后产生接收同步时钟,利用接收时钟每隔16个周期采样串行输入数据的中间部分,提高接收数据的准确程度消除干扰,在缓冲其中作移位操作,同时产生校验位,在第9位处比较校验位是否正确,在第10位处比较停止位是否为高电平,在校验位错误或停止位错误的情况下产生错误指示信号,若接收完毕需要输出一个指示信号。
UART接收模块时序仿真结果如图10所示。clk16波特率的16倍;rst为复位信号,低电平有效;rdfull为串并转换完毕信号;rxd为串行输入数据线;qout为串并转换接收寄存器。
3.4接口控制模块设计
接口控制模块控制发送、接收、波特率发生模块并与外部并行总线相连接,从外部接收控制信号来控制串并数据之间的转换,同时设置并串转换完成标志和串并接收完成标志。利用QuartusⅡ软件自带的工具将各个功能模块生成工程原理图,在原理图中完成各个模块的接口连线与管脚锁定任务。
4结束语
基于CPLD的远程I/O模块可灵活组合,并通过标准的RS-485总线与主控设备通信,完成数据采集和控制功能。主控设备与远程I/O模块之间采用被广泛应用并透明公开的Modbus协议实现数据通信,远程I/O模块接收到控制器命令后可以独立完成数字量和模拟量的输入输出功能。因此,大大提高了控制系统的可靠性、灵活性和开放性,还可有效地减小主控设备的负荷。基于CPLD的Modbus远程I/O模块内部Modbus协议采用硬件电路实现,执行效率更高。该模块具有体积小、操作简单、使用方便、价格低廉、可靠性高等优点。
参考文献
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远程I/O通信 篇4
ioLogik E1500配备了一个坚固的铝制外壳及一个带螺纹的M12以太网端口, 在振动环境下仍能确保网络的可靠连接;还提供在抗振环境下用于布线的弹簧式接线端子及安装便捷的导轨安装配件。在铁路应用中, 提供浪涌保护是以太网I/O的关键指标, ioLogik E1500支持特别设计的通道和通道之间的隔离保护, 可提供最大限度的保护。在这种拓扑结构中, ioLogik E1500的每个I/O通道都是单独隔离的, 确保高效稳定的数据通信, 以应对如雷击这样的高电涌环境。
ioLogik E1500符合EN 50121-3-2、EN 50121-4和EN 50155标准基本部分 (包括工作温度、输入电压、浪涌保护、ESD和抗振等) , 确保产品可以应用于机车车辆。ioLogik E1500远程I/O具有可靠、耐用、安全的特性, 可应用于铁路行业。
远程I/O通信 篇5
1远程I/O现场总线简介
远程智能I/O (输入/输出) 是微机技术和网络通信技术发展并结合的产物, 采用DCS网络通信技术及PLC和单回路控制器的现场处理控制技术, 可应用于计算机监视和分散控制等系统。实现了计算机系统在功能上, 特别是地理位置上的高度分散。其结构如图1所示。
一般由智能前端机, 现场总线和计算机DPU模件 (适配器) 组成, 每台前端机和适配器上都有单片机, 安装在现场的采集前端机将现场信号就近采集, 并将参数进行预处理, 然后用数字通信方式将数据经现场总线 (光缆) 和DPU模件送入微机, 用于显示, 分析和控制, 微机处理后的数据再通过总线传输给现场控制前端机, 按预定方式向现场设备发出调节信号, 由此实现数据采集与控制。远程智能I/O (输入/输出) 用于工业测控系统, 有较高的性能价格比, 其突出优点是前端机采用金属密封外壳封装, 环境适用能力强;前端机就近处理现场信号, 可节省大量信号电缆, 安装、调试、维护方便。采用隔离浮空的串行网络总线结构, 具有较强的抗干扰能力。处理数据的精确度和可靠性得以提高, 主机负荷率大为减少, 提高了主机从事高级运算处理能力等。
2远程I/O和现场总线在侯马三期工程中的应用
侯马电厂三期扩建工程中, 控制系统的总体结构实行分层分组原则:在横向按被控对象的独立性和完整性来划分区 (站) , 在纵向上按控制功能进行分层, 使得任一控制器或模件故障时影响面尽量小。各系统之间的通讯方式、信息达到共享。
1) 在DCS系统中, MCS, SCS系统所需的输入信号直接由I/O通道引入各自系统, DAS系统共享这些信息。2) 控制系统和保护系统的输出采用独立的输出通道。触发MFT的信息不通过主通讯总线传送。3) 程序控制用于SCS的硬件、软件均采用分层、分组结构, 驱动级可独立于子组级工作。4) I/O信号通过I/O通道直接引入驱动级逻辑装置内, 确保辅机本身安全的启、停允许条件信号;驱动级间互相连锁的信号;常规后备手操器的输入信号。5) 对于常规仪表和后备手操的设置原则是:当分散型控制系统通讯故障或操作员站全部故障时, 确保紧急停机;当一个控制器 (站) 故障时, 能保证稳定负荷下短时安全运行和安全停机。6) 对整个控制采取的可靠性措施。a.由于DCS系统采用分级分散结构, 功能分散而使危险分散。当某一微处理器或模块故障时, 不会影响其他子系统的正常运行。b.DCS系统的通讯总线、操作员站、供电电源以及用于重要保护和重要调节项目的模件均按冗余配置。c.DCS系统设有多种硬、软件监视措施, 自诊断功能可到模件级, 可及时发现故障。d.DCS系统具有较强的抗干扰措施。e.为提高DCS系统输入信号的准确性, 对于一次元件, 变送器 (罗斯蒙特) 等选用安全可靠的产品。重要的参数或状态信号按双重化或三重化设置。f.选用质量好、较为可靠的执行机构、电动阀门和仪表阀门。配备满足系统要求的终端开关, 并设有各种保护、连锁措施。g.要求主辅机制造厂进一步提高主辅机的可控性。配供的调节阀、电磁阀等均应满足要求。h.自动化系统设有少量的常规仪表和后备手操设备, 当DCS系统故障时, 可确保机组紧急安全停机。7) 主要控制系统的可靠性指标。a.DCS系统的可利用率应为99.9%。b.系统精度:输入信号±0.1% (高电平) , ±0.2% (低电平) ;输出信号±0.25%。c.事件顺序记录分辨1 ms～2 ms。侯马电厂三期扩建工程采用远程I/O和现场总线, 在数据采集DAS系统中, 例如对锅炉44点壁温/每台炉和一、二次风机, 引风机, 流化风机, 冷渣风机等轴承, 线圈温度共56点/每台炉采用I/O远程传输来说, 目前调试、试运过程中, 信号稳定, 抗干扰性能强, 测量精确。
3远程智能I/O和现场总线的经济价值
侯马电厂三期扩建工程中, 数据采集系统 (DAS) 采用了远程I/O和现场总线控制, 光对一部分温度测点就节约通信电缆达20多千米, 节约成本10万元之余;同时大大减少了主机负荷率, 提高了主机从事高级运算能力, 如果我国目前在建或未建工程中, 50 MW, 100 MW, 200 MW, 300 MW, 500 MW, 600 MW等机组中, 广泛采用远程智能I/O现场总线控制, 必将大大地节约成本, 实现更好的经济效益。
4远程智能I/O和现场总线控制的应用和发展前景
远程智能I/O的应用推动了现场总线 (field bus) 技术的发展, 加速了现场装置的数字化和智能化进程, 如智能变送器, 智能执行机构等现场智能装置已获得长足的发展。 现场总线是现场智能装置与控制系统之间采用双向数字通信技术相互进行信息交换的通信总线, 可采用双绞线, 同轴电缆或光纤, 目前多采用双绞线或屏蔽双绞线, 在通信方式上, 可采用同步传输, 也可采用异步传输, 可采用双工或半双工方式, 现多采用异步半双工方式, 对于远程智能I/O网络几乎各生产厂都有各自的协议而与其他产品不相兼容。由于都可处理现场模拟信号, 对整个系统运行影响不大, 对于智能变送器, 目前主要是HART和DE两种协议, 互不兼容, 只能分别与采用相同协议接口的计算机或DCS进行通信。
HART协议是20世纪80年代中期由罗斯蒙特公司开发的一种可寻址的远程传感器数据公路 (Highway Addressable Remote Transducer) 通信协议, 在BELL202标准基础上采用移频键控制 (FSK) 方式, 使用1.2 kHz和2.2 kHz载波 (分别代表1和2) 在4 mA～20 mA模拟信号上完成数字信号传送。HART协议采用串行异步半双工方式通信, 主从方式工作, 以支持点对点和点对多点通信。HART协议采用三种信息约定, 遵守HART协议的成员目前约有90家。
DE协议是由霍尼威尔公司开发的一种数字增强型 (Digit Enhanced) 通信协议, 采用波特率为220 Hz低频电流脉冲, 使用4 mA和20 mA电流分别代表1和2, 数据用浮点串行方式送入双绞线进行数字通信时, 回路中的模拟电流不再代表信号测量值, 采用DE方式协议的成员已达150家公司。
1994年9月23日, ISP组织 (采用HART协议) 和北美Wordfop组织 (采用DE协议) 宣布并成立国际的现场总线组织共同开发和制定现场总线标准, 并解决产品间的兼容性问题。这样, 任何不同厂家的产品都能挂在同一总线上与计算机或控制系统相连, 实现信息交换和资源共享, 将给用户带来巨大收益。
5结语
远程智能I/O和现场总线虽然在一些电厂局部使用, 但是还没有大面积推广, 随着微机技术和网络通信技术的发展, 这必然成为将来现代化企业DCS中数据采集发展的一个趋势, 凭着远程智能I/O和现场总线在数据传输方面表现出的可靠性、准确性和更好的经济价值, 一定会在现代化企业中逐步表现出它的强大生命力和广阔的发展前景。
摘要：以侯马电厂三期扩建工程为例, 介绍了远程I/O和现场总线在该工程中的应用, 阐述了远程智能I/O和现场总线的经济价值, 并对其应用和发展前景进行了展望, 指出其必将成为现代化企业DCS中数据采集发展的趋势, 具有强大的生命力。
关键词：远程I/O,现场总线,DCS网络通信技术,经济价值
参考文献
[1]白焰, 吴鸿, 杨国田.分散控制系统与现场总线控制系统——基础、评选、设计与应用[M].北京:中国电力出版社, 2001.
远程I/O通信 篇6
1 总线式本安远程控制系统
在某企业的设计规划中, 罐区、火炬装置分别距离主生产装置、中控室和远程控制室较远, 火炬装置距离在1.5km以上, 罐区装置距离远程控制室350m, 且罐区、火炬生产装置被划分为I类危险区域, 在设计方案中采用TURCK的总线式本安远程I/O系统 (下文简称远程I/O系统) 作为通信从站, 主控制系统HONEYWELL TPS作为通信主站, 网络结构如图1所示。
由于总线式远程I/O系统采用了PROFIBUS协议, HONEYWELL TPS不能直接与PROFIBUS协议通信, 因此使用了DP-MODBUS网关将PROFIBUS-DP协议转换为MODBUS协议通信 (如果需要通信的中控DCS支持PROFIBUS协议, 则可直接与TURCK的远程I/O系统通信, 无需通信协议转换) , 通信方式采用RS485 RTU通信接口。由图1可知, 罐区远程I/O系统因离远程控制室相对较近, 使用标准PROFIBUS通信铜缆, 与火炬远程I/O系统光纤耦合器 (OC11Ex/3G) 铜缆并联接入段耦合器SC12Ex, 其中安装于远程控制室中的光纤耦合器OC11Ex/3G可用于危险2区, 安装于现场的光纤耦合器OC11Ex/2G可用于危险1区;段耦合器SC12Ex用于非危险区, 实现RS485与RS485-IS之间的本安隔离。TURCK总线式本安远程I/O系统理论上通信速率可达到1.5Mb/s, 采用标准PROFIBUS铜缆的网段总线长度最长为1 200m, 考虑到工艺操作的需要, 在该应用中罐区、火炬装置远程I/O实际设置的通信速率为19.2kb/s。
1.1 系统硬件
以火炬装置远程I/O为例, 系统硬件结构如图2所示。该系统母板型号为MT18-R024, 采用冗余电源模块PSD24Ex, 电压为24VDC, 在冗余模式下, 可以对电源模块在线插拔, 不会影响对整个系统的正常供电。GDP1.5模块作为本安型网关, 将系统连接到PROFIBUS-DP网络, 可以直接安装在危险1区, 并且为冗余配置。AI40Ex模块用于连接4路两线制本安变送器;AI41Ex模块用于连接4路四线制变送器 (输入端无源/变送器有源) ;AO40Ex模块用于连接4路本安执行器或过程显示仪表的模拟量输出模块;DO40Ex模块用于连接本安执行器 (控制开关阀、电机等设备) 。此外, 以龙宇煤化工有限公司罐区装置单元为例, 远程I/O系统中采用了TI40Ex模块, 该模块可以用于连接2、3、4线PT100、PT200、PT400、PT1000、Ni100、CU100热电阻或B、E、D、J、K、L、N、R、S、T及U形热电偶温度信号。
1.2 系统软件
图尔克远程I/O的系统软件采用了组态软件ProLinx Sycon (版本2.91) 和通信软件ProSoft Configuration Builder, 通过编程器与远程I/O组态非常方便, 但是在该公司项目建设过程中, 使用DP-MODBUS网关将PROFIBUS-DP协议转换为MODBUS协议通信的情况下, 有一个模拟量整定方面的难点:对于热电偶、热电阻和模拟量信号的处理。经过多次的实验和分析, 最终找到了解决的方法:热电偶信号经远程I/O通信来的数据是绝对温度;热电阻信号经远程I/O通信来的数据需要除以1 000得到实际测量值;4～20mA模拟量经远程I/O所通信来的数据是微安值, 需要在DCS端通过程序进行模拟量的量程整定。
2 运行效果
目前龙宇煤化工有限公司远程I/O系统已经投用五年多时间, 只有在罐区远程I/O系统安装、调试期间, 远程I/O系统电源临时使用现场的检修电源时, 检修人员在现场使用电焊设备, 引起远程I/O电源电压剧烈波动造成了一块电源模块损坏。除此之外, 该远程I/O系统至今一直运行良好, 特别在火炬装置现场有H2S、SO2等腐蚀性气体环境中, 从未出现过由于该控制系统原因给工艺操作带来不利影响的情况, 说明该远程I/O系统具有良好的抗腐蚀能力和可靠性, 非常适合安装在较恶劣的现场环境中。
3 结束语
远程I/O通信 篇7
甘肃特殊的地形、地貌及地质条件, 决定了甘肃省高速公路隧道比例高, 建设条件多样, 环境复杂。为提高甘肃省高速公路隧道监控系统的运营效能和安全保障水平, 并重点对隧道通风、照明、消防报警、安全监管、交通监控等系统进行改造, 确保所有设备运转正常。
项目方案论证阶段建设、设计、运营维护等单位对隧道现有机电系统进行详细的调研, 实现全省隧道监控系统三级联网监控架构 (见图1) 。本论述仅以巉柳高速公路白虎山、赵家楞杆、新庄岭、土家湾等隧道的升级改造为例来说明。
2 远程I/O技术PLC区域集中控制方案设计论证
在隧道监控系统中, 区域控制器 (PLC) 是核心设备, 是隧道内环境检测、通风照明控制、消防联动的数据收集处理单元和控制指令执行单元, PLC控制子系统几乎涉及到隧道机电的各个系统, 对其技术性能可靠性和稳定性比其它设备有更高的要求, 而且PLC区域控制子系统与隧道视频监控子系统共同构成隧道监控系统中造价最大的部分。出于合理安排建设资金, 充分发挥系统功能的考虑, 我们联合运营维护单位、PLC设备厂商有关技术人员, 经专项论证和实验室模拟试验, 提出基于远程I/O技术PLC区域集中控制方案, 该系统利用主控PLC+远程I/O模块光纤组网, 实现隧道内被控设备分布式接入, 区域集中控制功能, 在满足隧道智能联动控制需求的前提下, 较目前分布式PLC区域控制系统节省近40%的建设费用。
该方案的设计思想是将分布式PLC控制系统中隧道内的PLC从站利用远程I/O模块代替, 隧道内设备所有接线端子均达到IP67。数据处理和存储均由变电所内的主控PLC执行, 通过加强主控PLC配置的方式解决数据处理能力的问题。隧道变电所中的主控PLC通过PROFINET 总线控制远端I/O, 远端的下位机I/O设备通过总线耦合器光电转换光缆传输, 实现主控PLC对远端的I/O进行控制, 满足对隧道中的设备进行实时准确控制的功能, 该系统有如下特点:
(1) 通信速率快:远程I/O系统可以直接接入以太网网络, 通信速率至少达100M。
(2) 通信距离远:远程I/O系统可以通过以太网连入光纤环网, 基于光纤传输的特点, I/O系统的控制效率基本上不受距离的影响。
(3) 性价比高:远程I/O系统省去了洞内现场CPU设备, 较大的节省了经费, 又不影响监控系统的正常运行。
(4) 稳定方便:远程I/O系统由变电所内主控PLC控制, 节省PLC编程环节, 也利于后期故障维护。
基于上述诸多优势, 本项目基于远程I/O技术的PLC区域集中控制系统得到项目评审专家的一致认可, 并被誉为隧道PLC控制系统分散检测、集中控制的优选方案。
3 系统实施阶段
本项目经过为期半年的前期设计和论证, 于2011年6月进入实施阶段。针对项目施工图设计, 进行更加详细的联合设计, 最终确定使用菲尼克斯的PLC及远程I/O。
隧道项目共设计使用30台PLC, 6台触摸屏设备, 通过上述30套菲尼克斯PLC设备进行控制隧道中的所有可控设备, 主要有:通风、照明、交通诱导、消防、火灾、视频监控平台、超速预警、异常事件检测等系统。
其中对监控系统的架构、设计思想进行分析, 针对实际情况进行了详细的方案分析, 网络图架构见图2所示, 同时实现三级监控的架构思想 (站级、所级、局级) 。如图1隧道三级监控架构图。
隧道内部的PLC环网采用双环冗余的架构, 4条隧道 (白虎山、赵家楞杆、新庄岭、土家湾) 共5处配电室, 在配电室内部架设1套主控PLC, 在隧道内部上、下行各设置3套远端I/O设备, 组织有序的收集隧道内的检测设备信号, 控制各种可控设备。白虎山隧道1号配电室设置主控PLC, 赵家楞杆隧道2号配电室设置主控PLC, 新庄岭隧道3号、4号配电室设置主控PLC各1台;土家湾隧道5号、6号配电室设置主控PLC各1台, 在主控PLC对应的上、下行每个隧道部署3套远端I/O设备, 每个配电室的主控PLC与远端I/O设备通过交换机光纤冗余环网进行实时通信, 对远端I/O采集到的终端设备反馈信息进行集中管理;下面简要介绍远端I/O设备的部署、软件控制编程的部署情况。
3.1 I/O硬件设备部署情况
T/O硬件设备部署情况见图2。
3.2 软件控制编程部署
PLC监控软件的站级部署情况如图3所示, 在监控室部署上位软件、服务器软件数据库、OPC Server, 在配电室部署下位软件, 通过下位软件进行对现场设备的实时控制及反馈。
通过数据的锁定实现三级控制监控业务的开展, 同时可以看出业务数据与登录帐户数据的分离;即可实现不同级别人员的控制与监控。如图3上、下位软件架构。
PLC程序编写采用T型图进行逻辑编写, 根据详细的二次接线图, 实现对现场设备车道指示灯、风机、交通信号灯、风速风向、CO/VI、亮度检测仪、照明等设备的实时控制及状态反馈。
下位机PLC开发软件功能介绍:PLC I/O点变量声明、PLC程序梯形图编写, 通过T型图的逻辑实现对现场设备的控制。OPC (OLE for processing control) 的主要功能是采用开放式的通讯协议, 使用c/s模式架构, 通过OPC将组态中的数据经过OPC Client与数据库进行交互, 实现上位机、下位机的数据变量的数据同步。
上位监控软件部署:
通过隧道群导航图, 软件可以换到不同的隧道界面, 进行不同功能的人机界面的需求控制。图4隧道中设备界面显示。
切换全部设备视图界面, 可以监视到隧道中的各种设备的运行状态以及控制状态。
4 联合调试、运营阶段
经过半年时间的集中施工, 系统的软硬件均已部署完成, 联合调试阶段主要内容包括:在上位机监控软件上运行设计制定的不同工况交通组织预案, 现场各PLC远程I/O执行效率、设备动作响应及信号反馈效率、软件界面与设备状态;该远程I/O区域集中控制系统各项功能参数均达到设计预期, 目前设备运营已经步入正轨, 全部设备运行正常。
5 结束语
基于远程I/O技术的公路隧道PLC区域集中控制系统是我省高速公路管理单位、设计单位、维护单位以及相关设备厂商依托本次改造项目隧道机电控制系统进行的科研试点, 整体架构和调试效果得到了相关检测验收单位和专家的认可。该项目的设计和实施为高速公路中、长隧道监控系统分布式接入、区域集中控制技术提供了可供参考的技术方案;在后期的运行维护中, 该系统的节能、免维护优势将进一步显现。
摘要：截止2012年2月甘肃省运营中的高速公路已突破2400km, 共有隧道59处 (单洞109座) 。为了加强隧道内照明、通风、消防等系统的有效联动控制, 为了充分发挥系统功能, 提出基于远程I/O技术PLC集中控制, 该系统利用主控PLC远程I/O光纤组网, 实现隧道内设备接入, 满足隧道智能联动控制需求, 较分布式PLC区域控制系统节省近40%的建设费用;该系统目前已顺利实施完成, 功能可靠、稳定, 节能和免维护效果逐步显现。
关键词：高速公路监控系统,隧道监控系统联动,集中控制,I/O,PLC控制器
参考文献
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