基于PLC和無線傳感器網絡的光電監測系統構建_ABB_PLC

基于PLC和無線傳感器網絡的光電監測系統構建

2011/4/13 11:42:00

引言

　　隨著光電技術的飛速發展和現場監測自動化程度要求的提高，監測系統在軍民用許多領域具有廣泛的應用。光電監測具有圖像直觀、實時、非接觸等優點。光電傳感器品種、結構、形式靈活多樣，體積小，作為監測部件已被大量用于監測系統中。

　　在傳統的現場監測中，往往需要將多個獨立工作的傳感器所產生的數據進行匯總處理，其通信方式主要采用固定的點對點之間的有線通信，這樣導致基于多路數據采集的監測系統所要求的安裝時間較長，數據采集效率較低，而且鋪設或架空線纜又受到現場設施的制約，施工復雜而且成本高。另外，這種有線系統的可擴展性還受到電纜鋪設等條件的制約。為了降低成本，提高監測效率，有必要構建一種新的高效、靈活的光電監測系統以解決傳統監測系統所帶來的問題。

　　1光電監測系統構成及工作原理

　　1.1光電監測系統構成

　　光電監測系統的主要功能是通過各種光電傳感器對現場各類數據進行采集，實時顯現監測現場的運行工況，并進行實時監測與診斷，及時發現異常情況并報警。系統采用典型的兩級監測方式：生產管理級和現場監測級，也可推廣到戰場、環境、試驗場等情況的監測。系統的總體構成如圖1所示。

　　上位機以普通的計算機作為主要的人機界面(HMI)，為現場管理級，完成對下位機的監控、生產操作管理等，主要面向操作人員;下位機由ABBAC500系列PLC構成，為基礎監測級，面向生產現場，通過對各種光電傳感器節點的輪詢，完成生產現場的數據采集及過程控制等。

　　1.1.1生產管理級

　　面向生產操作人員，在HMI的監控畫面上顯示生產現場的各種工況參數，并通過HMI可以完成對歷史數據和曲線的查詢，從而協助生產操作員進行決策。當生產中出現異常時，在HMI上顯示報警信息。

　　1.1.2現場監測級

　　面向生產過程，由可編程控制器以及現場無線光電傳感器節點構成，為基礎監測級。完成生產現場數據的采集和處理，對生產過程進行監測與控制。

　　1.2監測系統工作原理

　　ABB PLC通過無線收/發設備向各個光電傳感器節點發送請求幀，各個節點首先分析幀的地址號是否與其相符，若相等則進一步分析幀的內容，并生成響應幀向主站發送，否則拒絕響應主站的請求。ABB PLC對無線設備接收到的幀進行校驗，然后將其中采集來的數據存放到指定的數據存儲區。上位機通過FameView組態軟件和PLC進行通訊，從而讀取PLC所采集來的數據。FameView組態軟件對采集來的數據進行處理，存儲并最終生成HMI監控畫面。

　　1.3 Modbus協議

　　Modbus協議是一個公開的、被廣泛應用的串行通信協議，最初由Modicon(莫迪康)公司為本公司的可編程控制器和工業自動化系統而制定。此協議符合OSI標準協議集中數據鏈路層規定的高級數據鏈路控制協議，但做了簡化處理。由于其功能比較完善而且使用簡單，數據易于處理，協議開放，因而在各種設備中被廣泛采用。

　　此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管他們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其他設備的過程，如果回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。當在Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。其工作流程如圖2所示。

　　在標準的Modbus網絡通信時，信息以幀的形式用異步串行的方式在主從設備之間傳遞。Modbus的幀格式、幀順序、通訊錯誤和異常處理以及所執行的功能都不能隨便更改，但傳輸介質的選擇、波特率、字符奇偶校驗、停止位的個數以及傳輸模式等都能選擇。在具體實現某些設備之間的通信時，一旦這些參數選定以后，它們在系統運行時不能改變。

　　Modbus協議有兩種傳輸模式，每個Modbus系統只能使用其中一種模式。一種模式是ASCII;另一種模式是RTU(遠程終端設備)。在ASCII方式中，消息中的每個8位字節需2個ASCII字符，其優點是準許字符的傳輸間隔達到1 S而不產生錯誤;在RTU方式中，每個8位字節包含兩個4位的十六進制字符，其優點是在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數據，但是每個消息必須以連續的數據流傳輸[4]。PI。C采用的足Modbus RTU模式，每個Modbus RTU報文的幀格如表1所示。

　　每個數據幀以至少3.5個字符的問隔時問標志開始和結束，整個信息幀必須以連續的信息流進行傳輸，從而保證CRC校驗的正確。其中：地址碼為8位，從機的有效地址范圍是o～247，這個字節表明由用戶設置地址的從機將接收由主機發送來的信息。功能碼為8位，有效編碼為1～255，這個字節告訴從機執行什么任務。數據段可有多組數據組成，主要包括從機要完成功能碼功能的附加信息。

　　CRC為此幀數據的循環冗余校驗碼，用于保證整幀數據傳輸的正確性。

　　2 基于遙測技術的無線傳感器網絡

　　2.1無線傳感器網絡

　　一個典型的無線傳感器網絡是由大量部署在監測區域內的具有感知、計算和無線通信能力的傳感器節點通過自組織方式構成的網絡。它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠根據環境自主完成監測、目標發現、識別與跟蹤等任務。

　　目前研究的無線傳感器網絡基本都是傳感器節點數目眾多(可多達幾千個)、分布隨機、一次性不回收型投放、節點間可相互通訊、需要節點自組織網絡，要同時克服各種干擾和具備很強的容錯能力。而對于現場監測而言，傳感器節點不多，節點大多數不需要移動而且是可蕈復利用的，節點之間不需要相互通訊。網絡設計由于現場范圍小且節點數量少，故不需要太復雜結構。在傳感器網絡中，每個節點有一個固定的地址，數據的傳輸采用主從站方式。由于節點數量不多，在主站的無線通信范圍內，所以由主站統一控制網絡內的通信時序。

　　這里采用集中式的無線傳感器網絡結構。每一個節點分布在固定的位置，直接向PI。C發送信號同時接受來自PLC的查詢。每個傳感器節點集成有傳感器、處理器、無線通訊等主要功能單元。光電傳感器網絡節點的結構，如圖3所示。

　　2.2輪詢遙測技術

　　系統中現場控制級主站和各個傳感器節點之間通過MODBUS協議進行通訊，主站采用輪詢遙測技術采集數據。設置傳感器節點不同的地址，按地址依次遙測各傳感器節點，并在允許的時間內等待傳感器節點的響應，獲得數據，把各個節點中的數值存儲到PLC中。以PLC讀取地址編號為03的無線光電傳感器節點數據為例，PLC將向光電傳感器節點發出請求信號：03H(光電傳感器節點的地址)04H(功能碼)00H(欲讀寄存器起始地址的高位字節)15H(欲讀寄存器起始地址的低位字節)00H(欲讀寄存器數的高位字節)04H(欲讀寄存器數的低位字節)EF(校驗碼低字節)E1(校驗碼高字節)。PLC的應答報文幀是：03H(PLC地址)04H(功能碼)08H(字節數)P1HH P1HLP1LH PILL P2HH P2HL P2LH P2LL(回應數據)crcl(校驗碼低字節)cre2(校驗碼高字節)。

　　3 ABB PLC軟硬件實現及FameVJew的開發

3.1 ABB PLC的硬件配置

　　系統采用ABB公司的一款中等規模的通用型PLC AC500作為控制器件，它具有可升級的CPU，并且CPU上集成兩個Modbus通訊接口，這使得PLC與上位機以及與無線光電傳感器節點同時實現通訊。

　　PLC不能夠直接接收來自無線光電傳感器節點發送的數據。通過其帶有的COM2口連接一個無線數據收/發模塊，PLC可實現與無線光電傳感器節點的通訊。ABB PLC的硬件結構如圖4所示。