引言
隨著光電技術的飛速發(fā)展和現(xiàn)場監(jiān)測自動化程度要求的提高，監(jiān)測系統(tǒng)在軍民用許多領域具有廣泛的應用。光電監(jiān)測具有圖像直觀、實時、非接觸等優(yōu)點。光電傳感器品種、結(jié)構、形式靈活多樣，體積小，作為監(jiān)測部件已被大量用于監(jiān)測系統(tǒng)中。
在傳統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測中，往往需要將多個獨立工作的傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集的監(jiān)測系統(tǒng)所要求的安裝時間較長，數(shù)據(jù)采集效率較低，而且鋪設或架空線纜又受到現(xiàn)場設施的制約，施工復雜而且成本高。另外，這種有線系統(tǒng)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(jiān)測效率，有必要構建一種新的高效、靈活的光電監(jiān)測系統(tǒng)以解決傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的問題。
1光電監(jiān)測系統(tǒng)構成及工作原理
1.1光電監(jiān)測系統(tǒng)構成
光電監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是通過各種光電傳感器對現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)進行采集，實時顯現(xiàn)監(jiān)測現(xiàn)場的運行工況，并進行實時監(jiān)測與診斷，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并報警。系統(tǒng)采用典型的兩級監(jiān)測方式：生產(chǎn)管理級和現(xiàn)場監(jiān)測級，也可推廣到戰(zhàn)場、環(huán)境、試驗場等情況的監(jiān)測。系統(tǒng)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(xiàn)場管理級，完成對下位機的監(jiān)控、生產(chǎn)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(jiān)測級，面向生產(chǎn)現(xiàn)場，通過對各種光電傳感器節(jié)點的輪詢，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制等。
1.1.1生產(chǎn)管理級
面向生產(chǎn)操作人員，在HMI的監(jiān)控畫面上顯示生產(chǎn)現(xiàn)場的各種工況參數(shù)，并通過HMI可以完成對歷史數(shù)據(jù)和曲線的查詢，從而協(xié)助生產(chǎn)操作員進行決策。當生產(chǎn)中出現(xiàn)異常時，在HMI上顯示報警信息。
1.1.2現(xiàn)場監(jiān)測級
面向生產(chǎn)過程，由可編程控制器以及現(xiàn)場無線光電傳感器節(jié)點構成，為基礎監(jiān)測級。完成生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)測與控制。
1.2監(jiān)測系統(tǒng)工作原理
ABB PLC通過無線收/發(fā)設備向各個光電傳感器節(jié)點發(fā)送請求幀，各個節(jié)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(nèi)容，并生成響應幀向主站發(fā)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(shù)據(jù)存放到指定的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。上位機通過FameView組態(tài)軟件和PLC進行通訊，從而讀取PLC所采集來的數(shù)據(jù)。FameView組態(tài)軟件對采集來的數(shù)據(jù)進行處理，存儲并最終生成HMI監(jiān)控畫面。
1.3 Modbus協(xié)議
Modbus協(xié)議是一個公開的、被廣泛應用的串行通信協(xié)議，最初由Modicon(莫迪康)公司為本公司的可編程控制器和工業(yè)自動化系統(tǒng)而制定。此協(xié)議符合OSI標準協(xié)議集中數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定的高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議，但做了簡化處理。由于其功能比較完善而且使用簡單，數(shù)據(jù)易于處理，協(xié)議開放，因而在各種設備中被廣泛采用。
此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構，而不管他們是經(jīng)過何種網(wǎng)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(nèi)容的公共格式。當在Modbus網(wǎng)絡上通信時，此協(xié)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(fā)來的消息，決定要產(chǎn)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(xié)議發(fā)出。其工作流程如圖2所示。
在標準的Modbus網(wǎng)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(zhí)行的功能都不能隨便更改，但傳輸介質(zhì)的選擇、波特率、字符奇偶校驗、停止位的個數(shù)以及傳輸模式等都能選擇。在具體實現(xiàn)某些設備之間的通信時，一旦這些參數(shù)選定以后，它們在系統(tǒng)運行時不能改變。
Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式，每個Modbus系統(tǒng)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(jié)需2個ASCII字符，其優(yōu)點是準許字符的傳輸間隔達到1 S而不產(chǎn)生錯誤;在RTU方式中，每個8位字節(jié)包含兩個4位的十六進制字符，其優(yōu)點是在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)，但是每個消息必須以連續(xù)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀以至少3.5個字符的問隔時問標志開始和結(jié)束，整個信息幀必須以連續(xù)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(jié)表明由用戶設置地址的從機將接收由主機發(fā)送來的信息。功能碼為8位，有效編碼為1～255，這個字節(jié)告訴從機執(zhí)行什么任務。數(shù)據(jù)段可有多組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗碼，用于保證整幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
2 基于遙測技術的無線傳感器網(wǎng)絡
2.1無線傳感器網(wǎng)絡
一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的具有感知、計算和無線通信能力的傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網(wǎng)絡。它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)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(jù)環(huán)境自主完成監(jiān)測、目標發(fā)現(xiàn)、識別與跟蹤等任務。
目前研究的無線傳感器網(wǎng)絡基本都是傳感器節(jié)點數(shù)目眾多(可多達幾千個)、分布隨機、一次性不回收型投放、節(jié)點間可相互通訊、需要節(jié)點自組織網(wǎng)絡，要同時克服各種干擾和具備很強的容錯能力。而對于現(xiàn)場監(jiān)測而言，傳感器節(jié)點不多，節(jié)點大多數(shù)不需要移動而且是可蕈復利用的，節(jié)點之間不需要相互通訊。網(wǎng)絡設計由于現(xiàn)場范圍小且節(jié)點數(shù)量少，故不需要太復雜結(jié)構。在傳感器網(wǎng)絡中，每個節(jié)點有一個固定的地址，數(shù)據(jù)的傳輸采用主從站方式。由于節(jié)點數(shù)量不多，在主站的無線通信范圍內(nèi)，所以由主站統(tǒng)一控制網(wǎng)絡內(nèi)的通信時序。
這里采用集中式的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構。每一個節(jié)點分布在固定的位置，直接向PI。C發(fā)送信號同時接受來自PLC的查詢。每個傳感器節(jié)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(wǎng)絡節(jié)點的結(jié)構，如圖3所示。
2.2輪詢遙測技術
系統(tǒng)中現(xiàn)場控制級主站和各個傳感器節(jié)點之間通過MODBUS協(xié)議進行通訊，主站采用輪詢遙測技術采集數(shù)據(jù)。設置傳感器節(jié)點不同的地址，按地址依次遙測各傳感器節(jié)點，并在允許的時間內(nèi)等待傳感器節(jié)點的響應，獲得數(shù)據(jù)，把各個節(jié)點中的數(shù)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(jié)點數(shù)據(jù)為例，PLC將向光電傳感器節(jié)點發(fā)出請求信號：03H(光電傳感器節(jié)點的地址)04H(功能碼)00H(欲讀寄存器起始地址的高位字節(jié))15H(欲讀寄存器起始地址的低位字節(jié))00H(欲讀寄存器數(shù)的高位字節(jié))04H(欲讀寄存器數(shù)的低位字節(jié))EF(校驗碼低字節(jié))E1(校驗碼高字節(jié))。PLC的應答報文幀是：03H(PLC地址)04H(功能碼)08H(字節(jié)數(shù))P1HH P1HLP1LH PILL P2HH P2HL P2LH P2LL(回應數(shù)據(jù))crcl(校驗碼低字節(jié))cre2(校驗碼高字節(jié))。
3 ABB PLC軟硬件實現(xiàn)及FameVJew的開發(fā)
3.1 ABB PLC的硬件配置
系統(tǒng)采用ABB公司的一款中等規(guī)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(jié)點同時實現(xiàn)通訊。
PLC不能夠直接接收來自無線光電傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過其帶有的COM2口連接一個無線數(shù)據(jù)收/發(fā)模塊，PLC可實現(xiàn)與無線光電傳感器節(jié)點的通訊。ABB PLC的硬件結(jié)構如圖4所示。
3.2 PLC的軟件實現(xiàn)
系統(tǒng)控制軟件由主程序和多個子程序模塊組成，它是以ABB Codesys v2.3編程軟件為開發(fā)環(huán)境，Codesys v2.3這套編程軟件符合IEC61131—
