（电力电子与电力传动专业论文）基于μcosⅡ的泵站远程监控系统的研制.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fp u m p i n gs t a t i o na u t o m a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，f i e l db u st e c h n o l o g y , m a k ep u m p i n gs t a t i o n r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e me n a b l e i nt h i sp a p e r , w er e a l i z et h er e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mo fp u m p i n g s t a t i o nw i t he m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g ya n df i e l db u st e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e f i r s t l y , i nt h ep a p e r , w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e m ， e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，e m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g y , f i e l db u st e c h n o l o g yb o t h h o m ea n da b r o a d ，u p p e rp cs o f t w a r ef o rm o n i t o r i n g t h es e c o n dp a r to ft h ep a p e rb r i n g u pt h ew h o l e s b e m eo ft h i sp u m p i n gs t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma n dr e c i t et h em i s s i o no f e a c hp a r ta tt h es a m et i m e t h et h i r dp a r to ft h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e ro fz nt a i w a n gm o n i t o r i n gs o f t w a r ea n da p p l i c a t i o ni np u m p i n gs t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h e f o u r t hp a r to ft h ep a p e rr e c i t et h ec o n t e n to fc a nb u si nd e t a i la n db r i n gu ph a r d w a r e c i r c u i to fc a nn o d ei nt h es y s t e m ，a sw e l la s ，i n t r o d u c e st h es o f t w a r ei m p l e n t a t i o no f c a nc o r r e s p o n d i n g t h ef i f t hp a r to ft h ep a p e rw ee x p l a i n tt h ek e r n e ls t r u c t u r eo f # c o s i ia n dd e s c r i b et h ep r o c e d u r ea b o u th o w t op o r t i n g g c o s i io nh l i g hs p e e ds o c m i c r o c o n t m l l e rc 8 0 5 1 f 0 4 0 t h es i x t hp a r to ft h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec i r c u i t o ff i e l dd e c t i o np a r ta n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h i ss y s t e mi nd e t a i l a tt h ee n do f t h ep a p e r , w es u m m e r i z ea l lt h ew o r kw h i c hh a sd o n e ，w h a t sm o r e ，d os o m ee x p e c t i o n o ft h et e c h n o l o g ya b o u tp u m p i n gs t a t i o nr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p u m p i n gs t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，e m b e d d e dr e a l - t i m eo s ，c 8 0 5 1 f 0 4 0 ， c a n b u s ，m c o s i i 佩l j 【工繁火萼 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 列胡糜 日期：卅年f 月即日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：列胡康 日期：2 耐年5 月加日 指删雠：蓓磅驴 日期：磷6 月，。日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 国内外监控系统发展的现状 1 1 1 早期监控系统 早期的监控系统由于当时的生产规模较小，自控仪表尚处于发展的初级阶段， 所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的基地式仪表，其信 号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为 、封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产 过程的状况。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要 同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表， 出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0 0 0 2 0 0 1 m p a 的气压信号，o l o m a 、4 2 0 m a 的直流电流信号，1 5 v 直流电压信号等，送往集 中控制室，在控制盘上连接。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况， 可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，提高计算速度与精度的开销、 难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟 信号，出现了直接数字控f l 自j d d c ( d i g i t a ld i r e c tc o n t r 0 1 ) 。由于当时数字计算机 技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘， 把多个变送器、执行器通过对连线披接到一台中央控制主机上，由于这台计算机 对现场各仪表进行直接数字控制。这就是“集中式”控制的概念f l l 口 1 1 2 集中式控制系统 集中式计算机控制系统，是一种多目的、多任务的控制系统。它把各种各样 的任务都交给一台计算机，利用计算机的高速分时多路处理特点，完成对现场的 直接控制。这种控制系统相比早期的控制系统，具有如下明显的优点，能完成简 单的p i d 控制，而且能完成复杂的控制运算，如解藕控制、最优控制、自适应控制 等；具有快速反应和高精度运算的特点；具有记忆、判断功能，不但能对过程进 行连续控制，还能实现逻辑控制功能。人机界面友好，计算机所控制的过程信息 可以在一台或多台c r t 屏幕上显示出来，并可以通过控制台键盘进行操作，因而简 湖北工业大学硕士学位论文 化了操作手段。但这种集中式计算机控制系统具有明显的缺点： 1 就是完成控制任务的计算机，在系统中占有极为重要的地位，一旦计算机 出现问题，必将导致的所有控制回路瘫痪，甚至在某些情况下会造成破坏性的事 故。所以一般都设有两台工控机互为备用，但这样又造成了系统的冗余浪费。 2 由于变送器和执行器都直接和计算机相连，势必铺设大量电缆，增加了投 资的成本，同时给检修维护工作带来较大的困难，使电缆之间串扰严重。 3 随着经济的发展，对原有的系统进行扩展都很困难，需要增加控制程序， 需要修改控制方案，增加控制通道等等。 由于集中式控制系统具有不可克服的缺点，加之计算机可靠性的提高，价格 的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器p l c 等，于是出现了新一代的由 多个计算机递阶构成的集中分散相结合的集散控制系统。 1 1 3 集散控制系统 集散控制系统也就是今天仍被许多企业采用的d c s ( d i s t r i b u t ec o n t r o l s y s t e m ) 系统，是一种既有计算机控制系统的先进、精度高、响应速度快的优点， 又具有系统安全可靠、维护方便的优点。其主要特点是1 1 0 l ： 1 采用分级分布式控制。以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟 仪表完成常规的过程控制，并且能进行复杂算式运算和顺序控制。这种基本控制 器，采用固化的应用软件，在现场对输入、输出数据进行处理，减少了信息传输 量，降低了对上级计算机的要求，使系统的应用程序变得简单。 2 采用物理上分散的结构，实现了真正的分散控制。在现场就地安装的基本 控制器，不但节省了电缆，同时减少了传输线路对信号的干扰，并且缩短了控制 回路，加快了反应速度。以微处理器为核心的基本控制器的可靠性，一般要比中、 小型工业控制机高，并且每台控制器控制单独的回路，即使发生故障，影响的面 较小，真正做到了危险分散。 3 计算机与计算机之间采用高速通信系统。这样大大减少了布线系统，节省 了工程费用，而且使系统维护扩展容易，便于用户分期投资，逐步完善。 尽管d c s 系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步， 可实现装置级、车问级的优化控制中，但在d c s 系统中测量变送、执行器一般由模 拟仪表完成，它们与位于控制室、实现控制计算、监视的计算机一起共同构成控 制系统，因而是一种其信号需在现场与控制室之间往返传递的模拟数字混合系统。 这种系统，在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭的缺 陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互 2 湖北工业大学硕士学位论文 换与互操作，组成吏大范凼信息共享的网络系统存在很多困难。 1 1 4 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f c s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是开放系统网络，又是一 种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把连接在总线上、作为网络节 点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿 计算、参数修改、报签、显示、监控、优化和控管一体化的综合自动化功能。这 是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信和网络为主要内容的综合技术。 1 2 嵌入式系统的发展 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前存在多种嵌入式系统定义，有 的是从嵌入式系统的应用定义的，有的是从嵌入式系统的组成定义的，也有的是 从其他方面进行定义的。其中i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义为：嵌入 式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”( 原文为d e v i c e su s e d t oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。国内的一般定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁 剪、从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的 专用计算机系统。广而言之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可 以称为嵌入式系统。嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各 种应用系统中，它融合了计算机软件技术、通信技术和半导体微电子技术，是信 息技术i t ( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 的最终产品”l 。 1 2 1 嵌入式操作系统发展 国外嵌入式操作系统主要有v x w o r k ，o n x ，p a l mo s ，w i n d o w sc e ，l i n u x ， uc o s i i 等。国内的嵌入式操作系统研究开发有两种类型，一类是基于国外操作 系统二次开发完成的，如海信的基于w i n d o w sc e 的机顶盒系统；另一类是中国自 主开发的嵌入式操作系统，如凯思集团公司自主研制开发的嵌入式操作系统h o p e n o s ( “女蜗计划”) 等。 w i n d o w sc e 内核较小，能作为一种嵌入式操作系统应用到工业控制等领域。 其优点在于便携性、提供对微处理器的选择以及非强行的电源管理功能。内置的 标准通信能力使w i n d o w sc e 能够访问i n t e r n e t 并收发e m a i l 或浏览w e b 。除此之外， w i n d o w sc e 特有的与w i n d o w s 类似的用户界面使最终用户易于使用。w i n d o w sc e 的 3 湖北工业大学硕士学位论文 缺点是速度慢、效率低、价格偏高、丌发应用程序相对较难。 3 c o m 公司的p a l mo s 在掌上电脑和p d a 市场上独占其霸主地位，它有开放的操 作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。 q n x 是由加拿大q s s l 公司开发的分布式实时操作系统。它由微内核和一组共操 作的进程组成，具有高度的伸缩性，可灵活地剪裁，最小配置只占用几十k b 内存。 因此，可以广泛地嵌入到智能机器、智能仪器仪表、机顶盒、通讯设备、p d a 等应 用中去。 h o p e no s 是凯思集团自主研制开发的嵌入式操作系统，由一个体积很小的内 核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。其核一凸h o p e nk e r n e l 一般为i o k b 左右大小，占用空间小，并具有实时、多任务、多线程的系统特征。 l lc o s i i 是由美国j e a nj l a b r o s s e 编写的，是一种多任务实时操作系统， 内核源代码公开，其核心代码短小精悍，移植性能较强，完全能在8 位控制器上移 植和运行1 2 叫。 1 2 2 嵌入式i n t e r n e t 技术的发展 随着i n t e r n e t 技术的不断成熟，i n t e r n e t 已成为企业管理层的主导网络，基 于t c p i p 协议的以太网逐渐渗入社会生活的各个角落，并开始延伸到工业设备现 场。 同时随着制造工艺的进步，智能控制芯片和智能传感器的成本越来越低，功 能却越来越强大，这不仅解决了嵌入式微控制器与i n t e r n e t 连接的技术问题，同 时也使得这种连接费用降低到工业控制完全可以接受的程度。这种技术的发展促 使了基于嵌入式i n t e r n e t 的控制网络的出现，并发展成为一种技术潮流【5 1 0 在嵌入式i n t e r n e t 网络体系结构中，基于t c p i p 的以太网贯穿于控制系统的 各个层次、将一台台孤立的现场设备和设备工程师以及企业管理人员均作为一个 网络节点通过以太网有机地连接在一起，形成一个有机的整体，实现了现场设备 到管理层的直接通信，上下贯通直插到底，实现现场级的应用，使设备的控制与 维护由过去那种封闭、各行其是的管理模式逐步向开放、共享、合作的新型管理 模式转变，并最终实现企业控制、管理信息的无缝集成旧。 1 3 现场总线技术的发展 现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、双向传输、多 分支结构的串行通信网络。国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准1 1 8 j 将其定义为：安装在 4 湖北工业大学硕士学位论文 制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之j 叫的数字式、串行、多 点通信的数据总线。 现场总线是在实际需求的驱动下应运而生的。在计算机数据传输领域内，长 期以来使用r s 一2 3 2 和c c i t tv 2 4 通信标准。尽管它们被广泛使用，但却是一种低 数据速率和点对点的数据传输标准，无能力支持更高层次的计算机之间的功能操 作。在复杂或大规模的应用中，如工业现场控制或生产自动化领域，需要使用大 量的传感器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广的范围内，如果在最低 层采用传统星型拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常高昂。以钢铁企业 炼铁生产的高炉为例，其冶炼容积已达4 0 0 0m 3 以上，检测和控制的点数超过了5 0 0 0 点。大量点到点的电缆，不但增加了线路敷设设计的难度和施工的复杂性，同时 也增加了投资和安装、调试与维护的费用。采用流行的l a n 件及环形或总线型拓扑 结构，虽然可以减少电缆长度，但是增加的l a n 介质及相关硬件和软件又使其系统 造价与星型系统相差无几【1 8 l 。 在传统的集散控制系统中，大量的检测信号汇集到d c s 的入口处，不可避免地 会出现【2 0 j “瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统的安全性和可靠性用户迫 切需要现场总线与智能化的现场仪表，以便将6 0 一8 0 的控制功能下放到现场仪 表，减少d c s 处理信息的压力，增强系统的可靠性和安全性。 另外，传统的测控自动化系统采用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或 采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换， 使自动化系统成为“自动化孤岛”。所以在最低层次上的确需要设计一种造价低 廉而又能经受现场环境考验的通信系统，形成底层网络，完成现场自动化设备之 间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及现场与外界的信息交换。 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础。h o n e y w e l l 公司于1 9 8 3 年推出了数字 信号4 - 2 0 m a 输出的差分信号驱动器，它在输出的4 - 2 0 m a 直流信号上叠加了数字信 号，从而使现场装置与控制室控制装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。 自此以后的几十年问，世界上个大公司都相继推出了其智能仪表产品。如 r o s e m o u n t 公司的1 1 5 1 ，f o x b o r o 的8 2 0 ，8 6 0 ，s m a r 公司的c d 3 0 1 等，r o s e m o u n t 公 司还采用了它自己的h a r t 数字通信协议。模拟数字混合仪表克服了单一模拟仪表 的多种缺陷，给自动化仪表的发展带来了新的生机，为现场总线的诞生奠定了基 础。而这种数字模拟信号混合运行的系统，逐渐被具备通信功能、传输信号全数 字化、可实现智能仪表之间的信息交换、处理多个信息和复杂计算的仪表与系统 取代，形成了各具特色的现场总线。 现场总线控制系统采用双线制、多回路的全数字化信息传输不仅提高了整个 5 湖北工业大学硕士学位论文 系统的叮靠性和抗十扰能力，时也大大节省了整个系统的投资、安装及后期的 维护费用；现场设备的智能化及可互连和互操作性，有助于现场总线控制系统进 一步向分散化、智能化、网络化方向发展，简而言之，以现场总线为基础的全数 字化网络控制系统是2 1 世纪控制系统的主要形式，代表着自动化技术未来的发展 方向1 w l 。目前，最有影响力的总线主要有以下几种： 1 基金会现场总线f f 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到广泛支持 和具有良好发展前景的一种技术。其前身是以美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首， 联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司于1 9 9 4 年制定的i s p 协议和以 h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地1 5 0 家公司制定的w o r l di p 协议。这两大集团 于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线 协议。 基金会现场总线分为h 1 和h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s 。通信 距离可达1 9 k m ，可支持总线供电和本质安全防爆环境。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线， 其传输信号采用曼切斯特编码。 基金会现场总线以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路 层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要 针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规 定了通用的功能块集。f f 总线包括f f 通信协议、用于完成开放互连系统模型中的 2 7 层通信协议的通信栈、用于描述设备特性及操作接口的d d l 设备描述语言、设 备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换等功能的应用功能块，实现系统 组态管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成 技术。 2 c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网) 总线最早是由德国b o s c h 公 司于2 0 世纪8 0 年代末推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。 其总线规范己被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领 域。它也是基于开放系统互连模型，但仅采用了其中的物理层、数据链路层，提 高了实时性。可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分；其节点有优先级设 定，支持点对点、点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介 质为双绞线，通信速率最高达1 m h z 4 0 m ，直接传输距离最远可达l o k m 5 k b p s 。 c a n 总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干 6 湖北工业大学硕士学位论文 扰的概率低；当节点严重出错时，可自动关闭，使总线上的其它节点及其通信不 受影响，抗干扰能力强，可靠性高。 3 l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司开发，并与m o t o r o l a 和东芝公司于1 9 9 1 年共同 倡导的现场总线技术。它采用了o s i 参考模型全部的七层协议结构，被誉为通用控 制网络。l o n w o r k s 技术的核心是具备通信和控制功能的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片 封装了完整的l o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 。其上集成有三个8 位c p u 。一个c p u 完成 o s i 模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个c p u 是应用处理器，运 行操作系统与用户代码。还有一个c p u 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行 网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间 可以进行对等通信。 l o n w o r k s 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信 介质，并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其i s 一7 8 本安物理通道使得它可以应 用于危险区域。l o n w o r k s 通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达 2 7 0 0 m 7 8 k b p s 。l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分 布式监控网络方面有较优越的性能。 4 p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 总线是德国s i e m e n s 公司于1 9 8 7 年推出，主要用 于p l c ，并且符合德国国家标准d i n l 9 2 4 4 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总线，包括 r o f i b u s d p ，p r o f i b u s - - f m s ，p r o f i b u s p a 三部分。p r o f i b u s d p 用于分散外设 间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用；p r o f i b u s f m s 适用于纺织、 楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等方面的应用；p r o f i b u s - p a 适用于过程自 动化，遵从i e c l l 5 8 - 2 标准。它采用了o s i 模型的物理层、数据链路层，f m s 还采用 了应用层。传输速率为9 6 k b p s 一1 2 m b p s ，最大传输距离为1 2 m b p s l o o m ，传输介质 为双绞线或者光缆，可实现总线供电和本质安全防爆。p r o f i b u s 支持主从方式、 纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站问通过传递令牌来 传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。 5 h a r t 总线 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于 模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，使得用户可以在不对已有现场仪表 进行改进的情况下，逐步实现数字化，因而在当f i i 的过渡时期具有较强市场竞争 力，在智能仪表市场上占有很大的份额。h a r t 包括i s o o s i 模型的物理层、数据链 湖北工业大学硕士学位论文 路层和应用层。h a r t 可采取点对点或多主通信方式，町利用总线供电，并町满足 本质安全防爆要求。但由于h a r t 的模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能 满足各公司要求的通信接口芯片。 1 4 监控软件的简介 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监 控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常 容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬 件的全部接口，进行系统集成。目的世界上的组态软件有几十种之多，国际上较 知名的监控组念软件有：i f i x ，i n t o u c h ，w i n c c ，l a b v i e w ，c i t e c h 等。我国较知 名的监控组态软件有：三维力控( f o r c e c o n t r 0 1 ) ，组态王，通用组态。本监控系 统考虑到软件成本和软件的后期维护，我们选择组态王做为上位机的监控软件。 1 5 课题的来源及研究的意义 本课题是湖北省教育厅重点项目基于现场总线技术的大中型电排站机组群 实时监控系统研究中的一部分。机组群实时监控系统由温度监控、电量监控、 继电保护和上位机监控软件等组成，为了使系统模块化，系统采用现场总线( c a n 总线) 监控系统，将各功能模块联系起来。目前，由于嵌入式技术的迅猛发展， 特别是嵌入式网络技术的发展，在工业领域己得到了广泛应用，但就国内将此技 术用到泵站监控系统中还没有得到实现。这里我们将嵌入式网络技术应用到泵站 监控系统中。另外，目前大部分泵站监控系统中温度检测部分还是使用铂电阻温 度传感器实现温度检测，其检测精度受到很大的约束，如果在不增加系统规模的 基础上，其检测点数也受到很大的约束，这里我们采用数字温度传感器和模拟温 度传感器相结合可以很好的解决点数和精度问题。 8 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章泵站监控系统方案设计 2 1 系统总体任务 本文主要完成的任务： 1 数据采集模块的实现。在温度信号采集模块中同时使用两种检测处理电 路，一种是针对铂电阻温度传感器p t l 0 0 ：另一种是针对一线数字式温度传感器 d s l 8 8 2 0 。电量信号采集模块采用霍尔传感器。 2 在监控现场采用l c d 以定点巡检方式显示各检测点温度和电量的变化情 况，并通过键盘输入显示的方式和显示的通道数，系统中键盘显示和数据采集模 块直接由r s 一2 3 2 通信实现数据交换，并采用声光系统进行报警。 3 各机组数据采集模块和其他模块以及现场检测和远程监控模块之间网络采 用现场总线网络，需设计各c a n 通信节点电路和软件通信。 4 为了实现泵站温度电量的远程监控，这里采用8 位单片机实现嵌入式w e b 服务器，将检测到的各点温度数据传到嵌入式w e b 服务器上供远程监控。 5 嵌入式i ic o s i i 在泵站监控系统的实现。 2 2 系统整体结构 根据上面对系统总体任务的简单描述，将系统功能进行细分，此系统从全局 看可分3 个部分：现场数据采集部分、c a n 总线通信部分、w e b 服务器部分。现场 数据采集部分主要完成温度、电量传感器的检测、处理，现场温度电量参数的显 示和现场控制；c a n 总线通信部分主要完成现场数据采集部分和w e b 服务器部分数 据交换；w e b 服务器部分是远程监控部分，其功能是将现场传过来的温度电量等信 息存储起来供远程i n t e r n e t 监控。在远程监控方案，可行性较大的有两种：一种 是监控上位机采用p c c a n 卡与c a n 总线通讯，由p c 机作为w e b 服务器，其结构 图如图2 1 中虚线框中所示；第二种是由嵌入式w e b 服务器来代替p c 机实现远程 控制。系统结构图如图2 1 所示。使用第一种方案可以利用p c 机自身高速优势， 可以提高数据交换的速度，以及远程访问的速度，但是其成本高，稳定性差，底 层驱动开发难度大。这罩使用的第二种方案，利用8 位单片机实现嵌入式w e b 服 务器，其价格比较好，性能稳定，不需要开发专用的软件，只用w e b 浏览器就可 以进行远程控制。 9 湖北工业大学硕士学位论文 | 圈扎豳厂7 。n 口ih缓露鲞基露n t e r n e t 、， “ 幽控夕裂i n t e r n e t 。、r ，兴厕 ii弋 l l 圜| i i 以太网接口 一川里之e = i 垂直 i 局域网j ( c 8 0 5 1 f 0 4 0 + pc o s i i p c 服务器+ w e b 服务器 一 p c - c a n 苦 1 r s 一2 3 2 j 卒旭盟住甲廿 c a n 接口 c a n 总线 i i c a n 接r n l i c a n 接u f 温度检测温度检测 主c p u主c p u 控制 温度 硅示 控制 温度 显示 电路 电量 模块 l # 机组 电路 电量 模块 1 5 # 机组 检测 检测 电路 键盘 电路 键盘 硅示硅示 电路 电路 图2 1 系统整体结构框图 2 3c 8 0 5 1f 0 4 0 单片机的选择 在本监控系统中，现场数据采集部分和w e b 服务器部分之问使用c a n 总线通 信，为了使系统外围硬件简化，我们选用内部带有c a n 控制器的微控制器。常见 带c a n 控制器的单片机有：m o t o r r o l a 公司的m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 、p h i l l i p s 公司的 p 8 7 c 5 9 1 、a t m e l 公司的t 8 9 c 5 1 c c 0 1 和t 8 9 c 5 1 c c 0 2 、i n t e l 公司的t n 8 7 c 1 9 6 c a 和 t n 8 7 c 1 9 6 c b 、m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 f 2 5 8 以及c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 4 0 等。根 据单片机性能和开发工具的使用方便，选用了美国c y g n a l 的高速s o c 单片机 c 8 0 5 1 f 0 4 0 ，其内部结构框图如图2 2 所示。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 图2 2c 8 0 5 1 f 0 4 0 内部结构框图 c 8 0 5 1 f 0 4 0 是c 8 0 5 1 f 0 4 x 系列单片机中的一种，它是完全集成的混合信号片上 系统型m c u ，具有6 4 个数字i o 引脚，片内集成了一个c a n 2 o b 控制器，具有与 8 0 5 1 兼容的微控制器内核，与m c 8 5 1 指令集完全兼容。除了具有标准8 0 5 2 的数 字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数 字外设及功能部件。c 8 0 5 1 f 0 4 0 的基本特性如下【“。5 l ： 1 1 m m m m 叫 附 附 m 肼 ” 砸眦 抛鼬锄啪m啪m肿mm 衄恤m 琳脚 棚 眦撇 脚 舭 姗 慨舭 湖北工业大学硕士学位论文 1 高速、流水线结构的8 0 5 l 兼容的c i p 一5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) ： 2 控制器局域网( c a n 2 o b ) 控制器，具有3 2 个消息对象，每个消息对象有其 自己的标识； 3 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 4 真正1 2 位、l o o k s p s 的a d c ，带p c a ( 可编程计数器阵列) 和8 通道模拟多 路开关； 5 允许高电压差分放大器输入到1 2 1 0 位a d c ( 6 0 v 峰一峰值) ，增益可编程； 6 真正8 位5 0 0 k s p s 的a i ) c ，带p c a ( 可编程计数器阵列) 和8 通道模拟多路 开关； 7 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式； 8 6 4 k b 可在系统编程的f l a s h 存储器； 9 4 3 5 2 ( 4 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a i ； 1 0 可寻址6 4 k b 地址空间的外部数据存储器接口； 1 1 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口； 1 2 5 个通用的1 6 位定时器；+ 1 3 具有6 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列； 1 4 片内看门狗定时器、v i ) d 监视器和温度传感器。 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 4 0m c u 是真正 能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能禁止和配置。 f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场 更新8 0 5 1 固件。 2 4 系统各部分设计方案 2 4 1 泵站监控系统软件的实现 泵站监控系统上位机软件采用工控软件组态王及p c c a n 卡来实现。其结构图 如图2 3 所示。 图2 3 泵站监控系统上位机结构框图 湖北工业大学硕士学位论文 2 。4 2c a n 通信模块的设计方案 c a n 总线通信部分是嵌入式w e b 服务器部分和现场测控部分信息交换的纽带， 因此这两个部分都需要c a n 通信节点，他们使用相同的m c u ，那么c a n 通信节点在 硬件上完全相同，只是在软件上略有不同。 这里使用c 8 0 5 1 f 0 4 0 。单片机其内部集成了c a n 总线控制器，不需要外部另加 c a n 总线控制器，这样简化了系统的外围电路，只需另加一个c a n 总线收发器即可， 其节点结构图如图2 4 所示。 c a nb u s 图2 4c a n 通信节点结构图 此部分在实现过程需要完成以下任务： 1 c a n 总线和其它现场总线的比较选择； 2 c 8 0 5 1 f 0 4 0 中c a n 控制器的使用； 3 c a n 节点硬件实现； 4 c a n 通信驱动程序的编写，以及调试。 2 4 3 现场检测模块的设计方案 现场测控部分是温度监控系统中最底层部分，主要完成现场温度数据的检测， 以及现场温度数据的实时显示和变化过程的显示。在设计和完成该部分功能时， 必须把现场情况联系起来考虑。本课题是对泵站温度监控系统进行升级和改造， 只保留了一小部分安装好的温度传感器p t l 0 0 ，其它的都需要重新设计，另外，由 于p t l 0 0 实现温度检测存在检测点数和精度问题，使用了数字温度传感器，所以 在温度信号检测时，就需要两套电路，而且是在同一个系统里存在。 在泵站温度检测中，具体的对象是每台机组中的检测点，这些检测点包括： 电机的定子、转子，上下油温，上下推力瓦，上下平瓦。基本上每台机组的检测 点数在1 5 个左右，设计时考虑到整个系统有较大的容量，我们设计总点数为1 2 8 点，其中p t l 0 0 为3 2 点。 在泵站电量检测中，具体的对象是每台同步电机定子三相电压和三相电流，励 磁电压和励磁电流等参数。通过霍尔电压、霍尔电流传感器把这些模拟信号与单 湖北工业大学硕士学位论文 片机隔离丌米，然后经过电路处理，转变为单片机a 1 ) 转换输入端所需要的幅值 小于2 4 v 的直流电压信号。 h 部分b 部分 图2 5 现场检测部分结构框图 除了现场数据检测以外，现场数据显示也是监控系统中一个比较重要的组成 部分，这里采用l c d 显示，由于检测点较多，为了不影响检测的速度，增加检测 控制器c 8 0 5 1 f 0 4 0 的负担，在l c d 显示模块中使用单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 单独来实现， 而两c p u 之问的数据交换通过r s 一2 3 2 通信实现，另外，还有键盘电路和其它辅助 电路。现场测控部分的结构框图如图2 5 所示。 此部分在实现过程需要完成以下任务： 1 p t l 0 0 和d s l 8 8 2 0 检测电路及电量检测电路设计、p c b 制作和硬件调试； 2 l c d 显示和键盘电路的设计、制作和硬件调试； 3 检测软件的实现和键盘显示软件的实现； 4 现场调试。 2 5 系统开发工具 系统在开发过程中，包含了电路设计、制作，电路仿真，软件编译，操作系 统的调试、移植，程序的下载和仿真等过程，在这些过程使用了不同的开发工具， 从软件和硬件看分别有： 1 4 湖北i t _ 业大学硕士学位论文 2 5 1 软件开发工具 1 所有电路图制作、p c b 板制作在p r o t e l9 9s e 中完成； 2 部分电路的仿真在m u l t i s i m2 0 0 1 中实现； 3 c 8 0 5 1 f 0 4 0 软件编写在s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 环境下完成； 4 a t 9 0 s 8 5 1 5 软件编写在a v ri c c 编译环境下完成，而其下载则在a v r s t u d i 0 4 1 0 软件中进行的； 5 pc o s i i 操作系统移植、调试是在k e i lu y i s i o n 2 环境中实现的。 2 5 2 硬件开发工具 1 c 8 0 5 1 f 0 4 0 采用s e r i a la d a p t e re c 2j t a g 仿真器： 2 a t 9 0 s 8 5 1 5 采用双龙公司的o k a v r 下载线； 3 c a n 总线调试是利用p c c a n 卡与p c 相连来完成。 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章泵站计算机监控系统软件开发 泵站计算机监控系统除了系统软件( 如操作系统等) 外，还必须有满足泵站监 控系统的各种具体功能的应用程序，这些应用程序称为用户应用软件。软件是系 统的灵魂，软件质量的高低关系到计算机监控系统的正常运行。硬件功能能否得 到充分发挥等。 3 1 软件配置 监控系统的软件一般包括三部分，即操作系统、应用软件和应用程序。操作系 统是整个监控系统最下级的支撑程序，是程序设计和应用程序的基础。应用软件 是设计应用程序的基本工具。应用程序则是联系硬件使硬件按照特定指令执行的 纽带，是监控系统的核心。 3 1 1 操作系统 操作系统选用m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s2