基于ADAM的泵站主機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

謝 琪

（杭州市河道管理總站，浙江 杭州310000）

1 引言

絕大部分泵站主機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)象為非電量參數(shù)，非電量參數(shù)的測(cè)量必須應(yīng)用轉(zhuǎn)換元件（如傳感器），將非電量信號(hào)及其變化的過程轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的變化過程，傳統(tǒng)上受到轉(zhuǎn)換元件性能有關(guān)限制，轉(zhuǎn)換元件的性能好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量效果，故實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)存在了很大的困難。隨著傳感器和單片機(jī)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，使非電量信號(hào)的采集變得相對(duì)容易，精度和可靠度也有了明顯的提高。由傳感器和單片機(jī)構(gòu)成的各種數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化的儀器儀表，在泵站或電站中逐漸得到了推廣與應(yīng)用[1]。

泵站主機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是一門綜合數(shù)據(jù)采集、通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的交叉學(xué)科，具有很強(qiáng)的科學(xué)實(shí)踐性。本文具體結(jié)合了泵站數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)開發(fā)技術(shù)等進(jìn)行如下工作：①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組裝和軟件的研發(fā)；②結(jié)合七堡泵站5號(hào)機(jī)組的數(shù)據(jù)采集，對(duì)所采集的信號(hào)作出了數(shù)據(jù)處理；③利用了ADAM模塊開發(fā)了一套實(shí)用的16數(shù)據(jù)通道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。

ADAM開發(fā)模塊主要由ADAM-5511母板和ADAM-5017模擬信號(hào)輸入模塊、ADAM-5024模擬信號(hào)輸出模塊、ADAM-5051數(shù)字信號(hào)輸入模塊和ADAM-5056數(shù)字信號(hào)輸出模塊組成。ADAM開發(fā)模塊包括有兩個(gè)主要的組件：主單元和I/O模塊。主單元包括1個(gè)CPU卡，1個(gè)電源校正器，1個(gè)4槽的基板，2個(gè)系列通信口和1個(gè)可編程口。

2 總體構(gòu)架

（1）傳感器

傳感器的任務(wù)是要完成主機(jī)的各類信號(hào)采集，它將被測(cè)量的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的可輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，被測(cè)量參數(shù)可以是各種非電氣量參數(shù)。如電壓、電流、溫度、壓力、功率等，以電壓電流為例：通過電壓互感器可以將高壓變?yōu)?00 V低電壓；通過電流互感器可以將大電流轉(zhuǎn)變?yōu)? A低電流，低電壓和低電流將可以送入到數(shù)據(jù)采集板中的A/D轉(zhuǎn)換器，而不至于損壞數(shù)據(jù)采集板。

（2）信號(hào)調(diào)理

來自傳感器的輸出信號(hào)包含有干擾信號(hào)，這種干擾信號(hào)往往是非常微弱的。因此，需要信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行過濾，它有兩個(gè)基本作用：①放大微弱信號(hào)。將微弱信號(hào)放大，直到與A/D轉(zhuǎn)換器（數(shù)據(jù)采集板中）相互匹配；②預(yù)濾波。過濾高頻分量，這種高頻分量一般是干擾的噪聲信號(hào)[3]，將頻帶進(jìn)行壓縮用以降低采樣的頻率，以免產(chǎn)生混亂。如果信號(hào)調(diào)理模塊輸出的是標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)，如4～20 mA的電流信號(hào)，則稱這種信號(hào)調(diào)理模塊為變送器。此外可以根據(jù)需要進(jìn)行信號(hào)的隔離與變換等。

（3）數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集板的主要功能有3個(gè)：①由衰減器和增益可控的放大器進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換；②由多路開關(guān)完成對(duì)多點(diǎn)多通道信號(hào)的分時(shí)采樣活動(dòng)，時(shí)間連續(xù)信號(hào) X（t）經(jīng)過數(shù)值采樣后變?yōu)殡x散時(shí)間序列 X（n），n=0，1，2，…；③將信號(hào)的數(shù)據(jù)采樣值由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為幅值離散化的數(shù)字量，或轉(zhuǎn)換為脈沖頻率值用以適應(yīng)計(jì)算機(jī)工作。

（4）計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)猶如神經(jīng)中樞，它使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的智能性，成為一個(gè)可調(diào)度的智能整體。在軟件程序的指導(dǎo)下，傳感器將按設(shè)定的程序進(jìn)行自動(dòng)信號(hào)采集、存儲(chǔ)和處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算、分析和調(diào)度，然后進(jìn)行指令輸出、記錄、顯示或打印。

3 核心技術(shù)

3.1 內(nèi)嵌和隔離技術(shù)

在ADAM-5511母版中，有一種內(nèi)嵌和隔離技術(shù)，該技術(shù)采用了80188 CPU和ROM-DOS兩種操作模塊，80188微處理器在CPU卡中，提供除BIOS以外的所有MS-DOS的基本函數(shù)，函數(shù)屬性接口為DevStyle，其中Mcgs參數(shù)用以確定設(shè)備構(gòu)件的類別。①對(duì)獨(dú)立的設(shè)備構(gòu)件固定為0；對(duì)通信子設(shè)備，固定為1。本屬性為只讀屬性，語法形式為：Public Property Get DevStyle( )As Long；②內(nèi)嵌了RS-232-485通信口，接口方法名稱為InitNewDev，語法為InitNewDev（SavObj As Object）as Long，設(shè)備初始化成功返回值為0，否則為失??；SavObj參數(shù)為存盤服務(wù)的對(duì)象，通過該對(duì)象保存和讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)值。③內(nèi)嵌了ROM和編程用的快閃磁盤。ADAM-551快閃ROM 、SRAM和快閃磁盤，400 kB空間用以下載程序。④3位隔離和看門狗計(jì)時(shí)器。對(duì)I/O模塊（對(duì)地電壓3 000 V）、通信連線（對(duì)地電壓2 500 V）和通信電源連線（對(duì)地電壓3 000 V）隔離?？撮T狗計(jì)時(shí)器用來監(jiān)測(cè)微處理器，它能在系統(tǒng)失敗時(shí)自動(dòng)重置ADAM-5511微處理器[4]。

3.2 多模式傳輸技術(shù)

ASCII模式和RTU模式是控制器可以選擇的兩種模式，在應(yīng)用時(shí)可以自由選擇，并且可以設(shè)置各種參數(shù)。這兩種模式都是采用了Modbus通信模式，而且都是采用串口通信的，其驗(yàn)證方式為波特率方式和校驗(yàn)方式。

（1）ASCII模式

ASCII通信模式有很多優(yōu)點(diǎn)，其中最突出的優(yōu)點(diǎn)有2個(gè)，①十六進(jìn)制的代碼系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，傳輸?shù)淖止?jié)為0～9、A～F，校驗(yàn)時(shí)是從最小字節(jié)向最高字節(jié)發(fā)送。奇偶校驗(yàn)位（無校驗(yàn)則無）、1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)為2 bit，無校驗(yàn)時(shí)則為檢測(cè)錯(cuò)誤域）、縱向冗長(zhǎng)檢測(cè)LRC。②雙字節(jié)發(fā)送的時(shí)間間隔比較短，最快可達(dá)到1 s。

（2）RTU 模式

RTU通信模式的主要優(yōu)點(diǎn)有：①采用8位二進(jìn)制和十六進(jìn)制混合的代碼系統(tǒng)，發(fā)送1個(gè)奇偶校驗(yàn)位（無校驗(yàn)則無）、1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)為2 bit，無校驗(yàn)時(shí)則檢測(cè)錯(cuò)誤域）、CRC循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)。②在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送了更多數(shù)據(jù)。

3.3 楨技術(shù)

（1）ASCII幀

ASCII幀模式的信號(hào)傳輸方式是從冒號(hào)“：”開始，回車換行符結(jié)束。而其他的域是從十六進(jìn)制的0～9，A～F的數(shù)據(jù)雙字節(jié)傳輸。在檢測(cè)時(shí)，偵測(cè)冒號(hào)“：”，當(dāng)檢測(cè)冒號(hào)“：”時(shí)，返回設(shè)備解碼信息，間隔最長(zhǎng)不能超過1 s，否則將被認(rèn)為是一個(gè)錯(cuò)誤傳輸[5]。

（2）RTU 幀

RTU模式的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸發(fā)送3.5個(gè)雙字節(jié)，其主要工作方式為：①地址域信息傳輸方式。從一個(gè)新數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地址域新數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，接收的信息將是前一數(shù)據(jù)信號(hào)的延續(xù)。當(dāng)檢測(cè)到小于3.5個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，將被認(rèn)為是CRC域值檢測(cè)錯(cuò)誤。②整個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)幀作為傳輸流信息。該傳輸信號(hào)為1.5個(gè)雙字節(jié)，有停頓時(shí)間并不斷刷新接收信號(hào)。有超過1.5個(gè)雙字節(jié)時(shí)，將被認(rèn)為是CRC域值檢測(cè)錯(cuò)誤。③最后一個(gè)雙字節(jié)傳輸，出現(xiàn)一個(gè)至少3.5個(gè)雙字節(jié)時(shí)間的停頓，這標(biāo)定了數(shù)據(jù)信號(hào)的結(jié)束，一個(gè)新的數(shù)據(jù)信號(hào)可在此停頓后繼續(xù)開始，如此循環(huán)。④傳輸?shù)谝粋€(gè)地址域，從0～9，A～F不斷偵測(cè)總線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行了解碼，用以判斷信號(hào)是否已經(jīng)返回。

（3）地址域

單個(gè)設(shè)備的地址域是0～247的十進(jìn)制數(shù)，多個(gè)設(shè)備的地址域是包含2個(gè)雙字節(jié)，即ASCII和8 bit RTU的地址。①主設(shè)備與從設(shè)備通過地址聯(lián)接，信號(hào)傳輸時(shí)，要先選通從設(shè)備再選通主設(shè)備，從設(shè)備發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)給主設(shè)備，將信號(hào)傳輸?shù)街髟O(shè)備的地址域之中，然后主設(shè)備作出回應(yīng)。②廣播地址為“0”。所有的從設(shè)備都是作為認(rèn)知設(shè)備，采用Modbus協(xié)議進(jìn)行廣播，不允許以其他方式來代替。

3.4 設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)

需要編制一個(gè)通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，其具體方法比較復(fù)雜和難懂。但在實(shí)際應(yīng)用中，若設(shè)備的作用和功能都已經(jīng)明確，那么設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的編制就顯得簡(jiǎn)單很多。這里將以ADAM 4050為例，論述如何編制特定功能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件[6]。

功能要求為：能隨時(shí)讀入8個(gè)模擬量輸入通道的狀態(tài)和設(shè)置4個(gè)模擬量輸出通道的輸出狀態(tài)。根據(jù)前面所述，利用高級(jí)的開發(fā)語言向?qū)?，編譯生成一個(gè)通信設(shè)備的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件源代碼程序框架；假定工程名設(shè)為：Memy4050，類型名設(shè)為：memy555111。

定義一個(gè)屬性DeveNumber，用來標(biāo)識(shí)模塊的地址號(hào)：Public DeveNumber As Long；然后把屬性DevChannel中的值設(shè)置為15；在接口CollectDevDat中編制程序代碼如下：

On Error Resume Next Dim myflage As Long myflage = CollectOneComm（meParente，Deve Number，date）

CollectDeveDate = 0

If myflage <> 0 Then CollectDeveDate = -1

……

編譯該工程，得到動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件Memy 5511.dll，將該文件復(fù)制到MCGS的programedriveres目錄下，即可完成本設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件程序的編譯工作。

4 應(yīng)用實(shí)例

本模塊在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)先通過采集模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)所需參數(shù)的采集，該模塊圖形的形式顯示了采集數(shù)據(jù)，可以很直觀地看出采集到數(shù)據(jù)的趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面

該模塊形成的組件如取名為Me5511.dll，則泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控上位機(jī)軟件中可以調(diào)用該組件。并把數(shù)據(jù)讀到上位機(jī)軟件界面中。同時(shí)在界面中加入水頭、流量等參數(shù)，配合使用，并在右邊采用實(shí)時(shí)繪圖軟件繪出各參數(shù)的圖形。

5 結(jié)束語

本文采用ADAM模塊開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)了泵站主機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊的開發(fā)，并在上位機(jī)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，該應(yīng)用豐富了泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)容，完善了泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)組數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的功能，有效地提升了泵站綜合自動(dòng)化水平。本模塊的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可為其他模塊的開發(fā)以及泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)提供借鑒。