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      探究電氣設(shè)備的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2021-02-16 13:14:36菡,李
      關(guān)鍵詞:嵌入式電氣設(shè)備遠(yuǎn)程

      肖 菡,李 龍

      (許昌電氣職業(yè)學(xué)院,河南 許昌 461000)

      在電氣設(shè)備的發(fā)展過(guò)程中,為了減輕工作人員的工作量,在局部網(wǎng)內(nèi)部組建環(huán)網(wǎng)能夠及時(shí)地監(jiān)控電氣設(shè)備,一旦電氣設(shè)備在運(yùn)作的過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題,則可以立刻發(fā)現(xiàn)并解決。以往的電子設(shè)備監(jiān)控采用的是電氣化系統(tǒng)集散控制,該方式對(duì)于機(jī)電設(shè)備管理質(zhì)量的提升起到了良好的助力作用,但在應(yīng)用中存在一定的局限性。

      1 電氣設(shè)備革新的必要性

      以往的電氣設(shè)備采用的監(jiān)控系統(tǒng)是傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System,DCS),其屬于一種綜合控制系統(tǒng),能夠滿足現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中對(duì)于過(guò)程監(jiān)控的需求。DCS需要多項(xiàng)技術(shù)的加持,如:通訊、網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)等。在電氣設(shè)備的監(jiān)控方面,嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)豐富了其交互、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能,進(jìn)一步加強(qiáng)了嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控在工業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)控能力與實(shí)用性,使工業(yè)生產(chǎn)更加規(guī)范化,確保了相關(guān)人員的人身安全。對(duì)比傳統(tǒng)的控制及管理模式,該系統(tǒng)存在一定的先進(jìn)性,但隨著我國(guó)綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng),技術(shù)手段的進(jìn)一步升級(jí) (如人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展等),嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控需要更加安全、便捷。電氣工業(yè)的過(guò)程控制站規(guī)模也有所擴(kuò)大,其大部分采用4~20 mA模擬量信號(hào)下的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)、傳輸和控制。隨著電氣設(shè)備的更新,傳統(tǒng)集散控制所傳達(dá)的 “分散控制、集中監(jiān)控”思想已經(jīng)逐漸不適用,電子監(jiān)控技術(shù)的革新非常有必要。

      2 嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在電氣設(shè)備中的應(yīng)用價(jià)值

      首先,將嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在電氣設(shè)備中可以為相關(guān)單位節(jié)省一部分開(kāi)支。系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的融合能夠使監(jiān)控能力得到提升,同時(shí)節(jié)省了大量的人工監(jiān)控費(fèi)用。其次,隨著系統(tǒng)越來(lái)越豐富,采集到的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)有效,避免了傳統(tǒng)監(jiān)控力度不足、統(tǒng)計(jì)與篩選工作量大等問(wèn)題。如:智能儀表可以將定時(shí)采集的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)設(shè)備相連,然后生成Excel表格,便于相關(guān)人員進(jìn)行更加詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)與梳理。最后, “嵌入式系統(tǒng)+TCP/IP協(xié)議”所構(gòu)建成的Internet互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,使各項(xiàng)設(shè)備更加便攜和智能化 (如電器、儀表、汽車等與互聯(lián)網(wǎng)融合),有益于提升企業(yè)發(fā)展的綜合實(shí)力。從宏觀角度分析,電氣設(shè)備的功能也越來(lái)越豐富,滿足了相關(guān)單位的發(fā)展需求,其嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后期發(fā)展應(yīng)更加傾向于提升信息獲取的便利性與遠(yuǎn)程控制[1]。

      3 電氣設(shè)備的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

      傳輸功能。系統(tǒng)將上位機(jī)發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)到電氣設(shè)備當(dāng)中,包括機(jī)器的啟動(dòng)、停機(jī)、容許啟動(dòng)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行的控制。

      收集、記錄、儲(chǔ)存功能。該功能主要是記錄上位機(jī)發(fā)出的指令并儲(chǔ)存,在以后發(fā)生事故時(shí),可以以此為依據(jù)調(diào)查事故發(fā)生的原因。同時(shí),信號(hào)的采集工作不會(huì)影響電氣設(shè)備的運(yùn)行。

      檢測(cè)功能。服務(wù)器會(huì)分別巡檢相應(yīng)的模塊線路(如STC-101模塊采集線路)狀態(tài)和通信管理機(jī)的工作狀態(tài),最大限度地保護(hù)電氣設(shè)備的運(yùn)行,時(shí)刻監(jiān)視各設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并采集其數(shù)據(jù)信息(如電流數(shù)據(jù)信息、電壓數(shù)據(jù)信息等),對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行備份、存儲(chǔ)、歸檔等。另外,相關(guān)人員可以用移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出,非常便捷。

      統(tǒng)計(jì)、查詢功能。該功能可以幫助調(diào)查人員更加有效地分析和處理采集到的數(shù)據(jù)信息。

      設(shè)置功能。相關(guān)人員可以通過(guò)觸控顯示屏隨時(shí)查看監(jiān)控線路的工作狀態(tài),這有助于相關(guān)人員對(duì)上位機(jī)變位的數(shù)據(jù)加以分析,從而設(shè)置更加有效、安全的數(shù)據(jù)參數(shù),進(jìn)而實(shí)施信息數(shù)據(jù)的控制和電氣設(shè)備的保護(hù)。

      4 嵌入式控制器結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)原理介紹

      4.1 嵌入式控制器介紹

      嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是依托微處理器芯片、嵌入式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口等獨(dú)立單元構(gòu)建的一套處理復(fù)雜數(shù)據(jù)信息的控制系統(tǒng)。常見(jiàn)設(shè)備構(gòu)成如下:ARM9微處理器芯片,它是嵌入式控制器的核心;RT-Linux嵌入式操作系統(tǒng);外圍電路,包括內(nèi)存儲(chǔ)器 (125 MB)、RS485串行接口、SD儲(chǔ)存卡、USB接口等功能部件[2]。具體的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò))。

      圖1 嵌入式控制器的結(jié)構(gòu)

      4.2 智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理

      相關(guān)人員在控制室進(jìn)行操作時(shí),上位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的指令,嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)控制指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。通過(guò)接點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的中間繼電器線圈,利用中間繼電器的主觸點(diǎn)可以實(shí)施對(duì)電氣設(shè)備的控制,可以接成開(kāi)啟、關(guān)閉、運(yùn)行啟動(dòng)3種線路。相關(guān)人員需要注意,中間繼電器的輔助觸點(diǎn)需連接STC-101才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)上位機(jī)指令變位記錄的儲(chǔ)存使用,并將信號(hào)傳輸給485通信管理機(jī)。

      電氣設(shè)備狀態(tài)、電壓、電流信息的采集和傳輸控制是通過(guò)電機(jī)自帶的RS-485接口實(shí)現(xiàn)的,這些信息可以通過(guò)485總線傳輸給485通信管理機(jī)。其中,每個(gè)485管理機(jī)都是嵌入式主控制器的從機(jī),從機(jī)將收集的數(shù)據(jù)傳送給以太網(wǎng)交換機(jī)EDS-205,再傳輸?shù)角度胧街骺刂破魃线M(jìn)行顯示并儲(chǔ)存。嵌入式主控制器也可以通過(guò)以太網(wǎng)或485總線和控制室的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸,達(dá)到監(jiān)控的目的。

      5 電氣設(shè)備的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

      5.1 實(shí)現(xiàn)方式

      嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以針對(duì)機(jī)電設(shè)備有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。對(duì)于工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,采用較多的是以太網(wǎng)遠(yuǎn)程集控系統(tǒng),在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中設(shè)置微處理器,實(shí)現(xiàn)了矯正、采樣等功能。在以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中,各個(gè)模塊都可以實(shí)施合理分類,通過(guò)合理的分配可以實(shí)現(xiàn)在組態(tài)軟件下的鏈接。完成之后,可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的控制。

      遠(yuǎn)程電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中,對(duì)于變量的控制是一個(gè)難點(diǎn),技術(shù)人員不僅需要針對(duì)質(zhì)量計(jì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制,而且需要對(duì)輔機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止運(yùn)作兩部分的控制。在技術(shù)人員實(shí)施控制的過(guò)程中,需要設(shè)置相應(yīng)的程序來(lái)控制機(jī)器的運(yùn)作。在此過(guò)程中,相關(guān)的技術(shù)人員要提高對(duì)輔助車間的重視程度,按照工作順序有序地進(jìn)行控制,運(yùn)用可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller,PLC)技術(shù)使控制順序更具獨(dú)立性。由于PLC控制器的種類較多,效果也存在較大差異,因此相關(guān)人員應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)赝ㄐ艆f(xié)議情況、網(wǎng)絡(luò)通信交換信息等合理地選擇PLC的種類,降低使用效果的差異性[3]。嵌入式技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需嚴(yán)格控制質(zhì)量計(jì)量以及模擬量,將兩者緊密結(jié)合。不同的設(shè)備在使用過(guò)程中受到的影響也不同。

      5.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可劃分為三部分。

      一是信息管理層。該層屬于基礎(chǔ)控制結(jié)構(gòu),相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)將 “一體化”作為搭建遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)的前提,并在電氣設(shè)備后期運(yùn)行與管理中側(cè)重信息化功能,為相關(guān)單位的正常運(yùn)行與電力輸送提供強(qiáng)有力的保障。系統(tǒng)需采集現(xiàn)場(chǎng)信息,以保證機(jī)電設(shè)備管理、控制的有效性,并將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信息進(jìn)行儲(chǔ)存。借助于服務(wù)器的管控,形成實(shí)施信息集成的重要條件,將信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要應(yīng)用的信息。另外,監(jiān)控設(shè)備要能夠?qū)嵤┤轿坏谋O(jiān)控。

      二是網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建的重點(diǎn)是接入不同的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,使系統(tǒng)監(jiān)控更加智能化。因此,可以基于工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)和光纖建立網(wǎng)絡(luò)層主體,將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信息迅速傳輸,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

      三是設(shè)備層。該層的主要作用是將被控制的設(shè)備與控制系統(tǒng)進(jìn)行連接,從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備的目的。

      嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)第124頁(yè)圖2(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò))。

      圖2 嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      5.3 軟件設(shè)計(jì)

      軟件設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)不同的嵌入式操作系統(tǒng),了解不同操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)要點(diǎn)。如:相關(guān)人員對(duì)嵌入式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用的是Linux操作系統(tǒng),其在操作流程上需要加強(qiáng)Linux系統(tǒng)對(duì)于任務(wù)函數(shù)的控制,應(yīng)首選最高級(jí)的任務(wù)進(jìn)行操作,提升其切換控制的效果[4]。

      基于任務(wù)分配原則進(jìn)行嵌入式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的功能大致可分為3類:一是監(jiān)測(cè)功能,該功能屬于最基礎(chǔ)的部分,可將其視為進(jìn)行任務(wù)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出等過(guò)程的 “基石”;二是保護(hù)功能,該功能會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警,一旦達(dá)到最高任務(wù)參數(shù)就會(huì)向工作人員發(fā)送警告信息;三是交互功能,該功能是將外部設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的同時(shí),顯示相應(yīng)的進(jìn)程與控制系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù),屬于軟件設(shè)計(jì)最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

      通過(guò)以上軟件設(shè)計(jì)中不同類型的劃分,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,取得了良好的人機(jī)交互效果。相關(guān)人員在該過(guò)程中應(yīng)設(shè)置好相應(yīng)的期望參量的定值 (即控制指令),以滿足迅速傳輸?shù)氖褂眯枨?,提升設(shè)備的安全性和嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際控制效果。此外,系統(tǒng)可以根據(jù)本地?cái)?shù)據(jù)來(lái)接受外部的信號(hào),從而實(shí)施數(shù)字濾波處理,并運(yùn)用數(shù)據(jù)保護(hù)模塊將公共緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)保存在Flash中。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序由兩部分組成,一是嵌入式Web server,二是CGI程序。嵌入式Web server是后臺(tái)守護(hù)進(jìn)程,主要的功能是監(jiān)聽(tīng)客戶請(qǐng)求,用戶向本地系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求之后,CGI程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為服務(wù)器能夠識(shí)別的格式,便于Web瀏覽器識(shí)別,再將應(yīng)答消息傳輸?shù)娇蛻舳?,?shí)現(xiàn)客戶端與本地系統(tǒng)之間的交互操作。

      6 結(jié)束語(yǔ)

      將嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)融入到電氣設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示功能。采用ARM9作為嵌入式的控制器,具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、可操控性強(qiáng)的特點(diǎn)。操作人員能夠清晰地看到機(jī)電設(shè)備是否準(zhǔn)確執(zhí)行了下達(dá)的指令,同時(shí)該系統(tǒng)也實(shí)時(shí)地記錄了工作人員下達(dá)的指令,在實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的同時(shí),也為數(shù)據(jù)的查詢提供了理論依據(jù)。由此可見(jiàn),嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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