實驗室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

吳大中,宋俊飛

(南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044)

實驗室是進行各種實驗工作的特殊環(huán)境。為了保證整個實驗室系統(tǒng)安全可靠地運行，實時檢測、監(jiān)控實驗室各項環(huán)境參數(shù)，保證實驗室狀態(tài)穩(wěn)定，并在發(fā)生意外或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，自動采取一定的保護措施，設(shè)計一種智能實時監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。

本文提出一種分散式結(jié)構(gòu)的SCADA智能實驗室系統(tǒng)，將原本由一個MCU處理的復(fù)雜任務(wù)分散給多個MCU共同處理，從而使系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及處理數(shù)據(jù)速度、系統(tǒng)效率大幅度提高，增強了系統(tǒng)的可擴展性和可改造性。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)是以計算機、通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。通過對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)及各類信號報警等功能[1]。根據(jù)SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該智能實驗室 SCADA系統(tǒng)由 RTU、HMI、TCOM 3個層次構(gòu)成。遠程控制單元RTU(Remote Terminal Unit)(即傳統(tǒng)的下位機),主要負責(zé)實驗室參數(shù)采集和控制；人機接口 HMI(Human Machine Interface)，主要負責(zé)提供良好的人機接口；遠程通信網(wǎng) TCOM(Telecommunication)，用于HMI與各RTU之間的通信。

1 總體架構(gòu)

智能實驗室總體架構(gòu)由房間控制系統(tǒng)、氣流控制系統(tǒng)(即通風(fēng)柜控制系統(tǒng)和閥控制系統(tǒng))、遠程控制系統(tǒng)及人機接口部分組成。如圖1所示

房間控制部分是實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的核心，連接著PLC、閥控制器、通風(fēng)柜控制器以及觸摸屏，主要負責(zé)采集房間參數(shù)，并發(fā)送命令給PLC、閥控制器、通風(fēng)柜控制器，以控制整個實驗室的正常運行。氣流控制部分和閥控制器主要根據(jù)房間控制器發(fā)送參數(shù)和命令，PID調(diào)節(jié)房間送/排風(fēng)，在保證房間最小換氣次數(shù)的前提下，保證房間的負壓環(huán)境。遠程控制部分由遠程PC和PLC組成，用戶可以通過PC機的上位機軟件發(fā)送命令給PLC和房間控制器，從而達到遠程控制整個系統(tǒng)的效果。

圖1 系統(tǒng)總架構(gòu)

人機接口除了遠程PC外，每個房間控制器都配有一臺7英寸液晶觸摸屏，用戶可以通過觸摸屏發(fā)送命令給房間控制器，控制整個系統(tǒng)的運行。此外，監(jiān)控系統(tǒng)還包含報警裝置，當(dāng)房間參數(shù)超出設(shè)定值，或者出現(xiàn)毒氣泄漏等危險情況時即刻發(fā)出報警信號。

2 房間控制部分

房間控制部分由房間控制器和傳感器組成。房間控制器以STM32F105RB處理器為主控制 MCU，通過AI模塊采集溫度、濕度、壓力、風(fēng)量等信息，并通過DI模塊采集開關(guān)量信息，通過AO模塊調(diào)節(jié)系統(tǒng)的送/排風(fēng)量和溫度，通過DO模塊改變系統(tǒng)各開關(guān)量的輸出狀態(tài)，房間控制部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

STM32F105RB是基于ARM CORTEX-M3核的32位RISC處理器，相比 ARM7速率提高 1/3，功耗降低 3/4，最高運行頻率可以達到72 MHz。配備CAN模塊、RS485串口模塊、電源模塊、8位DI及6位DO模塊。不僅涵蓋了現(xiàn)有的STM32F103的功能，而且在此基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)功能[2]。

溫度檢測模塊采用瑞士偉拓Vector室內(nèi)溫度傳感器SRA-T1，EEPROM自動保存最值記錄，具有掉電存儲功能。SRA-T1室內(nèi)溫度變送器感溫敏感元件是NTC電阻，變送器電路的微處理器每秒對溫度采樣一次。濾波時間計算信號平均值，并且根據(jù)濕度量程做線性變換，然后產(chǎn)生信號輸出，保證外部干擾對此變送器影響最小。默認濾波平均時間 10 s，測量范圍 0～+50℃(+32～+122°F)。本系統(tǒng)每個房間配置一個SRA-T1室內(nèi)溫度傳感器，采用24 V直流供電，輸出0～10 V電壓，接入房間控制器的AI模塊。房間控制器將電壓轉(zhuǎn)換為溫度，儲存在RAM中，最后在上位機上顯示。

圖2 房間控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 氣流控制部分

無論應(yīng)用于何種行業(yè)，實驗室氣流控制系統(tǒng)對于實驗室人員的人身安全都是至關(guān)重要的。必須確保實驗室有毒氣體從通風(fēng)柜安全排放，維持合適的溫/濕度環(huán)境和實驗室負壓。因此實驗室通風(fēng)系統(tǒng)在智能實驗室系統(tǒng)中具有很重要的作用。

監(jiān)控系統(tǒng)送排風(fēng)采用全新風(fēng)直流式裝置及壓差和溫差控制，響應(yīng)快速。送風(fēng)空調(diào)機將室外風(fēng)處理至送風(fēng)狀態(tài)，然后送入實驗室內(nèi)，補充實驗室排風(fēng)，維持實驗室內(nèi)溫/濕度和負壓環(huán)境[3]。送風(fēng)機和排風(fēng)機各2臺，一用一備。由于實驗室是全新風(fēng)系統(tǒng)，實驗室送風(fēng)量較大，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗和運行的電費較大，故將PLC和變頻器技術(shù)[4-5]應(yīng)用于實驗室控制系統(tǒng)中，通過檢測管道末端壓力，調(diào)節(jié)變頻器頻率，在保證房間最小換氣次數(shù)的前提下，降低送風(fēng)量，從而達到節(jié)能、減少功耗的目的。各控制器通信圖如圖3所示。

圖3 各控制器通信圖

氣流控制中，通風(fēng)柜控制器首先通過AO模塊將調(diào)節(jié)門開度發(fā)送給排風(fēng)文丘里閥控制器，并通過485總線將通風(fēng)柜開關(guān)機狀態(tài)、面風(fēng)速、緊急排風(fēng)等信息傳輸給排風(fēng)文丘里閥控制器。然后排風(fēng)文丘里閥控制器根據(jù)調(diào)節(jié)門開度，應(yīng)用PID方法通過排風(fēng)文丘里閥開度調(diào)節(jié)排風(fēng)量，同時排風(fēng)閥控制器會將閥開度反饋給通風(fēng)柜控制器，通風(fēng)柜會將閥開度與調(diào)節(jié)門開度進行比較，判斷閥控制器是否正常運行。排風(fēng)閥控制器還會通過AO模塊將排風(fēng)量發(fā)送給房間控制器，并通過CAN總線將通風(fēng)柜各種信息發(fā)送給房間控制器。房間控制器會將采集到的排風(fēng)量發(fā)送給送風(fēng)文丘里閥，送風(fēng)文丘里閥會根據(jù)排風(fēng)量調(diào)節(jié)送風(fēng)閥開度，從而調(diào)節(jié)送風(fēng)量，并且送風(fēng)閥控制器會將實際送風(fēng)量反饋給房間控制器。最后房間控制器會將通風(fēng)柜信息、送/排風(fēng)量、溫/濕度及壓力等信息顯示在觸摸屏上。由此得出監(jiān)控系統(tǒng)氣流控制部分的關(guān)鍵在于通風(fēng)柜系統(tǒng)，只要調(diào)節(jié)門開度發(fā)生改變，則排風(fēng)量發(fā)生改變，隨之送風(fēng)量也相應(yīng)發(fā)生改變，而且在幾毫秒內(nèi)響應(yīng)。

4 RTU軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用傳統(tǒng)的無限循環(huán)方式，開發(fā)平臺采用KeilMDK，采用STM32固件庫VER3.5版本開發(fā)程序[6]。按照靈活性和可重新配置原則，每個 AI、AO、DI、DO端口都可以配置成為不同的功能，如AI1既可以作為溫度傳感器的輸入,也可以作為壓力傳感器的輸入，同一時刻只能配置一個功能，可以通過上位機軟件或者觸摸屏設(shè)置[7]。

主程序運行流程如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進行設(shè)備初始化，然后系統(tǒng)會在每次循環(huán)的開始重啟13路ADC通道，采集各AI的輸入，并通過DMA保存到RAM中[8]。在中斷函數(shù)中，系統(tǒng)時鐘每 10 ms產(chǎn)生一次中斷，將 c_task[TASK4].TaskStatus置“1”，因此主循環(huán)中會首先執(zhí)行 TASK4：DisposalRoomEvent()，程序會進行手動模式和自動模式選擇，默認情況下為自動模式。在手動模式下，風(fēng)機以工頻形式運行，系統(tǒng)會根據(jù)手動輸入值改變各房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。自動模式下，風(fēng)機以變頻模式運行，系統(tǒng)會根據(jù)房間溫度和壓力情況，自動調(diào)節(jié)水閥開度和通風(fēng)柜風(fēng)量大小。

圖4 主程序流程圖

主循環(huán)是系統(tǒng)軟件核心，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲以及與氣流控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換。主循環(huán)共有5個任務(wù)[1]：(1)TASK1執(zhí)行的是串口1接受數(shù)據(jù)處理任務(wù)、完成房間控制器與PLC之間的數(shù)據(jù)通信；(2)TASK2執(zhí)行的是串口2接受數(shù)據(jù)處理任務(wù)，完成房間控制器與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信；(3)TASK3執(zhí)行的是串口3或者CAN總線接受數(shù)據(jù)處理任務(wù)，完成房間控制器與通風(fēng)柜之間的通信；(4)TASK4的作用是處理房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)；(5)TASK5用來保存房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。

基于PLC+STM32的智能實驗室SCADA系統(tǒng)，利用PLC和變頻器技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率，節(jié)約能耗，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。利用CAN總線和串行總線將STM32、PLC、傳感器、觸摸屏組成網(wǎng)絡(luò)，可方便地監(jiān)控實驗室設(shè)備的運行狀態(tài)。另外，利用智能PID技術(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)送/排風(fēng)以及房間溫度，提高了系統(tǒng)的動/穩(wěn)態(tài)性和自適應(yīng)性，保證了實驗室溫度、壓力、濕度維持在一個極小的波動范圍內(nèi)，確保了實驗室的正常工作環(huán)境。

通過以太網(wǎng)將多個PLC和中央控制室工控計算機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)風(fēng)機和實驗室的遠程監(jiān)控以及手動模式和自動模式的切換。該系統(tǒng)已在某海關(guān)運行，調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項參數(shù)都能滿足安全控制要求，極大降低了系統(tǒng)的能耗，保證了實驗室工作環(huán)境的安全性及舒適性。

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