基于Labveiw的試驗設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

黃 偉，陳臻科

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

基于Labveiw的試驗設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

黃 偉，陳臻科

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

中央集中監(jiān)控系統(tǒng)對于中大型試驗場地或試驗中心的統(tǒng)一管理、及時響應(yīng)緊急狀況、減少工作強度及人員具有現(xiàn)實而重要的意義?；贚abView的試驗設(shè)備的集中監(jiān)控系統(tǒng)，通過對不同試驗設(shè)備的適應(yīng)性改造，以上位機為控制核心。通過以太網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成環(huán)形以太網(wǎng)，其主要功能為采集試驗設(shè)備的溫度或濕度信號。

試驗；LabView；集中監(jiān)控

概述

長期以來，大型試驗中心存在試驗設(shè)備種類繁多、功能不一、設(shè)備供應(yīng)商多及設(shè)備技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代化程度差別大的現(xiàn)象，這種情況，一方面對于操作人員或值班人員而言，勞動強度較大，需要的人員也較多；另一方面對于一些落后設(shè)備，不能及時發(fā)現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致試驗中出現(xiàn)故障或嚴(yán)重時造成被試設(shè)備損壞。為解決大型試驗中心存在的這種問題，需研制出一套集中監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對各種實驗設(shè)備的溫度、濕度信號的采集，同時具有對溫度超限報警、數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示及報表打印等功能，亦可減少值班人員。

本文給出了基于LabView的試驗設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)的詳細設(shè)計方案。LabView是美國NI公司實現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)的圖形化的計算機語言語言，基于通用計算機等標(biāo)準(zhǔn)軟硬件資源平臺可實現(xiàn)構(gòu)建靈活、層次體系明晰、功能強大，因此在國內(nèi)外許多監(jiān)控系統(tǒng)中被廣泛采用。本文介紹了該系統(tǒng)的方案設(shè)計，包括集中監(jiān)控方案、各類設(shè)備控制系統(tǒng)的改造設(shè)計及上位機監(jiān)控技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)主要功能

集中監(jiān)控系統(tǒng)主要采集試驗設(shè)備的溫度或濕度信號，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到中央控制室監(jiān)控計算機實現(xiàn)集中監(jiān)控。集中監(jiān)控系統(tǒng)主要功能：

1）實時監(jiān)測所有試驗設(shè)備的溫度及濕度；

2）具有溫度超限報警功能；

3）數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示、報表打印等功能；

4）集成視頻監(jiān)控功能。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.2.1 軟件架構(gòu)

集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件以Labview架構(gòu)核心，通過硬件建立通信信道，其組網(wǎng)方式簡單，采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，硬件數(shù)量少，成本較低，通用性強。

由于各個試驗設(shè)備接口不一，對于具有通信接口并且通信協(xié)議已知的試驗設(shè)備，可通過串口服務(wù)器接入主干網(wǎng)絡(luò)。對于通信協(xié)議未知的設(shè)備，需要設(shè)備廠商將其通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議，通過串口服務(wù)器接入主干網(wǎng)絡(luò)。

集中監(jiān)控軟件界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：進入界面包含整個設(shè)備的分布圖，點擊任意設(shè)備可以進入該設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，顯示實時數(shù)據(jù)和曲線。主界面實時顯示所有設(shè)備的溫（濕）度數(shù)據(jù)，并提示報警信息。曲線界面顯示數(shù)據(jù)曲線如圖2所示，可以根據(jù)實際需要選擇某一設(shè)備的數(shù)據(jù)曲線，查看數(shù)據(jù)歷史曲線，曲線坐標(biāo)可以任意調(diào)整，曲線可以任意放大和縮小。報表界面可根據(jù)需要選擇溫（濕）度數(shù)據(jù)進行報表顯示和存儲。

圖1 監(jiān)控軟件界面拓?fù)鋱D

1.2.2 硬件架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)硬件以上位機為控制核心，其它主要組成有串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、電源適配器、數(shù)據(jù)采集模塊等。集中監(jiān)控系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)用以太網(wǎng)，由若干臺10口百兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機互聯(lián)構(gòu)成環(huán)形以太網(wǎng)，具有通信故障自愈功能。每個房間安放一個監(jiān)控柜，用于安放串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、電源適配器、數(shù)據(jù)采集模塊等設(shè)備。

無通信接口的老舊設(shè)備通過額外加裝傳感器，再通過數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)由串口服務(wù)器接入主干網(wǎng)絡(luò)。每臺串口服務(wù)器具有4個串口，每個串口均具有三種組態(tài)，可以連接RS-232、RS-485和RS-422。另外每個房間安裝2臺IP攝像機進行視頻監(jiān)控，該設(shè)備為數(shù)字式攝像機，可直接接入主干網(wǎng)絡(luò)。

對于系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備需在試驗現(xiàn)場進行本地數(shù)據(jù)存儲，配置本地監(jiān)控計算機直接讀取現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，本地監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)與監(jiān)控站進行數(shù)據(jù)通信。

圖2 曲線界面示意圖

整個系統(tǒng)預(yù)留多個備用通信接口和通信帶寬，可方便地進行系統(tǒng)擴展。該網(wǎng)絡(luò)采用普通以太網(wǎng)方式組網(wǎng)，監(jiān)控大廳與現(xiàn)場設(shè)備距離最遠可達100m。若監(jiān)控大廳距離超過100m，可在網(wǎng)絡(luò)交換機上加裝光纖通信轉(zhuǎn)換模塊，通信距離最遠可達100km。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

監(jiān)控大廳中的數(shù)據(jù)監(jiān)控站和視頻監(jiān)控站通過以太網(wǎng)通信方式采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和數(shù)字視頻信號。數(shù)據(jù)監(jiān)控站實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備溫度、濕度數(shù)據(jù)的顯示、報警、報表等功能。視頻監(jiān)控站實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的實時視頻監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生報警信號時，自動記錄報警時間，并自動調(diào)出故障設(shè)備的監(jiān)視畫面。集中監(jiān)控大廳的設(shè)備布局如圖4所示。

2 集中監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

現(xiàn)場設(shè)備根據(jù)通信協(xié)議和實際應(yīng)用需要分為6種類型：①RS-232/RS485通信設(shè)備；②模擬量通信設(shè)備；③以太網(wǎng)通信設(shè)備；④控制系統(tǒng)改造設(shè)備；⑤熱真空設(shè)備；⑥視頻監(jiān)視設(shè)備。每種類型設(shè)備都有多臺。

2.1 RS-232/RS-485通信設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

該類型設(shè)備具有RS-232通信接口。對于通信協(xié)議已知的設(shè)備，可以直接連接串口服務(wù)器接入主干網(wǎng)絡(luò)。對于通信協(xié)議未知的設(shè)備，將設(shè)備通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus RTU協(xié)議，通信接口為RS-485。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 模擬量通信設(shè)備布置（見圖6）

在一些試驗設(shè)備中本身不具有通信接口或無法獲取通信協(xié)議。對于無法通過與設(shè)備直接通信的方式采集數(shù)據(jù)（即無通訊接口或無通信協(xié)議）的試驗設(shè)備，采用更換或加裝雙只熱電阻PT100的方法進行溫度數(shù)據(jù)采集。雙只熱電阻具有兩路溫度檢測輸出，一路接入現(xiàn)場試驗設(shè)備，一路接入集中監(jiān)控系統(tǒng)。對于因設(shè)備保修需要不能更換原有線路的設(shè)備，額外加裝溫濕度傳感器。

根據(jù)試驗設(shè)備指標(biāo)要求溫度范圍為-70℃～+180℃、濕度0%～100%，指標(biāo)要求每臺設(shè)備配置合適的溫濕度變送器，將現(xiàn)場信號變送成4～20mA信號。再通過模擬量數(shù)據(jù)采集模塊將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過通信方式將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)。模擬量數(shù)據(jù)采集模塊采用Modbus RTU串口通信協(xié)議，接口為RS-485，支持多主站通信。

圖3 集中監(jiān)控方案一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖4 試驗中心集中監(jiān)控大廳效果圖

圖5 RS-232/RS-485通信設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

由于新安裝的檢測元件與原檢測元件可能存在一定的偏差，根據(jù)實際使用效果在上位機軟件中進行適當(dāng)?shù)难a償，以減小測量偏差，提高準(zhǔn)確度。

2.3 以太網(wǎng)通信設(shè)備入網(wǎng)（見圖7）

試驗設(shè)備中有些具有以太網(wǎng)通信接口，通過網(wǎng)絡(luò)交換機接入主干網(wǎng)絡(luò)。

2.4 控制系統(tǒng)改造設(shè)備

由于一些試驗設(shè)備原控制系統(tǒng)過于陳舊，無法在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)監(jiān)控，且無法添加通信模塊?？刂栖浖到y(tǒng)版本過低，存在許多不易解決的問題。根據(jù)實際應(yīng)用需要，重新設(shè)計一套控制系統(tǒng)，本地采用觸摸屏控制，采用監(jiān)控計算機控制，并將溫度濕度信號接入集中監(jiān)控系統(tǒng)。控制系統(tǒng)改造設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

新型控制系統(tǒng)采用以PLC為核心的系統(tǒng)架構(gòu)，通過以太網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)多主站通信。根據(jù)實際需要，選擇是否配置監(jiān)控站。整套控制系統(tǒng)置于本地控制箱中，放置與試驗箱附近。

2.5 熱真空設(shè)備

熱真空設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為工控機與所有儀表構(gòu)成串行網(wǎng)絡(luò)。真空系統(tǒng)控制核心PLC、溫度巡檢儀、各區(qū)域溫控儀表之間相互獨立，只能實現(xiàn)單一主站的本地控制，無法實現(xiàn)本地和的并行控制。由于儀表使用串口通信，只支持單主站通信方式。PLC為三菱低端控制器，不支持以太網(wǎng)通信方式。無法在原有系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上實現(xiàn)監(jiān)控功能，需對控制系統(tǒng)進行改造升級。改造后控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

改變控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以可靠性較高的西門子PLC為控制系統(tǒng)核心，本地采用觸摸屏控制，采用普通計算機與PLC以太網(wǎng)通信模塊進行通信實現(xiàn)監(jiān)控。繼續(xù)使用原系統(tǒng)儀表，使用自由口通信方式采集儀表數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)既可在本地觸摸屏上進行監(jiān)控，也可在監(jiān)控站進行監(jiān)控。由于該控制系統(tǒng)支持多主站以太網(wǎng)通信，可通過交換機接入集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)廠房視頻監(jiān)控的需要布置攝像頭，采用高清攝像機構(gòu)成視頻監(jiān)控系統(tǒng)。每個房間配置2臺攝像頭，視頻信號通過上位機視頻監(jiān)控計算機顯示，通過數(shù)字硬盤錄像機進行視頻存儲。

圖6 模擬量通信設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 以太網(wǎng)通信設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 控制系統(tǒng)改造設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖9 熱真空設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.7 本地數(shù)據(jù)存儲

對于系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備需在試驗現(xiàn)場進行本地數(shù)據(jù)存儲，配置本地監(jiān)控計算機直接讀取現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，本地監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)與監(jiān)控站進行數(shù)據(jù)通信。

本地數(shù)據(jù)采集軟件在系統(tǒng)開機時自動運行，進行數(shù)據(jù)采集與存儲，無需進行配置。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障時，試驗數(shù)據(jù)存儲在本地數(shù)據(jù)采集軟件中，不會丟失。

2.8 Labview軟件設(shè)計

編寫串口通信程序通過串口RS-232與高低溫箱進行通信，使用OPC通信模塊與S7-200 PLC進行通信，編寫TCP/IP通信程序與UMD控制器進行以太網(wǎng)通信，編寫數(shù)據(jù)庫程序進行數(shù)據(jù)采集、報警、保存與報表。

3 總結(jié)

基于LabView的試驗設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的人機交互能力和信息處理能力，其組網(wǎng)方式簡單，采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，硬件數(shù)量少，硬件系統(tǒng)可靠性較高，具備通信阻塞處理功能成本較低；通用性強，數(shù)據(jù)“透明”傳輸，無需進行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，直接將現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控站，擴展性強，同時系統(tǒng)預(yù)留多個通信接口可方便進行系統(tǒng)擴展。

[1] 馬俊秀.基于虛擬儀器技術(shù)的遠程溫度測量系統(tǒng)[J] .科技信息, 2011.(21)：102-103.

[2] 陸強,戴文.基于LabVIEW的環(huán)境試驗設(shè)備溫濕度檢定系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù), 2007, 30(7)：64-66.

[3] 謝輝力.涂裝室溫濕度的控制與監(jiān)測系統(tǒng)[J].計算技術(shù)與自動化, 2006, 25(4).

[4] 劉慶綱,楊勇,胡小唐,等. 基于虛擬測試技術(shù)的高精度溫度測控系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報 ,2001, 22(z2)：315-316.

Design of Centralized Monitoring System of Test Device Based on Labveiw

HUANG Wei, CHEN Zhen-ke
（Shanghai Institute of Electronic Technique for Aeronautics, Shanghai 201109）

Centralized monitoring system plays a significant role in unified management, emergency response timely, workload reduction, and working personnel of middle-large size test site and test center. Based on Labveiw, through the adaptability improvement for different equipment device, the centralized monitoring system of test device takes upper computer as the control core. Through the Ethernet backbone network, the loop Ethernet is composed. Its main function is to collect the information of temperature and humidity signal for test device.

experiment; LabView; centralized monitoring

TP277

A

1004-7204（2015）02-0040-05

黃偉（1982-），男，工程師 ，學(xué)士，研究方向為遠程控制技術(shù)。