基于PLC和无线传感器网络的光电监测系统构建———基于PLC和无线

［编辑简介］：本文在分析光电监测系统的构成及工作原理的基础上，探讨了基于遥测技术的无线光电传感器网络实现方式，研究了ABB PLC软硬件实现及FameView的开发的可行性。［摘要］：为了克服传统监测系统的不足，构建一种基于PLC和无线传感器网络的光电监测系统。在分析光电监测系统的构成及工作原理的基础上，探讨了基于遥测技术的无线光电传感器网络实现方式，研究了ABB PLC软硬件实现及FameView的开发的可行性。采用ABB公司生产的AC500PLC作为主要控制器件，通过Modbus协议按地址依次轮询无线传感器节点来采集数据，对其进行相应处理，并将最终结果传递给上位机。上位机将获得的数据通过FameVJew组态软件生成监控画面，实时监测现场的运行情况。监测灵活、高效，数据采集效率较高，具备良好的扩展性。这种新型光电监测系统在企业生产、战场环境等许多军民用领域中具有重要作用。［关键词］：ABB PLC Modbus协议 光电监测 FameView软件 无线传感器网络　引言
  　　随着光电技术的飞速发展和现场监测自动化程度要求的提高，监测系统在军民用许多领域具有广泛的应用。光电监测具有图像直观、实时、非接触等优点。光电传感器品种、结构、形式灵活多样，体积小，作为监测部件已被大量用于监测系统中。
  　　在传统的现场监测中，往往需要将多个独立工作的传感器所产生的数据进行汇总处理，其通信方式主要采用固定的点对点之间的有线通信，这样导致基于多路数据采集的监测系统所要求的安装时间较长，数据采集效率较低，而且铺设或架空线缆又受到现场设施的制约，施工复杂而且成本高。另外，这种有线系统的可扩展性还受到电缆铺设等条件的制约。为了降低成本，提高监测效率，有必要构建一种新的高效、灵活的光电监测系统以解决传统监测系统所带来的问题。
  　　1光电监测系统构成及工作原理
  　　1.1光电监测系统构成
  　　光电监测系统的主要功能是通过各种光电传感器对现场各类数据进行采集，实时显现监测现场的运行工况，并进行实时监测与诊断，及时发现异常情况并报警。系统采用典型的两级监测方式：生产管理级和现场监测级，也可推广到战场、环境、试验场等情况的监测。系统的总体构成如图1所示。
  
  　　上位机以普通的计算机作为主要的人机界面(HMI)，为现场管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员;下位机由ABBAC500系列PLC构成，为基础监测级，面向生产现场，通过对各种光电传感器节点的轮询，完成生产现场的数据采集及过程控制等。
  　　1.1.1生产管理级
  　　面向生产操作人员，在HMI的监控画面上显示生产现场的各种工况参数，并通过HMI可以完成对历史数据和曲线的查询，从而协助生产操作员进行决策。当生产中出现异常时，在HMI上显示报警信息。
  　　1.1.2现场监测级
  　　面向生产过程，由可编程控制器以及现场无线光电传感器节点构成，为基础监测级。完成生产现场数据的采集和处理，对生产过程进行监测与控制。
  　　1.2监测系统工作原理
  　　ABB PLC通过无线收/发设备向各个光电传感器节点发送请求帧，各个节点首先分析帧的地址号是否与其相符，若相等则进一步分析帧的内容，并生成响应帧向主站发送，否则拒绝响应主站的请求。ABB PLC对无线设备接收到的帧进行校验，然后将其中采集来的数据存放到指定的数据存储区。上位机通过FameView组态软件和PLC进行通讯，从而读取PLC所采集来的数据。FameView组态软件对采集来的数据进行处理，存储并最终生成HMI监控画面。
  　　1.3 Modbus协议
  　　Modbus协议是一个公开的、被广泛应用的串行通信协议，最初由Modicon(莫迪康)公司为本公司的可编程控制器和工业自动化系统而制定。此协议符合OSI标准协议集中数据链路层规定的高级数据链路控制协议，但做了简化处理。由于其功能比较完善而且使用简单，数据易于处理，协议开放，因而在各种设备中被广泛采用。
  　　此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管他们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其他设备的过程，如果回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。其工作流程如图2所示。
  
  　　在标准的Modbus网络通信时，信息以帧的形式用异步串行的方式在主从设备之间传递。Modbus的帧格式、帧顺序、通讯错误和异常处理以及所执行的功能都不能随便更改，但传输介质的选择、波特率、字符奇偶校验、停止位的个数以及传输模式等都能选择。在具体实现某些设备之间的通信时，一旦这些参数选定以后，它们在系统运行时不能改变。
  　　Modbus协议有两种传输模式，每个Modbus系统只能使用其中一种模式。一种模式是ASCII;另一种模式是RTU(远程终端设备)。在ASCII方式中，消息中的每个8位字节需2个ASCII字符，其优点是准许字符的传输间隔达到1 S而不产生错误;在RTU方式中，每个8位字节包含两个4位的十六进制字符，其优点是在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据，但是每个消息必须以连续的数据流传输[4]。PI。C采用的足Modbus RTU模式，每个Modbus RTU报文的帧格如表1所示。
  
  　　每个数据帧以至少3.5个字符的问隔时问标志开始和结束，整个信息帧必须以连续的信息流进行传输，从而保证CRC校验的正确。其中：地址码为8位，从机的有效地址范围是o～247，这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。功能码为8位，有效编码为1～255，这个字节告诉从机执行什么任务。数据段可有多组数据组成，主要包括从机要完成功能码功能的附加信息。
  　　CRC为此帧数据的循环冗余校验码，用于保证整帧数据传输的正确性。
  　　2 基于遥测技术的无线传感器网络
  　　2.1无线传感器网络
  　　一个典型的无线传感器网络是由大量部署在监测区域内的具有感知、计算和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式构成的网络。它综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够根据环境自主完成监测、目标发现、识别与跟踪等任务。
  　　目前研究的无线传感器网络基本都是传感器节点数目众多(可多达几千个)、分布随机、一次性不回收型投放、节点间可相互通讯、需要节点自组织网络，要同时克服各种干扰和具备很强的容错能力。而对于现场监测而言，传感器节点不多，节点大多数不需要移动而且是可蕈复利用的，节点之间不需要相互通讯。网络设计由于现场范围小且节点数量少，故不需要太复杂结构。在传感器网络中，每个节点有一个固定的地址，数据的传输采用主从站方式。由于节点数量不多，在主站的无线通信范围内，所以由主站统一控制网络内的通信时序。
  　　这里采用集中式的无线传感器网络结构。每一个节点分布在固定的位置，直接向PI。C发送信号同时接受来自PLC的查询。每个传感器节点集成有传感器、处理器、无线通讯等主要功能单元。光电传感器网络节点的结构，如图3所示。
  
  　　2.2轮询遥测技术
  　　系统中现场控制级主站和各个传感器节点之间通过MODBUS协议进行通讯，主站采用轮询遥测技术采集数据。设置传感器节点不同的地址，按地址依次遥测各传感器节点，并在允许的时间内等待传感器节点的响应，获得数据，把各个节点中的数值存储到PLC中。以PLC读取地址编号为03的无线光电传感器节点数据为例，PLC将向光电传感器节点发出请求信号：03H(光电传感器节点的地址)04H(功能码)00H(欲读寄存器起始地址的高位字节)15H(欲读寄存器起始地址的低位字节)00H(欲读寄存器数的高位字节)04H(欲读寄存器数的低位字节)EF(校验码低字节)E1(校验码高字节)。PLC的应答报文帧是：03H(PLC地址)04H(功能码)08H(字节数)P1HH P1HLP1LH PILL P2HH P2HL P2LH P2LL(回应数据)crcl(校验码低字节)cre2(校验码高字节)。
  　　3 ABB PLC软硬件实现及FameVJew的开发
  3.1 ABB PLC的硬件配置
  　　系统采用ABB公司的一款中等规模的通用型PLC AC500作为控制器件，它具有可升级的CPU，并且CPU上集成两个Modbus通讯接口，这使得PLC与上位机以及与无线光电传感器节点同时实现通讯。
  　　PLC不能够直接接收来自无线光电传感器节点发送的数据。通过其带有的COM2口连接一个无线数据收/发模块，PLC可实现与无线光电传感器节点的通讯。ABB PLC的硬件结构如图4所示。
  
  　　3.2 PLC的软件实现
  　　系统控制软件由主程序和多个子程序模块组成，它是以ABB Codesys v2.3编程软件为开发环境，Codesys v2.3这套编程软件符合IEC61131-3的国际标准，可支持IL，LD，FBD，SFC，ST五种不同的编程语言。可完成AC500系统的全部设置，包括所有的总线接口，而且还有全面的自诊断功能、报警处理、可视化调试工具和开放的数据接口。另外还可在没有连接PLC硬件的情况下进行仿真，对用户程式进行调试，包括相关的手动功能。调试后的程式再下载到CPU控制系统中使用。
  　　PLC与无线传感器节点进行通讯时，作为MODBUS主站，要主动发送命令到各个子站完成读写数据的工作。程序设计流程如图5所示。PLC通过无线收/发模块依次发送数据请求帧，等待相应光电传感器节点的响应。PLC对返回的数据进行校验后，存放到PLC中。通过不断的循环，完成对数据的采集。
  
  　　PLC的帧请求通过调用功能块COM MODMAST来完成的。设定好MODBUS功能块的参数，PLC主站就可以顺利地从传感器节点中读取数据。PLC对地址号为0的传感器节点读取其寄存器内的数据，其功能实现的梯形图如图6所示。在实际调试中，还需通过软件的PLC组态选项，将MODBUS的参数：RTS control(发送请求控制)设置为“telegram”;Parity(奇偶校验)设置为“none”;Operation Mode(工作模式)设置为“Master”。PLC的主站已经可以通过无线数据收/发模块对传感器节点中的各种参数进行采集。
  　　3.3组态软件FameView的开发
  　　FameView是一套实现工业数据采集、过程监控、数据管理的高性能工业自动化软件产品，它运行稳定、功能强大、通讯及运行速度快、界面友好、结构化组态、简单易学;Fame View可以精确地监视与控制生产过程，提供多种工艺功能，优化生产设备和企业数据资源管理;它能够对生产事件快速反应，提高生产率以及用户收益。
  　　PLC与FameView组态软件通过MODBUS-RTU模式进行通讯时，作为MoDBUS从站，等待主站的请求命令，执行命令，返回数据，这可由AC500的操作系统自动完成，用户只需编写工艺程序和设定通讯参数即可。上位机能够实时地从PLC中采集数据，将采集到的数据分析处理后保存到数据库中，并实现实时数据和历史数据查看和曲线查询，对数据库中的数据进行查询、报表打印或导出到EXCEL表格中。
  　　FameView开发人机交互界面的流程如下：
  　　1)启动FameView，建立一个新的工作项目，然后对系统进行设置，主要包括系统注册、系统定制、启动任务、系统登录、存储数据库类型等系统信息的设置。本系统采用默认设置。
  　　2)对设备通信配置，包括安装、卸载及选择通讯驱动和设置设备数据表。选择&lt;设备通讯>功能，执行<1.安装驱动>任务，在出现的对话框列表中选择ABB公司AC500系列专用于MODBUS通讯的驱动程序--MB AC500，将其安装。然后进行的主要工作是配置设备数据表。通讯设备数据表的定义如表2所示。
  
  　　3)对运行数据库进行设置，在这里定义模拟输入输出变量、开关输入输出变量、内部变量及系统功能等。通过该定义从设备数据表中读取相应的数据。
  　　4)制作显示画面，即设计制作数据监控管理界面。
  　　5)要将数据存人到数据库中，还需要进行数据库连接。在与数据库的连接过程中，需定义相应的数据库及表和字段，并设置相应数据源，然后将各变量存储区中存储的数据定时存人数据库中。
  　　4 结论
  　　在光电监测系统构建中，主要解决了两个问题：一是PLC与传感器节点的无线通信，对现场状况进行实时监控}二是上位计算机中人机界面的开发。系统结构简洁，易于编程，容易实现，经济可靠，可移植性强，监测灵活与高效。无线光电传感器网络监测系统可以广泛应用于许多不便由人现场值守的军民用领域，例如复杂战场监测、环境监测、大型试验场现场监测、机场监测等，具有良好的应用前景。