基于現(xiàn)場總線的虛擬儀表在制糖企業(yè)中的應用

蘇 毅，李明霞

（廣西計量檢測研究院，廣西 南寧 530007）

0 引 言

虛擬儀表是計算機資源、模塊化功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應用軟件的有機結合。它通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用軟件在屏幕上生成各種儀表面板，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能[1]。高效的軟件，模塊化的I/O硬件和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是構建虛擬儀表系統(tǒng)的關鍵。本文以糖廠虛擬儀表系統(tǒng)開發(fā)為例，介紹虛擬儀表系統(tǒng)的開發(fā)過程和方法。

1 CAN現(xiàn)場總線技術

控制器局域網(wǎng)絡（controller area network，CAN），是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡，為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠、靈活的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持?；贑AN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下3方面具有明顯的優(yōu)越性[2]：

（1）CAN控制器的工作為多主方式，網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權（取決于報文標識符），采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，取而代之的是對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)。這些特點使得CAN總線構成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

（2）CAN總線通過總線收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)當系統(tǒng)有錯誤、多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導致總線短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)在網(wǎng)絡中因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

（3）CAN的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。另外，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點，是一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。

2 虛擬儀表技術

虛擬儀表利用軟件在屏幕上生成各種儀表面板，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。與傳統(tǒng)儀表相比，其主要優(yōu)點是可以由用戶自己定義、設計儀表系統(tǒng)，以滿足不同的要求，使儀表的功能更加強大、靈活，而且很容易同網(wǎng)絡、外設及其他應用相連接。這樣既降低了價格，節(jié)省開發(fā)、維護的費用，又縮短了技術開發(fā)周期。虛擬儀表的關鍵技術就是應用軟件，這是因為虛擬儀表的主要功能是由軟件來體現(xiàn)的，即“軟件就是儀表”。通過虛擬儀表，工業(yè)設備變得越來越簡單，功能越來越強，并將在未來的工業(yè)發(fā)展中起到主導的作用[3]。

3 虛擬儀表系統(tǒng)方案設計

3.1 虛擬儀表系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

針對糖廠監(jiān)控的生產(chǎn)參數(shù)多、工藝變化多、位置分散的特點，選擇協(xié)議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換的CAN總線構建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。虛擬儀表系統(tǒng)由中央虛擬儀表單元和現(xiàn)場采集單元構成（見圖1）[4-5]?，F(xiàn)場采集單元由工控機及采集、存儲、顯示和CAN通信模塊組成，對糖廠各車間測量儀器進行數(shù)據(jù)的實時采集，完成數(shù)據(jù)調(diào)理、存貯和通信；中央虛擬儀表單元可以從現(xiàn)場采集單元獲取數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表、打印及數(shù)據(jù)庫管理。在這個網(wǎng)絡中，中央虛擬儀表單元處于主控位置，而現(xiàn)場采集單元可以隨時響應中央監(jiān)控單元的命令。

3.2 虛擬儀表系統(tǒng)軟件設計

Iocomp Components是一個面向仿真、工業(yè)自動化、科學、儀表等數(shù)據(jù)圖形領域的通用組件包。包含了豐富的應用在Delphi等Windows開發(fā)工具的嵌入式控件，包括各種形式的報警器、測量、棒圖、LED、儀表、數(shù)碼管、計數(shù)器、百分比、選擇器、滑塊、開關、趨勢圖形等48種面板指示控件，提供一個強大的虛擬儀器儀表工具庫，可以方便快捷地開發(fā)出各種人機界面友好的工業(yè)控制軟件，是一款很實用的虛擬儀表開發(fā)組件。

串口通信控件Spcomm是Delphi實現(xiàn)串口通信的較簡單的方法，該控件具有豐富的與串口通信密切相關的屬性及事件，提供了對串口的各種操作，而且支持多線程。

圖1 虛擬儀表網(wǎng)絡結構

中央虛擬儀表單元采用Delphi可視化開發(fā)平臺，嵌入Iocomp組件實現(xiàn)虛擬儀表功能和界面。分為界面、事務處理、數(shù)據(jù)庫3層結構，見圖2。界面部分實現(xiàn)虛擬儀表的界面顯示和與系統(tǒng)相關的可視化操作界面；事務處理部分負責工控機與工控機-CAN適配器節(jié)點間的通信、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、報表處理和數(shù)據(jù)庫管理與備份等。工控機-CAN適配器在系統(tǒng)中負責實現(xiàn)CAN協(xié)議和RS232串口協(xié)議的轉(zhuǎn)換，由CAN總線通信模塊和串口通信模塊組成。

圖2 中央虛擬儀表單元系統(tǒng)層次圖

現(xiàn)場采集單元，可分為CAN總線驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和驅(qū)動外設模塊，見圖3。其中，CAN總線驅(qū)動模塊負責CAN接口控制器的配置，實現(xiàn)與網(wǎng)絡中其他節(jié)點在CAN協(xié)議下的通信；數(shù)據(jù)采集模塊負責現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)分析模塊負責對所采集的各種數(shù)據(jù)進行分析并給出結果；驅(qū)動外設模塊負責執(zhí)行來自中央虛擬儀表單元的命令，各驅(qū)動外部聯(lián)動設備及時接收并執(zhí)行。

圖3 現(xiàn)場采集單元軟件功能模塊

4 虛擬儀表開發(fā)過程

（1）工控組件Iocomp的安裝。在Windows平臺下安裝Delphi7.0，然后安裝工控組件Iocomp：用Delphi打開Iocomp70.dpk文件→點擊Compile→點擊install即可。圖4是安裝好的Iocomp組件。

（2）在Delphi下安裝串口通信控件Spcomm。選擇Delphi7.0的“Component”菜單，點擊“Install Component...”菜單項，然后在彈出的Into existing package屬性頁中Unit file name輸人框中選擇SPCOMM.pas文件，單擊兩次“OK”按鈕后，就可以將Spcomm控件安裝到Delphi7.0的System組件頁上。

（3）根據(jù)需求，在delphi7.0下，用Iocomp控件設計編碼虛擬儀表的界面和屬性[6-7]，如圖5所示。然后，借助Spcomm控件，實現(xiàn)與PC-CAN適配器的通信，讀取現(xiàn)場采集單元通過CAN總線傳送的測量設備數(shù)據(jù)。

（4）Spcomm控件串口通信的實現(xiàn)。Spcomm串行通信控件具有多線程的特性，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)分別在兩個線程內(nèi)完成，接收線程負責收到數(shù)據(jù)時觸發(fā) OnReceiveData事件；用 WriteCommData（）函數(shù)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入輸出緩沖器，發(fā)送線程在后臺完成數(shù)據(jù)發(fā)送工作。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)前需要初始化串口，用StartComm方法打開串口，退出程序時用StopComm方法關閉串口。實現(xiàn)PC機與PC-CAN適配器之間的數(shù)據(jù)發(fā)送及接收需要以下5 個步驟[8]：

1）初始化并打開串口。需要選擇本次通信使用的串口，確定通信協(xié)議，即設置波特率、校驗方式、數(shù)據(jù)位、停止位等屬性，打開該串口。示例代碼如下：

圖4 Iocomp組件

圖5 虛擬儀表界面

2）建立握手信號。實現(xiàn)PC機與下位機之間的通信，首先要調(diào)通它們之間的握手信號，握手信號可以隨意選擇某特定字符串。當PC發(fā)出這樣一幀數(shù)據(jù)后，通過接收事件能收到下位機返回的這一幀數(shù)據(jù)或特定的某字符串，則表示握手成功，系統(tǒng)通信正常，兩者之間就可以按照協(xié)議相互傳輸數(shù)據(jù)；否則需重新建立握手信號。

3）發(fā)送數(shù)據(jù)。在編寫基于串口的計算機工業(yè)測控時，通常需要由PC機向下位機發(fā)送命令以控制下位機的行為，同時向下位機發(fā)送有關數(shù)據(jù)。利用Spcomm串口控件向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)示例代碼如下：

4）接收數(shù)據(jù)。在編寫基于串口的計算機工業(yè)測控時，通常需要由下位機向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，以使PC機了解系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)或下位機的運行狀態(tài)，并進而控制下位機的行為。利用Spcomm串口控件接收下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)信息的示例代碼如下：

5）關閉串口。在系統(tǒng)開發(fā)中，應注意在不使用串口時及時關閉串口，釋放系統(tǒng)資源，否則可能會影響系統(tǒng)的其他應用。關閉串口的代碼如下：

5 結束語

采用CAN總線技術和虛擬儀表技術相結合的設計思路，實現(xiàn)了糖廠生產(chǎn)車間技術參數(shù)的實時檢測和動態(tài)顯示，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性、準確性、實時性滿足制糖企業(yè)要求，達到了集中監(jiān)控的目的。虛擬儀表給用戶很大的自由度，可以隨時通過虛擬儀表軟件設計增加或刪除儀表，節(jié)省大量的硬件資源。虛擬儀表利用可視化編程環(huán)境，設計通用的圖形化軟儀表面板，方便實現(xiàn)測量儀器的自動化、智能化，具有廣泛的應用前景。

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