PLC远程监控与故障诊断系统设计与实现-

1、收稿日期:2003-12-29作者简介:韩思亮(1979-,男,硕士生,主要从事电力电子设备先进控制与网络化技术的研究。PLC 远程监控与故障诊断系统设计与实现韩思亮,汤建新,马皓(浙江大学电力电子技术研究所,浙江杭州310027摘要:该文介绍了在基于串口服务器的新型网络连接方式下的P LC 远程监控与故障诊断系统。以西门子S72200P LC 为例,着重介绍了PC 与P LC 通信基本原理、实时通讯方式和自由口通信协议以及中心服务器的设计方法。关键词:P LC ;S72200;自由口通信协议;RS 2485;串口服务器;TCP/IP 中图分类号:TP277文献标识码:A 文章编号:10002

2、0682(20050120023204The design and realization of P LC remote monitoring and diagnosing systemH AN S i 2liang ,T ANGJian 2xin ,M A Hao(Zhejiang University ,Zhejiang Hangzhou 310027,China Abstract :This paper introduces P LC rem ote m onitoring and diagnosing system based on a new netw ork method of l

3、inking serial server.It als o puts em phasis on the communication principle to host com puter ,realtime communication and the design of freeport communication and center server.K ey w ords :P LC ;S72200;freeport communication ;RS 2485;serial server ;TCP/IP随着电气技术的迅猛发展,对电气设备自动化程度要求也越来越高。Internet 网及技术的

4、发展,使人们越来越多希望借助于互联网的方便快捷来实现各种自动化需求。P LC 通信能力的增强,使得监控系统的配置可以更加灵活方便。如何方便而又经济的将P LC 接入互联网是一个需要解决的问题。文中提出一种新型网络连接方法,远程监控系统利用串口服务器,来实现P LC 与PC 通过Internet 网连接,方法简单、价格便宜。1系统构成介绍了针对电气设备的远程监控与故障诊断网络系统的设计。该系统的中心服务器与智能现场端监控子系统和客户端子系统相配合,实现对现场的电子装置进行无人监守的远程实时监控及故障检测与诊断。图1为系统结构示意图。系统可以分为3 部分:客户端、中心服务器、现场端。客户端是用户操

5、作系统的一个窗口,为用户提供了一个管理界面。在这里用户可以方便的查看现场的状态,设置、管理和控制现场。中心服务器作为整个系统的通讯枢纽并提供数据服务,从逻辑上包括用户服务器和数据库服务器。用户服务器负责管理所有的客户端和现场的通讯,到数据库服务器中查询数据;数据库服务器负责保存现场发来的历史数据和一些故障数据、报警数据、设置数据等,返回用户服务器的查询结果。现场端负责执行用户的指令和管理设备。现场数据的采集和控制、以及报警、故障诊断由现场端来完成。客户可以在任何距离、任何地点通过拨号或通过代理服务器登录互联网下载客户端软件来访问服务器站点。图1系统结构图在系统中服务器起着举足轻重的作用。它能够

6、对客户端传来的请求进行处理后再转发给P LC;也可以对P LC返回的信息进行处理后,以客户端认可的形式回传给客户。这就使得客户可以在远程监控P LC的工作状态,并通过P LC控制现场设备。而客户的命令和P LC的工作状况的各种信息,都是通过服务器来传送的。而服务器与P LC之间信息的传递则是通过Internet网利用串口服务器进行的,这里串口服务器起了一个串口通信协议和TCP/IP协议之间进行协议转换的作用。串口服务器采用自动应答方式,初始化设定完成以后可以完全不需人工干预、自动响应。系统是一个典型的3层客户机/服务器体系结构(C/S体系结构。3级C/S体系结构模型把界面、处理、数据分别找到3

7、个独立的,互不相同的软件实体中,克服了两层C/S的缺陷。这种方式下,客户不再需要使用S Q L,而仅需要传送请求的参数和接收返回值。这对于企业引入数据库新技术、访问原有数据库数据提供了方便和灵活性。中间级服务器在把数据发给客户前,先进行数据分析,只把分析结果传给客户。这样,客户与中间级服务器之间的数据流量大大减少。为了安全和性能可靠起见,选用了Win2000Server为操作系统。串口服务器选用了DNS -1整机串口WE B服务器,它有两个串行接口,可以自由设定RS2232C、RS2485C或RS2422C,而且DNS2M使用TCP/IP协议作为网络通信协议。目前支持的协议有:ARP、Udp、

8、TCP、IC MP,T elnet、TFTP、DHCP、S NMP,透明传输使用TCP/IP(二进制或T el2 net协议。P LC选用西门子的小型机S72200,它的机内自带RS2485C串口,这是目前市场上用的较多的产品,具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格及强大的指令体系。2网络结构PC机同P LC间通信实现的方法有多种,通常是用电缆直接同P LC的RS232或RS485串口相连,或者连接到专用P LC网络。由于前者电缆价格比较昂贵,长度经常不符合距离要求,服务专一,导致中心服务器的资源造成很大浪费;而后者通常又同现场总线结合在一起,运行专用网络协议,代价太高。通过串口服务器将多台

9、西门子S72200系列P LC的串口同中心服务器所在的以太网或Internet网络相连接,使P LC串口通讯协议通过串口服务器转化成TCP/IP协议和中心服务器进行通信,实现了单一服务器PC同多台P LC间基于Internet的通信。这种方式适用范围广、价格便宜、方法简单。DNS串口服务器有成品和嵌入式两种,串口可分DNS-1和DNS-2两种,可以与任何具备串口的设备连接,使该设备具有TCP/IP网络支持功能,在网络上共享串口信息,或在网络上任何计算机控制串口设备,支持并行操作,即有TCP、UDP连接时,远程可同时T elnet登陆修改设置,HTTP、S NMP也同时可用。它的前端有多个C O

10、M口,可同若干个控制元件(P LC、RT U等相连,后端使用双绞线和TCP/IP 协议的以太网或Internet网相连接,通信速率为10M/100M自适应。当设定每个串口服务器的网络IP地址和前端通信端口映射方式后,通过串口线连接P LC和串口服务器,P LC使用串口服务器的端口就像使用P LC 自带的扩展C OM端口一样。通过串口服务器的虚拟映射,中心服务器通过虚拟串口通信的方式实现同P LC间的TCP/IP网络通信。系统网络结构总体上可分为2个网络层次:由中心服务器、数据库服务器和打印机等组成的中心服务器T CP/IP协议Internet网及由串口服务器和多个P LC组成的P LC子网,二

11、者以串口服务器作为联结桥。其中串口服务器和P LC间通过RS2232C、RS2485C 或RS2422C串口线连接,中心服务器、数据库服务器和串口服务器均通过网线连接到Internet网上。3通信进程采用串口服务器,将P LC通过其串口中心服务器及数据库服务器等所在的以太网或Internet网物理连接起来,而网络通信的实现则是由中心服务器数据采集与设置进程、中心服务器TCP/IP通讯协议控制程序和在通信串口服务器上的守候通信进程实现的。通讯控制程序和串口服务器守候进程的运行将中心服务器和P LC间的数据流通路线变为:中心服务器数据采集与设置进程,通讯控制程序,中心服务器网卡,TCP/IP网络,

12、指定的通信串口服务器的网络适配器,串口服务器的指定串口,同串口相连的RS2485C串口线,P LC的RS2485串口,P LC通信模块。数据流通路线中的数据包主要有IP帧和P LC 控制帧。IP帧存在于数据线路中从中心服务器网卡到串口服务器的网络适配器部分,根据TCP/IP协议打包,由通讯控制程序和串口服务器中的守候进程通过调用编程接口(APIS ocket套接字而自动完成;P LC控制帧存在于数据线路中从中心服务器数据采集与设置进程和P LC子网部分,包结构由P LC 自由口通信协议决定,由中心服务器数据采集与设置进程和P LC完成。中心服务器数据采集与设置进程的主要功能是向各个串口服务器的

13、串口发P LC控制帧和接收P LC 的应答帧,并对接收到的实时数据进行处理、分析和显示。中心服务器TCP/IP通讯协议控制程序主要实现以下功能:(1打包。当中心服务器进程向串口发出P LC 控制帧时,通讯控制程序将其截获后,首先判断其串口I D号是否存在于配置表中,若存在,则根据设置(惟一的串口I D号及串口服务器的IP地址,组装成TCP/IP通讯协议的S ocket套接字通过网卡发向串口服务器(端口号同串口I D号相应,IP地址为串口服务器的IP地址。若不存在,则放行。(2解包。当探测到网卡接收到P LC通过发来串口服务器的应答帧时,通讯控制程序将其截获,解开S ocket帧并将源IP地址和

14、端口号翻译成串口I D 号,发往中心服务器相应进程。串口服务器上的守候进程同通讯控制程序成对使用,功能有2种:对从串口发来的P LC协议应答帧打包成S ocket套接字并发向网卡。将网卡上的S ocdet套接字解包并将端口号解析成串口号发向相应的串口。通过串口服务器上的守候进程和通讯控制程序的作用,对中心服务器来说,事实上屏蔽了网络通信部分,中心服务器同各P LC间如同直接的串口连接和实行串行通信,而中心服务器控制系统的编程实质上也成为串行通信编程。4通信方式中心服务器同P LC间通信方式主要有查询式、实时时钟中断读标方式和可屏蔽硬件中断方式。其中查询方式为中心服务器主动读取下位机有关信息,优

15、点是简单易于实现,缺点是实时性较差;实时时钟中断读标方式是在P LC上建立一个通信请求标识位,当该位发生变化时,中心服务器则立即向其发送请求命令,该方式可以提高通信效率和实时性,其性能介于查询和中断之间;可屏蔽硬件中断方式是P LC主动发出中断请求信号,中心服务器被动接收和处理,是一种真正的实时通信方式,但串行通信的RS2485标准是半双工方式,同一时刻信号只能从一方流向另一方,不能双向交流。此种方式下P LC 的发送命令和接收命令可能会同时执行,产生致命错误甚至导致系统崩溃,而且P LC设计及中心服务器编程相对都比较复杂。文中采用查询方式和实时时钟中断读标方式相结合的方式,中心服务器定期主动

16、向各个虚拟串口发P LC查询和设置帧,并且实时响应客户端软件设置对P LC的监视、控制和P LC 故障诊断信息反馈。5PLC的通信协议自由口通讯是通过程序可以控制S72200CPU 通讯口的操作模式。利用自由口模式,可以实现自定义的通讯协议连接多种智能设备。通过使用接收中断、发送中断、发送指令(X MT和接收指令(RC V,程序可以控制通讯口的操作。数据长度、字符检验方式、停止位位数及奇偶检验码等通信参数都可通过专用自由口协议设定。P LC专用通信自由口协议采用面向字符型的通信规程,以规定好的控制码实现传输控制。P LC的通信模块有多种命令代码,中心服务器通过对其发出不同的命令,可以灵活地对其

17、位或字软设备以及特殊功能模块的缓冲区进行读写,还可以对P LC进行启/停远程控制。6PLC监控与故障诊断设计P LC监控子系统主要任务是执行中心服务器下达的控制命令,完成对现场电气设备控制对象的实时控制和调节,采集现场对象的模拟量、数字量和开关量,并实时反馈回中心服务器供客户端观看使用。由于系统中P LC必须响应客户端控制设置要求,监控子系统的设计是通过P LC的两个定时中断事件来实现的。故障诊断子系统是根据客户端设置的故障诊断条件,对采集现场电气设备的模拟量、数字量和开关量经过故障算法做出报警并诊断。为了及时性和精确性,系统采取了两级诊断的结构方式,即在现场端进行数据信号实时报警和在线实时诊

18、断的基础上,将可能的故障数据上传至中心服务器,以供异地用户下载并诊断,实现本地在线诊断和远程离线诊断的结合。7中心服务器组态设计系统中心服务器端程序采用J2SE平台,选用Micros oft S Q L Server数据库,采用JDBC工具包连接数据库。中心服务器的主要功能:(1进行中心服务器的配置;(2对客户端用户资料进行管理;(3对客户端用户会话进行管理;(4对现场装备的注册信息进行管理;(5对现场装备进行管理(启动/停止;(6查讯各种日志。中心服务器程序可以分为以下3层:用户接口层:用户可以随时在线接入服务器程序;服务器分析用户的请求决定接入还是不接入,不同的用户给予不同的权限。事务处理

19、层:管理用户与现场机的数据交流,通过线程间的通信来实现数据交换;管理线程的开辟与线程的监控管理。数据管理层:与数据库的接口,管理数据的存储、删除、允许管理员进行管理。 图2服务器程序流程图程序共有两个事件侦听器(每一个侦听器由一个类来完成,功能分别如下:SktUserSrv :服务器S ocket (用户接入服务程序,主要功能是进行S ocket 侦听,如果用户前来请求服务,则为其分配一个服务线程。SktExpSrv :服务器S ocket (现场设备接入服务程序,主要功能是进行S ocket 侦听,如果用户前来请求服务,则为其分配一个服务线程,在该线程内由中心主动发数据给现场。8结束语该文介绍了一种新型远程P LC 实时监控与故障诊断系统设计思路,利用串口服务器和自定义的通信协议,在低成本投资的情况下,方便容易地实现了计算机与P LC 在以太网或Internet 的网络通信。中心服务器使用TCP/IP 协议可以更简洁有效的处理数据,而且数据库和前台程序具有强大的兼容性。实践证明,该方案结构简单、开发周期短、适应性强、并且能够长期的稳定运行。参考文献:1徐德鸿,马皓.电力电子装置故障自动诊断M