【《基于Niagara平台的工厂监控系统的硬件设计与实现案例》3500字】

基于Niagara平台的工厂监控系统的硬件设计与实现案例目录TOC\o"1-3"\h\u13316基于Niagara平台的工厂监控系统的硬件设计与实现案例 1161001.1控制柜的设计 1177711.2整体硬件架构 2222891.2.1感知层 387981.2.2网络层 4122661.2.3控制层 5103271.3公共生产线 7本系统主要采用的是基于Niagara的嵌入式网络控制器和NiagaraFrameworkTM开放式软件框架平台。Niagara能够提供多种硬件架构，一种用于设备连接应用程序的软件框架平台技术，控制器中有两根网线，一根通过网线连接到PC设备，并且PC上安装了NiagaraN4软件，另一根网络可以连接到路由器。通过网络，然后连接到外部Internet，以实现远程网络的访问和控制功能。控制柜的设计为了更便捷地对PC服务器中的现场设施进行控制，控制智能工厂系统的实时数据，基于硬件设计并构建了基于Niagara的智能工厂监控系统的控制箱。包括。为了更好地实现PC服务器对现场设备的远程控制，掌握智慧工厂系统的实时数据，因此在硬件架构的基础上，设计并搭建了一个基于Niagara的智慧工厂监控系统控制柜。系统控制柜包括了硬件架构的主要设备：一台JACE-8000网络控制器、一台IO-22U输入/输出模块、各类传感器、报警器、一台PC机、四个排风扇和照明灯以及线槽REF_Ref1249\r\h[4]等。根据系统设计要求，物联网数据处理通信主机设计了一台PLC，对安装在现场相应设备部件上的各传感器的数据进行采集、储存，并通过屏蔽双绞线RS-485通讯线缆的数据线把数据传输到云平台；同时，排风扇、灯泡、温度传感器还发送RS-485信号以形成RS-485网络，并将其连接到一起。控制柜位置图如REF_Ref27106\h图3-1所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s11控制柜位置图整体硬件架构在前期系统整体结构框架设计的基础上，对传感器和仪器类型进行统计，在对系统硬件框架按层次进行分类，依照现场设备及各种协议大致整个物联网系统大致可分为感知层，网络层，控制层三个层次。感知层主要是温湿度、噪声传感器、报警器、变送器等一些检测装置；网络层主要是部分工业控制常用协议，包括MODBUS协议和TCP/IP通讯协议，负责数据传输；控制层主要为JACE-8000网络控制器、IO-22U输入/输出以及PLC，对整个系统起到统筹控制作用。感知层感知层位于整个物联网系统的基础层，作为数据收集的重要组成部分，它通过特定的传感网络获取周围环境数据，其主要功能可概述为识别周边环境相关数据、并对其数据进行采集。采取某种特殊的方式将测量值转换为系统指定的直流电压（0-10V）或直流电流（4-20mA）信号后，该信号再通过相应的处理设备进行处理使其产生与系统相对应的信号和反应动作。感知层由各种现场设备组成，主要包括噪声传感器、温湿度传感器、光强度传感器、PM2.5传感器、PIR人感开关、烟感探测器、声光报警器、三色报警器、光电开关等。1.部分传感器介绍与选型（1）温湿度传感器温度湿度变送器是一种可以通过安装可湿性和温度敏感部件来测量和显示温度和湿度的传输设备，温度湿度传感器是指可以测量温度和湿度并将其转换为易于操作的设备或装置，来处理电磁波信号。温度和湿度传感器是一种在直接或间接接触被测介质后将信号发送到变速器的设备。由于温湿度传感器拥有比温湿度变送器精度高，抗干扰能力强的特点，更加适用于工厂环境的要求，因此我们应该选择温湿度传感器作为此项目的温湿度传感设备，温湿度传感器如REF_Ref27616\h图3-2所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s12温湿度传感器温湿度传感器包含一个电阻式感湿元件和NTC测温元件，它应用专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品极高的可靠性与卓越的长期稳定性。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。四线制接法连接方便，使系统集成变得更清晰(接线如REF_Ref27694\h图3-3所示)。超小的体积、较低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。图3-SEQ图\*ARABIC\s13四线制接法示意图优势：这款温湿度传感器相对于其他品牌同类的产品相比监测更精准，配送平台&软件使用，拥有远低于行业平均的故障率。对于施工安装后，设备经久耐用、故障率低客户省心又省钱，综合性价比更好，能够实现对环境24小时监测的目的。（2）烟感探测器烟感探测器就是发现一定浓度的烟雾，把信号传递给消防主机，并由特定报警器发出警报，而烟感报警器就是感受到就发出警报。根据工厂对探测器的要求，系统应该选择具有3级灵敏度的烟感探测器，3级灵敏度的探测器是红色，用于可以抽烟的地方，如走廊、楼梯间、吸烟室等。检查人员可以使用较轻的空气释放测试方法来检查检测器是否可以达到气体流量检测并对其进行多次测量。网络层网络层是OSI中最重要和最关键的层，并且是唯一负责整体数据传输和数据控制的层。监视和管理平台负责上载和传递数据，并且作为连接到物联网的神经中心，也是在信息传输过程中确保信息传输质量的主要通信手段。本项目中使用的通讯协议主要有两种，一种是TCP/IP协议，主要负责JACE-8000网络控制器与PC上位机进行通讯，另一种为MODBUS协议，负责JACE-8000网络控制器与监控装置以及IO-22U与传感器之间进行通讯。网络层的架构方式为：通过JACE-8000网络控制器的PRI口，使用TCP/IP通信协议，并通过RS-485接口对PC上位机进行通讯；JACE-8000网络控制器同感知层中器件的接线方式和IO-22U模块都是通过COM口进行连接的，使用MODBUS通信协议与和传感器进行通讯，并获取传感器相应数据；与IO-22U模块相连接，通过对模块上的输入输出点位进行监控可方便直观的观测硬件系统设备的运行状态，还可以传输并采集其它各传感器及报警器上的模拟量数值。1.通信协议（1）TCP/IP协议TCP/IP协议是一种可信的数据传输协议，主要用于网络层的数据传输并以网络为目标，有三次连接握手的过程，同时具有差错检验功能，因而是一种可靠数据传输协议。该协议是目前Internet上通信协议应用最为广泛的协议，用于从应用程序到网络的数据传输控制。MODBUS协议MODBUS协议是应用于电子控制器的通用语言。通过此协议，控制器可以通过网络（例如以太网）彼此通信，也可以与其他设备通信。它已成为通用的行业标准。借助它，可以将不同制造商生产的控制设备链接到一个工业网络中，以进行集中监控。控制器通信使用主从技术，其中只有一个设备（主设备）可以初始化传输（查询）。主设备可以通过广播与从设备进行单独通信，也可以与所有从设备进行通信。在应用期间，可以将控制器设置为两种传输模式（RTU或ASCII）之一，以在标准MODBUS网络上进行通信。在配置每个控制器时，MODBUS网络上的所有设备必须选择相同的传输模式和串行端口参数，通讯地址如REF_Ref27387\h图3-4所示。图3-SEQ图\*ARABIC\s14MODBUS通讯地址控制层控制层位于整个物联网架构的最高层，相当于硬件系统的大脑，起着统筹全局的作用，对来自感知层的数据进行采集与分析。控制层的设备主要由JACE-8000网络控制器IO-22U模块组成。图3-SEQ图\*ARABIC\s15JACE-22U接线图1.JACE-8000网络控制器之前的JACE:要求工具去安装通讯卡；如果引脚错位，就容易出错；仅限于两张通讯卡；每种协议授权单独购买驱动包；通讯点位增多导致容量不够还涉及到内存升级。因此根据实际需要，并能够克服上述JACE不足的地方，选用更高级别的控制器——JACE-8000。JACE-8000:更少的安装工作量；热插拔的扩张；允许最多四个通讯卡；改进的导轨夹；仅按照所连设备购买授权。JACE-8000嵌入式网络控制器，可使用于通讯不同的仪表以及各控制系统，通过上位机设置出的Niagara4站点与JACE8000进行通信，可以上传实时监视数据，历史数据记录管理，图形界面显示和监视警报。图3-SEQ图\*ARABIC\s16JACE-8000网络控制器2.模块IO-22UVYKONIO-22U™模块是一种输入/输出功能模块，使用IO-22U可以通过现场总线连接方式，对受控设备进行控制以及对系统进行远程管理，能满足于一般或特殊的应用。IO-22U既适合作为简易的输入输出监控模块使用，也适合作为具备特定功能的现场控制。图3-SEQ图\*ARABIC\s17IO-22U作为本监控系统主要组成设备，IO-22U具有以下特点：独有的标准形式的开放式协议；提供多种输入/输出模块；高精度模拟输入/输出点；在线固件升级/配置；高稳定性的操作系统。公共生产线图3-SEQ图\*ARABIC\s18传送带系统实现功能实现功能在直流马达的作用下，传送带开始运行。首先通过无触点接近开关，当物体到达接近开关的感应区域时，能够检测与判断金属物质的位置以及行程，并迅速发出电气指令使开关闭合；经过电容式传感器检测是否有物体（导电物体和非导电物体）通过，由此便可控制电容式传感器开关的通断；接着就是对传送带上物体标签进行检测了，这就需要色标传感器发挥其作用了，色标传感器的应用范围极广，就算物体背景有很小不一样的颜色也可以用其检测到；最后通过带背景抑制功能漫反射光电传感器，当被测物体到达接收机设定的检测距离时，输出切换。它根据测角法原理工作，对物体的颜色，形状和表面特性的检测距离不应有影