远程环保监控系统研发及制作

当前我国环境保护的形势非常严峻,环境污染和生态破坏也已制约了经济的发展。污染源监测仪器既是环境信息的源头,又是环境质量评价、环境监控及环境科学管理的手段。我国环境监测工作开始于20世纪70年代,经过二十多年的努力,在污染源监测仪器仪表方面已经基本达到了国际普遍水平[1]。同时也存在总体水平低,缺乏自己的核心技术,创新能力不强,产品结构不合理,投资分散,产业集中度低,产品的成套性差,规模效益差等问题[2],因而提高环保仪器的科技含量,使其向数字化、智能化、网络化、微型化的方向发展是我国环保监测仪器仪表行业亟待解决的问题。本文采用PLC、触摸屏和RS485网口转换器开发出了一套环保数据采集监控系统,较好地实现了现场数据的采集、存储和处理和传送,为环保部门对污染源的监管提供了科学的依据,目前该系统已成功应用于佛山某区数个铝厂,大大提高了环保部门的工作效率。

1系统的基本结构

系统的基本结构如图1所示,硬件部分主要由西门子S7-200系列PLC、步科5320T系列触摸屏和RS485网口转换器等组成。工作原理为:利用PLC通过I/O口采集生产设备和治污设备的开关数据(时钟信息和开关量的状态以及ON状态的持续时间),将采集到的开关数据通过RS485串口分别传送给触摸屏和RS485网口转换器,并将开关数据存储在触摸屏的外扩存储器中,触摸屏在现场提供实时数据、历史数据和近期内各个生产和治污设备开关趋势的查询等功能。RS485网口转换器自带RS232/RS485接口,与PLC等串口设备连接起来进行数据交互,并将PLC上传的开关数据通过INTERNET网络将数据传送至监控中心的终端服务器上,以实现现场查询和远程监控的双重目的。系统主要包括现场数据的采集、人机界面的设计、数据传输部分的设计、服务器端的设计等几个方面。

2现场数据的采集

现场数据的采集由PLC和触摸屏来共同实现,我们采用触摸屏来实现开关数据的输入和显示,并利用其对数据的处理能力来完成一些数据的处理,很好地弥补了PLC对数据处理能力的不足。PLC通过RS485串口与触摸屏进行连接,通过对特殊标志位SMB30写入通讯控制字来设置通信的波特率、奇偶校验位、停止位等信息对串口进行初始化,同样触摸屏的控制字信息要与PLC的设置相一致。数据采集的要求是:当PLC任一输入口状态由OFF变为ON时,要将上升沿触变时的时钟信息(年、月、日、时、分)和ON状态持续的时间(以分为单位)传输并存储到触摸屏的外扩存储器中以便查询,现场数据采集的流程图如图2所示。图2数据采集流程图

2.1PLC采集现场开关数据

以下以I0?0口为例来讲解PLC采集开关数据的过程,当PLC检测到I0?0的上升沿时,利用BTW指令将时钟信息的前五位转换成字[3],同时定时器开始计时。然后将转换后的时钟信息和ON状态的持续时间存储到从VW5130开始的7个字中,其中数据的时钟信息年、月、日、时、分占用前5个字,设备的运行时间占用后2个字。当检测到I0?0的下降沿时将存储开关数据的寄存器清零,为下一次数据采集做好准备。其余输入口开关数据的采集方法与I0?0完全一样,只是存储器的地址不同而已。

2.2开关数据的传输、存储和显示

开关数据的传输利用触摸屏的数据传输元件来实现,PLC定时扫描I0?0口的状态,当状态为ON时,将采集来的开关数据传输到触摸屏的外扩存储器ERW0中并在触摸屏上显示出来,同时在外扩存储器中生成名为erw0?erp的文件。每检测到一次I0?0的下降沿就利用指针的方式使ERW0寄存器的地址加7,以便下次开关数据的传输,将外扩存储器ERW0的指针存储在触摸屏的某个寄存器内,确保每传一次开关数据该寄存器的内容就加7,使指针始终指向下一次要接收开关数据的ERW0的首地址。

3人机界面的设计

触摸屏作为工业控制系统中的人机交互设备,以其简洁直观的运行界面,良好的可操作性,实时的数据处理能力,成为PLC的重要人机界面。根据系统设计的要求,人机界面的设计主要包括实时数据查询、设备运行趋势图和历史数据查询等三部分。

3.1实时数据查询和趋势图

实时数据查询用来查询生产和治污设备的开关情况,如图3所示。这样设计可将分散的生产和治污设备进行集中监控,工作人员只需通过触摸屏就可查看各个设备的运行情况,无需到生产现场,大大提高了工作效率。设备趋势图用来查询最近一段时间内设备的开关曲线,将生产设备和其相应的治污设备放在一个趋势图中,可以实时查看生产设备运行时,治污设备的开关情况,有利于综合比较、分析和处理[5],设备趋势图如图4所示。

3.2历史数据查询

历史数据查询是用来查询某时段内某个设备运行的总时间。由于触摸屏配方数据传输元件只提供一个偏移量指针[4],仅仅能满足一台设备的查询需求,而对于多台设备的查询需求却无能无力。因而我们采用了文件的方式对采集的数据进行读写,由于每台设备的开关数据在文件erw0?erp中所占用的存储区域的大小相同,可以使用C语言编写宏代码来将某个设备存储开关数据的数据块拷贝到触摸屏的SRAM中,然后在SRAM中对数据进行操作来计算设备运行的总时间,这样既可以提高数据查询的效率,又不影响实时数据的采集。对数据进行的操作就是判断图5中所记录的日期是否介于图6中所示的起始日期和截止日期之间。如果是,则接通时间累加;如果不是则指针指向下一条记录继续判断。

4数据传输部分的设计

数据传输部分主要由PLC和RS458网口转换器来共同实现,首先将网口转换器初始化,设置各项参数与PLC一致,设定接收数据的远程服务器的IP地址。PLC方面:系统一方面要求PLC在作为主机,主动上传实时数据;另一方面,在指定的时间段内又要作为从机,接受上位机的查询命令,进行历史数据的查询。因而,PLC采用自由端口通信方式,自己定制通信协议,通过编写程序来灵活控制PLC与上位机间的通信[5]。S7-200系列PLC有专用的数据发送指令XMT,格式为:XMTTABLEPORT。接收指令为RCV,格式为:RCVTABLEPORT。其中PORT为通信端口,本系统设为端口0,TABLE为发送或接收数据的数据缓冲区,其第1个字节为发送字符的个数,最大为255字节[6-7]。大部分时间内,PLC作为主机,主动向数据中心发送实时数据。利用时钟信号控制PLC,使PLC在每天指定的时间段内,允许数据中心对下位机进行历史数据查询,查询结束后,自动返回到PLC主动发送实时数据模式。PLC程序的流程图如图7所示。采用结构化编程,使得程序清晰易懂,便于控制。主要的程序由用于串口初始化子程序,实时数据发送子程序,历史数据存储子程序,历史数据查询中断程序等组成。

5服务器端的设计

系统服务器端的操作界面如图8所示,主要包括系统实时状态、历史记录、报警查询等几个方面。该界面采用king-view6?53软件设计[8],在实时监控界面可以看到所有设备的动态开关状态,数据可以保存为Excel格式的表格(在安装目录下),此外还可以打印输出,便于分析;历史记录用来查看所有的历史数据,也可有选择地查看某一时期内的数据,并可将所有的数据转换为曲线的形式进行比较和分析;报警查询用来记录生产设备、治污设备和外部电源关闭的时刻。本系统具有WEB功能,可在任何一网的计算机上登录系统查看设备运行情况。

6结束语

PLC体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强、且可靠性高,特别适用于恶劣条件下,触摸屏又提供友好亲切的人机操作界面。采用RS485网口转换器又可以将采集来的数据通过网络迅速、安全地传送到监控中心。由PLC、触摸屏和网口转换器等组合而成的数据采集仪硬件结构简单、运行稳定、界面操作方便,较好地结合了PLC和触摸屏在数据采集,显示和处理方面的特点,打破了传统单一采用现场总线传输数据的模式。不仅可以应用在环保数据采集方面,对于其他类似行业的数据采集传输系统的设计也具有一定的借鉴意义。