實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)工作的特殊環(huán)境。為了保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，保證實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)穩(wěn)定，并在發(fā)生意外或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)采取一定的保護(hù)措施，設(shè)計(jì)一種智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。
    本文提出一種分散式結(jié)構(gòu)的SCADA智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，將原本由一個(gè)MCU處理的復(fù)雜任務(wù)分散給多個(gè)MCU共同處理，從而使系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及處理數(shù)據(jù)速度、系統(tǒng)效率大幅度提高，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可改造性。
    數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)是以計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)及各類信號(hào)報(bào)警等功能[1]。根據(jù)SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該智能實(shí)驗(yàn)室SCADA系統(tǒng)由RTU、HMI、TCOM 3個(gè)層次構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制單元RTU(Remote Terminal Unit)(即傳統(tǒng)的下位機(jī)),主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室參數(shù)采集和控制；人機(jī)接口HMI(Human Machine Interface)，主要負(fù)責(zé)提供良好的人機(jī)接口；遠(yuǎn)程通信網(wǎng)TCOM(Telecommunication)，用于HMI與各RTU之間的通信。
1 總體架構(gòu)
    智能實(shí)驗(yàn)室總體架構(gòu)由房間控制系統(tǒng)、氣流控制系統(tǒng)(即通風(fēng)柜控制系統(tǒng)和閥控制系統(tǒng))、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及人機(jī)接口部分組成。如圖1所示。

    房間控制部分是實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的核心，連接著PLC、閥控制器、通風(fēng)柜控制器以及觸摸屏，主要負(fù)責(zé)采集房間參數(shù)，并發(fā)送命令給PLC、閥控制器、通風(fēng)柜控制器，以控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的正常運(yùn)行。氣流控制部分和閥控制器主要根據(jù)房間控制器發(fā)送參數(shù)和命令，PID調(diào)節(jié)房間送/排風(fēng)，在保證房間最小換氣次數(shù)的前提下，保證房間的負(fù)壓環(huán)境。遠(yuǎn)程控制部分由遠(yuǎn)程PC和PLC組成，用戶可以通過PC機(jī)的上位機(jī)軟件發(fā)送命令給PLC和房間控制器，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制整個(gè)系統(tǒng)的效果。
    人機(jī)接口除了遠(yuǎn)程PC外，每個(gè)房間控制器都配有一臺(tái)7英寸液晶觸摸屏，用戶可以通過觸摸屏發(fā)送命令給房間控制器，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。此外，監(jiān)控系統(tǒng)還包含報(bào)警裝置，當(dāng)房間參數(shù)超出設(shè)定值，或者出現(xiàn)毒氣泄漏等危險(xiǎn)情況時(shí)即刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
2 房間控制部分
    房間控制部分由房間控制器和傳感器組成。房間控制器以STM32F105RB處理器為主控制MCU，通過AI模塊采集溫度、濕度、壓力、風(fēng)量等信息，并通過DI模塊采集開關(guān)量信息，通過AO模塊調(diào)節(jié)系統(tǒng)的送/排風(fēng)量和溫度，通過DO模塊改變系統(tǒng)各開關(guān)量的輸出狀態(tài)，房間控制部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    STM32F105RB是基于ARM CORTEX-M3核的32位RISC處理器，相比ARM7速率提高1/3，功耗降低3/4，最高運(yùn)行頻率可以達(dá)到72 MHz。配備CAN模塊、RS485串口模塊、電源模塊、8位DI及6位DO模塊。不僅涵蓋了現(xiàn)有的STM32F103的功能，而且在此基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)功能[2]。
    溫度檢測(cè)模塊采用瑞士偉拓Vector室內(nèi)溫度傳感器SRA-T1，EEPROM自動(dòng)保存最值記錄，具有掉電存儲(chǔ)功能。SRA-T1室內(nèi)溫度變送器感溫敏感元件是NTC電阻，變送器電路的微處理器每秒對(duì)溫度采樣一次。濾波時(shí)間計(jì)算信號(hào)平均值，并且根據(jù)濕度量程做線性變換，然后產(chǎn)生信號(hào)輸出，保證外部干擾對(duì)此變送器影響最小。默認(rèn)濾波平均時(shí)間10 s，測(cè)量范圍0~+50℃(+32~+122°F)。本系統(tǒng)每個(gè)房間配置一個(gè)SRA-T1室內(nèi)溫度傳感器，采用24 V直流供電，輸出0~10 V電壓，接入房間控制器的AI模塊。房間控制器將電壓轉(zhuǎn)換為溫度，儲(chǔ)存在RAM中，最后在上位機(jī)上顯示。
3 氣流控制部分
    無論應(yīng)用于何種行業(yè)，實(shí)驗(yàn)室氣流控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室人員的人身安全都是至關(guān)重要的。必須確保實(shí)驗(yàn)室有毒氣體從通風(fēng)柜安全排放，維持合適的溫/濕度環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室負(fù)壓。因此實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)在智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中具有很重要的作用。
    監(jiān)控系統(tǒng)送排風(fēng)采用全新風(fēng)直流式裝置及壓差和溫差控制，響應(yīng)快速。送風(fēng)空調(diào)機(jī)將室外風(fēng)處理至送風(fēng)狀態(tài)，然后送入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)，維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫/濕度和負(fù)壓環(huán)境[3]。送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)各2臺(tái)，一用一備。由于實(shí)驗(yàn)室是全新風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)量較大，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗和運(yùn)行的電費(fèi)較大， 故將PLC和變頻器技術(shù)[4-5]應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)中，通過檢測(cè)管道末端壓力，調(diào)節(jié)變頻器頻率，在保證房間最小換氣次數(shù)的前提下，降低送風(fēng)量，從而達(dá)到節(jié)能、減少功耗的目的。各控制器通信圖如圖3所示。

    氣流控制中，通風(fēng)柜控制器首先通過AO模塊將調(diào)節(jié)門開度發(fā)送給排風(fēng)文丘里閥控制器，并通過485總線將通風(fēng)柜開關(guān)機(jī)狀態(tài)、面風(fēng)速、緊急排風(fēng)等信息傳輸給排風(fēng)文丘里閥控制器。然后排風(fēng)文丘里閥控制器根據(jù)調(diào)節(jié)門開度，應(yīng)用PID方法通過排風(fēng)文丘里閥開度調(diào)節(jié)排風(fēng)量，同時(shí)排風(fēng)閥控制器會(huì)將閥開度反饋給通風(fēng)柜控制器，通風(fēng)柜會(huì)將閥開度與調(diào)節(jié)門開度進(jìn)行比較，判斷閥控制器是否正常運(yùn)行。排風(fēng)閥控制器還會(huì)通過AO模塊將排風(fēng)量發(fā)送給房間控制器，并通過CAN總線將通風(fēng)柜各種信息發(fā)送給房間控制器。房間控制器會(huì)將采集到的排風(fēng)量發(fā)送給送風(fēng)文丘里閥，送風(fēng)文丘里閥會(huì)根據(jù)排風(fēng)量調(diào)節(jié)送風(fēng)閥開度，從而調(diào)節(jié)送風(fēng)量，并且送風(fēng)閥控制器會(huì)將實(shí)際送風(fēng)量反饋給房間控制器。最后房間控制器會(huì)將通風(fēng)柜信息、送/排風(fēng)量、溫/濕度及壓力等信息顯示在觸摸屏上。由此得出監(jiān)控系統(tǒng)氣流控制部分的關(guān)鍵在于通風(fēng)柜系統(tǒng)，只要調(diào)節(jié)門開度發(fā)生改變，則排風(fēng)量發(fā)生改變，隨之送風(fēng)量也相應(yīng)發(fā)生改變，而且在幾毫秒內(nèi)響應(yīng)。
4 RTU軟件
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的無限循環(huán)方式，開發(fā)平臺(tái)采用KeilMDK，采用STM32固件庫VER3.5版本開發(fā)程序[6]。按照靈活性和可重新配置原則，每個(gè)AI、AO、DI、DO端口都可以配置成為不同的功能，如AI1既可以作為溫度傳感器的輸入,也可以作為壓力傳感器的輸入，同一時(shí)刻只能配置一個(gè)功能，可以通過上位機(jī)軟件或者觸摸屏設(shè)置[7]。
    主程序運(yùn)行流程如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行設(shè)備初始化，然后系統(tǒng)會(huì)在每次循環(huán)的開始重啟13路ADC通道，采集各AI的輸入，并通過DMA保存到RAM中[8]。在中斷函數(shù)中，系統(tǒng)時(shí)鐘每10 ms產(chǎn)生一次中斷，將c_task[TASK4].TaskStatus置“1”，因此主循環(huán)中會(huì)首先執(zhí)行TASK4：DisposalRoomEvent()，程序會(huì)進(jìn)行手動(dòng)模式和自動(dòng)模式選擇，默認(rèn)情況下為自動(dòng)模式。在手動(dòng)模式下，風(fēng)機(jī)以工頻形式運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)手動(dòng)輸入值改變各房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。自動(dòng)模式下，風(fēng)機(jī)以變頻模式運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)房間溫度和壓力情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)水閥開度和通風(fēng)柜風(fēng)量大小。

    主循環(huán)是系統(tǒng)軟件核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及與氣流控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換。主循環(huán)共有5個(gè)任務(wù)[1]： (1)TASK1執(zhí)行的是串口1接受數(shù)據(jù)處理任務(wù)、完成房間控制器與PLC之間的數(shù)據(jù)通信；(2)TASK2執(zhí)行的是串口2接受數(shù)據(jù)處理任務(wù)，完成房間控制器與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信；(3)TASK3執(zhí)行的是串口3或者CAN總線接受數(shù)據(jù)處理任務(wù)，完成房間控制器與通風(fēng)柜之間的通信；(4)TASK4的作用是處理房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)；(5)TASK5用來保存房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。
    基于PLC+STM32的智能實(shí)驗(yàn)室SCADA系統(tǒng)，利用PLC和變頻器技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，節(jié)約能耗，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。利用CAN總線和串行總線將STM32、PLC、傳感器、觸摸屏組成網(wǎng)絡(luò)，可方便地監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。另外，利用智能PID技術(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)送/排風(fēng)以及房間溫度，提高了系統(tǒng)的動(dòng)/穩(wěn)態(tài)性和自適應(yīng)性，保證了實(shí)驗(yàn)室溫度、壓力、濕度維持在一個(gè)極小的波動(dòng)范圍內(nèi)，確保了實(shí)驗(yàn)室的正常工作環(huán)境。
    通過以太網(wǎng)將多個(gè)PLC和中央控制室工控計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的切換。該系統(tǒng)已在某海關(guān)運(yùn)行，調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)都能滿足安全控制要求，極大降低了系統(tǒng)的能耗，保證了實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境的安全性及舒適性。
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