探究電氣設(shè)備的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 菡，李 龍

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

在電氣設(shè)備的發(fā)展過(guò)程中，為了減輕工作人員的工作量，在局部網(wǎng)內(nèi)部組建環(huán)網(wǎng)能夠及時(shí)地監(jiān)控電氣設(shè)備，一旦電氣設(shè)備在運(yùn)作的過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，則可以立刻發(fā)現(xiàn)并解決。以往的電子設(shè)備監(jiān)控采用的是電氣化系統(tǒng)集散控制，該方式對(duì)于機(jī)電設(shè)備管理質(zhì)量的提升起到了良好的助力作用，但在應(yīng)用中存在一定的局限性。

1 電氣設(shè)備革新的必要性

以往的電氣設(shè)備采用的監(jiān)控系統(tǒng)是傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng) （Distributed Control System，DCS），其屬于一種綜合控制系統(tǒng)，能夠滿足現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中對(duì)于過(guò)程監(jiān)控的需求。DCS需要多項(xiàng)技術(shù)的加持，如：通訊、網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)等。在電氣設(shè)備的監(jiān)控方面，嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)豐富了其交互、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，進(jìn)一步加強(qiáng)了嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控在工業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)控能力與實(shí)用性，使工業(yè)生產(chǎn)更加規(guī)范化，確保了相關(guān)人員的人身安全。對(duì)比傳統(tǒng)的控制及管理模式，該系統(tǒng)存在一定的先進(jìn)性，但隨著我國(guó)綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng)，技術(shù)手段的進(jìn)一步升級(jí) （如人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展等），嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控需要更加安全、便捷。電氣工業(yè)的過(guò)程控制站規(guī)模也有所擴(kuò)大，其大部分采用4～20 mA模擬量信號(hào)下的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)、傳輸和控制。隨著電氣設(shè)備的更新，傳統(tǒng)集散控制所傳達(dá)的 “分散控制、集中監(jiān)控”思想已經(jīng)逐漸不適用，電子監(jiān)控技術(shù)的革新非常有必要。

2 嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在電氣設(shè)備中的應(yīng)用價(jià)值

首先，將嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在電氣設(shè)備中可以為相關(guān)單位節(jié)省一部分開(kāi)支。系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的融合能夠使監(jiān)控能力得到提升，同時(shí)節(jié)省了大量的人工監(jiān)控費(fèi)用。其次，隨著系統(tǒng)越來(lái)越豐富，采集到的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)有效，避免了傳統(tǒng)監(jiān)控力度不足、統(tǒng)計(jì)與篩選工作量大等問(wèn)題。如：智能儀表可以將定時(shí)采集的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)設(shè)備相連，然后生成Excel表格，便于相關(guān)人員進(jìn)行更加詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)與梳理。最后， “嵌入式系統(tǒng)+TCP/IP協(xié)議”所構(gòu)建成的Internet互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，使各項(xiàng)設(shè)備更加便攜和智能化 （如電器、儀表、汽車等與互聯(lián)網(wǎng)融合），有益于提升企業(yè)發(fā)展的綜合實(shí)力。從宏觀角度分析，電氣設(shè)備的功能也越來(lái)越豐富，滿足了相關(guān)單位的發(fā)展需求，其嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后期發(fā)展應(yīng)更加傾向于提升信息獲取的便利性與遠(yuǎn)程控制[1]。

3 電氣設(shè)備的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

傳輸功能。系統(tǒng)將上位機(jī)發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)到電氣設(shè)備當(dāng)中，包括機(jī)器的啟動(dòng)、停機(jī)、容許啟動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行的控制。

收集、記錄、儲(chǔ)存功能。該功能主要是記錄上位機(jī)發(fā)出的指令并儲(chǔ)存，在以后發(fā)生事故時(shí)，可以以此為依據(jù)調(diào)查事故發(fā)生的原因。同時(shí)，信號(hào)的采集工作不會(huì)影響電氣設(shè)備的運(yùn)行。

檢測(cè)功能。服務(wù)器會(huì)分別巡檢相應(yīng)的模塊線路（如STC-101模塊采集線路）狀態(tài)和通信管理機(jī)的工作狀態(tài)，最大限度地保護(hù)電氣設(shè)備的運(yùn)行，時(shí)刻監(jiān)視各設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并采集其數(shù)據(jù)信息（如電流數(shù)據(jù)信息、電壓數(shù)據(jù)信息等），對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行備份、存儲(chǔ)、歸檔等。另外，相關(guān)人員可以用移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出，非常便捷。

統(tǒng)計(jì)、查詢功能。該功能可以幫助調(diào)查人員更加有效地分析和處理采集到的數(shù)據(jù)信息。

設(shè)置功能。相關(guān)人員可以通過(guò)觸控顯示屏隨時(shí)查看監(jiān)控線路的工作狀態(tài)，這有助于相關(guān)人員對(duì)上位機(jī)變位的數(shù)據(jù)加以分析，從而設(shè)置更加有效、安全的數(shù)據(jù)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)施信息數(shù)據(jù)的控制和電氣設(shè)備的保護(hù)。

4 嵌入式控制器結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)原理介紹

4.1 嵌入式控制器介紹

嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是依托微處理器芯片、嵌入式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口等獨(dú)立單元構(gòu)建的一套處理復(fù)雜數(shù)據(jù)信息的控制系統(tǒng)。常見(jiàn)設(shè)備構(gòu)成如下：ARM9微處理器芯片，它是嵌入式控制器的核心；RT-Linux嵌入式操作系統(tǒng)；外圍電路，包括內(nèi)存儲(chǔ)器 （125 MB）、RS485串行接口、SD儲(chǔ)存卡、USB接口等功能部件[2]。具體的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）。

圖1 嵌入式控制器的結(jié)構(gòu)

4.2 智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理

相關(guān)人員在控制室進(jìn)行操作時(shí)，上位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的指令，嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)控制指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。通過(guò)接點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的中間繼電器線圈，利用中間繼電器的主觸點(diǎn)可以實(shí)施對(duì)電氣設(shè)備的控制，可以接成開(kāi)啟、關(guān)閉、運(yùn)行啟動(dòng)3種線路。相關(guān)人員需要注意，中間繼電器的輔助觸點(diǎn)需連接STC-101才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)上位機(jī)指令變位記錄的儲(chǔ)存使用，并將信號(hào)傳輸給485通信管理機(jī)。

電氣設(shè)備狀態(tài)、電壓、電流信息的采集和傳輸控制是通過(guò)電機(jī)自帶的RS-485接口實(shí)現(xiàn)的，這些信息可以通過(guò)485總線傳輸給485通信管理機(jī)。其中，每個(gè)485管理機(jī)都是嵌入式主控制器的從機(jī),從機(jī)將收集的數(shù)據(jù)傳送給以太網(wǎng)交換機(jī)EDS-205，再傳輸?shù)角度胧街骺刂破魃线M(jìn)行顯示并儲(chǔ)存。嵌入式主控制器也可以通過(guò)以太網(wǎng)或485總線和控制室的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸，達(dá)到監(jiān)控的目的。

5 電氣設(shè)備的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

5.1 實(shí)現(xiàn)方式

嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以針對(duì)機(jī)電設(shè)備有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。對(duì)于工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，采用較多的是以太網(wǎng)遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中設(shè)置微處理器，實(shí)現(xiàn)了矯正、采樣等功能。在以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中，各個(gè)模塊都可以實(shí)施合理分類，通過(guò)合理的分配可以實(shí)現(xiàn)在組態(tài)軟件下的鏈接。完成之后，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的控制。

遠(yuǎn)程電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，對(duì)于變量的控制是一個(gè)難點(diǎn)，技術(shù)人員不僅需要針對(duì)質(zhì)量計(jì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，而且需要對(duì)輔機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止運(yùn)作兩部分的控制。在技術(shù)人員實(shí)施控制的過(guò)程中，需要設(shè)置相應(yīng)的程序來(lái)控制機(jī)器的運(yùn)作。在此過(guò)程中，相關(guān)的技術(shù)人員要提高對(duì)輔助車間的重視程度，按照工作順序有序地進(jìn)行控制，運(yùn)用可編程邏輯控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)使控制順序更具獨(dú)立性。由于PLC控制器的種類較多，效果也存在較大差異，因此相關(guān)人員應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)赝ㄐ艆f(xié)議情況、網(wǎng)絡(luò)通信交換信息等合理地選擇PLC的種類，降低使用效果的差異性[3]。嵌入式技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需嚴(yán)格控制質(zhì)量計(jì)量以及模擬量，將兩者緊密結(jié)合。不同的設(shè)備在使用過(guò)程中受到的影響也不同。

5.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可劃分為三部分。

一是信息管理層。該層屬于基礎(chǔ)控制結(jié)構(gòu)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)將 “一體化”作為搭建遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)的前提，并在電氣設(shè)備后期運(yùn)行與管理中側(cè)重信息化功能，為相關(guān)單位的正常運(yùn)行與電力輸送提供強(qiáng)有力的保障。系統(tǒng)需采集現(xiàn)場(chǎng)信息，以保證機(jī)電設(shè)備管理、控制的有效性，并將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信息進(jìn)行儲(chǔ)存。借助于服務(wù)器的管控，形成實(shí)施信息集成的重要條件，將信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要應(yīng)用的信息。另外，監(jiān)控設(shè)備要能夠?qū)嵤┤轿坏谋O(jiān)控。

二是網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建的重點(diǎn)是接入不同的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使系統(tǒng)監(jiān)控更加智能化。因此，可以基于工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)和光纖建立網(wǎng)絡(luò)層主體，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信息迅速傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

三是設(shè)備層。該層的主要作用是將被控制的設(shè)備與控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備的目的。

嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)第124頁(yè)圖2（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）。

圖2 嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)不同的嵌入式操作系統(tǒng)，了解不同操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)要點(diǎn)。如：相關(guān)人員對(duì)嵌入式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用的是Linux操作系統(tǒng)，其在操作流程上需要加強(qiáng)Linux系統(tǒng)對(duì)于任務(wù)函數(shù)的控制，應(yīng)首選最高級(jí)的任務(wù)進(jìn)行操作，提升其切換控制的效果[4]。

基于任務(wù)分配原則進(jìn)行嵌入式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的功能大致可分為3類：一是監(jiān)測(cè)功能，該功能屬于最基礎(chǔ)的部分，可將其視為進(jìn)行任務(wù)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出等過(guò)程的 “基石”；二是保護(hù)功能，該功能會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，一旦達(dá)到最高任務(wù)參數(shù)就會(huì)向工作人員發(fā)送警告信息；三是交互功能，該功能是將外部設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的同時(shí)，顯示相應(yīng)的進(jìn)程與控制系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，屬于軟件設(shè)計(jì)最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

通過(guò)以上軟件設(shè)計(jì)中不同類型的劃分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，取得了良好的人機(jī)交互效果。相關(guān)人員在該過(guò)程中應(yīng)設(shè)置好相應(yīng)的期望參量的定值 （即控制指令），以滿足迅速傳輸?shù)氖褂眯枨?，提升設(shè)備的安全性和嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際控制效果。此外，系統(tǒng)可以根據(jù)本地?cái)?shù)據(jù)來(lái)接受外部的信號(hào)，從而實(shí)施數(shù)字濾波處理，并運(yùn)用數(shù)據(jù)保護(hù)模塊將公共緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)保存在Flash中。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序由兩部分組成，一是嵌入式Web server，二是CGI程序。嵌入式Web server是后臺(tái)守護(hù)進(jìn)程，主要的功能是監(jiān)聽(tīng)客戶請(qǐng)求，用戶向本地系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求之后，CGI程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為服務(wù)器能夠識(shí)別的格式，便于Web瀏覽器識(shí)別，再將應(yīng)答消息傳輸?shù)娇蛻舳?，?shí)現(xiàn)客戶端與本地系統(tǒng)之間的交互操作。

6 結(jié)束語(yǔ)

將嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)融入到電氣設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示功能。采用ARM9作為嵌入式的控制器，具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、可操控性強(qiáng)的特點(diǎn)。操作人員能夠清晰地看到機(jī)電設(shè)備是否準(zhǔn)確執(zhí)行了下達(dá)的指令，同時(shí)該系統(tǒng)也實(shí)時(shí)地記錄了工作人員下達(dá)的指令，在實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的同時(shí)，也為數(shù)據(jù)的查詢提供了理論依據(jù)。由此可見(jiàn)，嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。