PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-

1、收稿日期:2003-12-29作者簡介:韓思亮(1979-,男,碩士生,主要從事電力電子設(shè)備先進(jìn)控制與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的研究。PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)韓思亮,湯建新,馬皓(浙江大學(xué)電力電子技術(shù)研究所,浙江杭州310027摘要:該文介紹了在基于串口服務(wù)器的新型網(wǎng)絡(luò)連接方式下的P LC 遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)。以西門子S72200P LC 為例,著重介紹了PC 與P LC 通信基本原理、實(shí)時(shí)通訊方式和自由口通信協(xié)議以及中心服務(wù)器的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞:P LC ;S72200;自由口通信協(xié)議;RS 2485;串口服務(wù)器;TCP/IP 中圖分類號:TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:10002

2、0682(20050120023204The design and realization of P LC remote monitoring and diagnosing systemH AN S i 2liang ,T ANGJian 2xin ,M A Hao(Zhejiang University ,Zhejiang Hangzhou 310027,China Abstract :This paper introduces P LC rem ote m onitoring and diagnosing system based on a new netw ork method of l

3、inking serial server.It als o puts em phasis on the communication principle to host com puter ,realtime communication and the design of freeport communication and center server.K ey w ords :P LC ;S72200;freeport communication ;RS 2485;serial server ;TCP/IP隨著電氣技術(shù)的迅猛發(fā)展,對電氣設(shè)備自動化程度要求也越來越高。Internet 網(wǎng)及技術(shù)的

4、發(fā)展,使人們越來越多希望借助于互聯(lián)網(wǎng)的方便快捷來實(shí)現(xiàn)各種自動化需求。P LC 通信能力的增強(qiáng),使得監(jiān)控系統(tǒng)的配置可以更加靈活方便。如何方便而又經(jīng)濟(jì)的將P LC 接入互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)需要解決的問題。文中提出一種新型網(wǎng)絡(luò)連接方法,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用串口服務(wù)器,來實(shí)現(xiàn)P LC 與PC 通過Internet 網(wǎng)連接,方法簡單、價(jià)格便宜。1系統(tǒng)構(gòu)成介紹了針對電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的中心服務(wù)器與智能現(xiàn)場端監(jiān)控子系統(tǒng)和客戶端子系統(tǒng)相配合,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的電子裝置進(jìn)行無人監(jiān)守的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障檢測與診斷。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)可以分為3 部分:客戶端、中心服務(wù)器、現(xiàn)場端。客戶端是用戶操

5、作系統(tǒng)的一個(gè)窗口,為用戶提供了一個(gè)管理界面。在這里用戶可以方便的查看現(xiàn)場的狀態(tài),設(shè)置、管理和控制現(xiàn)場。中心服務(wù)器作為整個(gè)系統(tǒng)的通訊樞紐并提供數(shù)據(jù)服務(wù),從邏輯上包括用戶服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。用戶服務(wù)器負(fù)責(zé)管理所有的客戶端和現(xiàn)場的通訊,到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中查詢數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)保存現(xiàn)場發(fā)來的歷史數(shù)據(jù)和一些故障數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、設(shè)置數(shù)據(jù)等,返回用戶服務(wù)器的查詢結(jié)果?，F(xiàn)場端負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶的指令和管理設(shè)備?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制、以及報(bào)警、故障診斷由現(xiàn)場端來完成。客戶可以在任何距離、任何地點(diǎn)通過撥號或通過代理服務(wù)器登錄互聯(lián)網(wǎng)下載客戶端軟件來訪問服務(wù)器站點(diǎn)。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在系統(tǒng)中服務(wù)器起著舉足輕重的作用。它能夠

6、對客戶端傳來的請求進(jìn)行處理后再轉(zhuǎn)發(fā)給P LC;也可以對P LC返回的信息進(jìn)行處理后,以客戶端認(rèn)可的形式回傳給客戶。這就使得客戶可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控P LC的工作狀態(tài),并通過P LC控制現(xiàn)場設(shè)備。而客戶的命令和P LC的工作狀況的各種信息,都是通過服務(wù)器來傳送的。而服務(wù)器與P LC之間信息的傳遞則是通過Internet網(wǎng)利用串口服務(wù)器進(jìn)行的,這里串口服務(wù)器起了一個(gè)串口通信協(xié)議和TCP/IP協(xié)議之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。串口服務(wù)器采用自動應(yīng)答方式,初始化設(shè)定完成以后可以完全不需人工干預(yù)、自動響應(yīng)。系統(tǒng)是一個(gè)典型的3層客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)(C/S體系結(jié)構(gòu)。3級C/S體系結(jié)構(gòu)模型把界面、處理、數(shù)據(jù)分別找到3

7、個(gè)獨(dú)立的,互不相同的軟件實(shí)體中,克服了兩層C/S的缺陷。這種方式下,客戶不再需要使用S Q L,而僅需要傳送請求的參數(shù)和接收返回值。這對于企業(yè)引入數(shù)據(jù)庫新技術(shù)、訪問原有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)提供了方便和靈活性。中間級服務(wù)器在把數(shù)據(jù)發(fā)給客戶前,先進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,只把分析結(jié)果傳給客戶。這樣,客戶與中間級服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)流量大大減少。為了安全和性能可靠起見,選用了Win2000Server為操作系統(tǒng)。串口服務(wù)器選用了DNS -1整機(jī)串口WE B服務(wù)器,它有兩個(gè)串行接口,可以自由設(shè)定RS2232C、RS2485C或RS2422C,而且DNS2M使用TCP/IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。目前支持的協(xié)議有:ARP、Udp、

8、TCP、IC MP,T elnet、TFTP、DHCP、S NMP,透明傳輸使用TCP/IP(二進(jìn)制或T el2 net協(xié)議。P LC選用西門子的小型機(jī)S72200,它的機(jī)內(nèi)自帶RS2485C串口,這是目前市場上用的較多的產(chǎn)品,具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格及強(qiáng)大的指令體系。2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)PC機(jī)同P LC間通信實(shí)現(xiàn)的方法有多種,通常是用電纜直接同P LC的RS232或RS485串口相連,或者連接到專用P LC網(wǎng)絡(luò)。由于前者電纜價(jià)格比較昂貴,長度經(jīng)常不符合距離要求,服務(wù)專一,導(dǎo)致中心服務(wù)器的資源造成很大浪費(fèi);而后者通常又同現(xiàn)場總線結(jié)合在一起,運(yùn)行專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,代價(jià)太高。通過串口服務(wù)器將多臺

9、西門子S72200系列P LC的串口同中心服務(wù)器所在的以太網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò)相連接,使P LC串口通訊協(xié)議通過串口服務(wù)器轉(zhuǎn)化成TCP/IP協(xié)議和中心服務(wù)器進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)了單一服務(wù)器PC同多臺P LC間基于Internet的通信。這種方式適用范圍廣、價(jià)格便宜、方法簡單。DNS串口服務(wù)器有成品和嵌入式兩種,串口可分DNS-1和DNS-2兩種,可以與任何具備串口的設(shè)備連接,使該設(shè)備具有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)支持功能,在網(wǎng)絡(luò)上共享串口信息,或在網(wǎng)絡(luò)上任何計(jì)算機(jī)控制串口設(shè)備,支持并行操作,即有TCP、UDP連接時(shí),遠(yuǎn)程可同時(shí)T elnet登陸修改設(shè)置,HTTP、S NMP也同時(shí)可用。它的前端有多個(gè)C O

10、M口,可同若干個(gè)控制元件(P LC、RT U等相連,后端使用雙絞線和TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)或Internet網(wǎng)相連接,通信速率為10M/100M自適應(yīng)。當(dāng)設(shè)定每個(gè)串口服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)IP地址和前端通信端口映射方式后,通過串口線連接P LC和串口服務(wù)器,P LC使用串口服務(wù)器的端口就像使用P LC 自帶的擴(kuò)展C OM端口一樣。通過串口服務(wù)器的虛擬映射,中心服務(wù)器通過虛擬串口通信的方式實(shí)現(xiàn)同P LC間的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)總體上可分為2個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次:由中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和打印機(jī)等組成的中心服務(wù)器T CP/IP協(xié)議Internet網(wǎng)及由串口服務(wù)器和多個(gè)P LC組成的P LC子網(wǎng),二

11、者以串口服務(wù)器作為聯(lián)結(jié)橋。其中串口服務(wù)器和P LC間通過RS2232C、RS2485C 或RS2422C串口線連接,中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和串口服務(wù)器均通過網(wǎng)線連接到Internet網(wǎng)上。3通信進(jìn)程采用串口服務(wù)器,將P LC通過其串口中心服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等所在的以太網(wǎng)或Internet網(wǎng)物理連接起來,而網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)則是由中心服務(wù)器數(shù)據(jù)采集與設(shè)置進(jìn)程、中心服務(wù)器TCP/IP通訊協(xié)議控制程序和在通信串口服務(wù)器上的守候通信進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的。通訊控制程序和串口服務(wù)器守候進(jìn)程的運(yùn)行將中心服務(wù)器和P LC間的數(shù)據(jù)流通路線變?yōu)?中心服務(wù)器數(shù)據(jù)采集與設(shè)置進(jìn)程,通訊控制程序,中心服務(wù)器網(wǎng)卡,TCP/IP網(wǎng)絡(luò),

12、指定的通信串口服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)適配器,串口服務(wù)器的指定串口,同串口相連的RS2485C串口線,P LC的RS2485串口,P LC通信模塊。數(shù)據(jù)流通路線中的數(shù)據(jù)包主要有IP幀和P LC 控制幀。IP幀存在于數(shù)據(jù)線路中從中心服務(wù)器網(wǎng)卡到串口服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)適配器部分,根據(jù)TCP/IP協(xié)議打包,由通訊控制程序和串口服務(wù)器中的守候進(jìn)程通過調(diào)用編程接口(APIS ocket套接字而自動完成;P LC控制幀存在于數(shù)據(jù)線路中從中心服務(wù)器數(shù)據(jù)采集與設(shè)置進(jìn)程和P LC子網(wǎng)部分,包結(jié)構(gòu)由P LC 自由口通信協(xié)議決定,由中心服務(wù)器數(shù)據(jù)采集與設(shè)置進(jìn)程和P LC完成。中心服務(wù)器數(shù)據(jù)采集與設(shè)置進(jìn)程的主要功能是向各個(gè)串口服務(wù)器的

13、串口發(fā)P LC控制幀和接收P LC 的應(yīng)答幀,并對接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和顯示。中心服務(wù)器TCP/IP通訊協(xié)議控制程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能:(1打包。當(dāng)中心服務(wù)器進(jìn)程向串口發(fā)出P LC 控制幀時(shí),通訊控制程序?qū)⑵浣孬@后,首先判斷其串口I D號是否存在于配置表中,若存在,則根據(jù)設(shè)置(惟一的串口I D號及串口服務(wù)器的IP地址,組裝成TCP/IP通訊協(xié)議的S ocket套接字通過網(wǎng)卡發(fā)向串口服務(wù)器(端口號同串口I D號相應(yīng),IP地址為串口服務(wù)器的IP地址。若不存在,則放行。(2解包。當(dāng)探測到網(wǎng)卡接收到P LC通過發(fā)來串口服務(wù)器的應(yīng)答幀時(shí),通訊控制程序?qū)⑵浣孬@,解開S ocket幀并將源IP地址和

14、端口號翻譯成串口I D 號,發(fā)往中心服務(wù)器相應(yīng)進(jìn)程。串口服務(wù)器上的守候進(jìn)程同通訊控制程序成對使用,功能有2種:對從串口發(fā)來的P LC協(xié)議應(yīng)答幀打包成S ocket套接字并發(fā)向網(wǎng)卡。將網(wǎng)卡上的S ocdet套接字解包并將端口號解析成串口號發(fā)向相應(yīng)的串口。通過串口服務(wù)器上的守候進(jìn)程和通訊控制程序的作用,對中心服務(wù)器來說,事實(shí)上屏蔽了網(wǎng)絡(luò)通信部分,中心服務(wù)器同各P LC間如同直接的串口連接和實(shí)行串行通信,而中心服務(wù)器控制系統(tǒng)的編程實(shí)質(zhì)上也成為串行通信編程。4通信方式中心服務(wù)器同P LC間通信方式主要有查詢式、實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷讀標(biāo)方式和可屏蔽硬件中斷方式。其中查詢方式為中心服務(wù)器主動讀取下位機(jī)有關(guān)信息,優(yōu)

15、點(diǎn)是簡單易于實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性較差;實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷讀標(biāo)方式是在P LC上建立一個(gè)通信請求標(biāo)識位,當(dāng)該位發(fā)生變化時(shí),中心服務(wù)器則立即向其發(fā)送請求命令,該方式可以提高通信效率和實(shí)時(shí)性,其性能介于查詢和中斷之間;可屏蔽硬件中斷方式是P LC主動發(fā)出中斷請求信號,中心服務(wù)器被動接收和處理,是一種真正的實(shí)時(shí)通信方式,但串行通信的RS2485標(biāo)準(zhǔn)是半雙工方式,同一時(shí)刻信號只能從一方流向另一方,不能雙向交流。此種方式下P LC 的發(fā)送命令和接收命令可能會同時(shí)執(zhí)行,產(chǎn)生致命錯誤甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰,而且P LC設(shè)計(jì)及中心服務(wù)器編程相對都比較復(fù)雜。文中采用查詢方式和實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷讀標(biāo)方式相結(jié)合的方式,中心服務(wù)器定期主動

16、向各個(gè)虛擬串口發(fā)P LC查詢和設(shè)置幀,并且實(shí)時(shí)響應(yīng)客戶端軟件設(shè)置對P LC的監(jiān)視、控制和P LC 故障診斷信息反饋。5PLC的通信協(xié)議自由口通訊是通過程序可以控制S72200CPU 通訊口的操作模式。利用自由口模式,可以實(shí)現(xiàn)自定義的通訊協(xié)議連接多種智能設(shè)備。通過使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令(X MT和接收指令(RC V,程序可以控制通訊口的操作。數(shù)據(jù)長度、字符檢驗(yàn)方式、停止位位數(shù)及奇偶檢驗(yàn)碼等通信參數(shù)都可通過專用自由口協(xié)議設(shè)定。P LC專用通信自由口協(xié)議采用面向字符型的通信規(guī)程,以規(guī)定好的控制碼實(shí)現(xiàn)傳輸控制。P LC的通信模塊有多種命令代碼,中心服務(wù)器通過對其發(fā)出不同的命令,可以靈活地對其

17、位或字軟設(shè)備以及特殊功能模塊的緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫,還可以對P LC進(jìn)行啟/停遠(yuǎn)程控制。6PLC監(jiān)控與故障診斷設(shè)計(jì)P LC監(jiān)控子系統(tǒng)主要任務(wù)是執(zhí)行中心服務(wù)器下達(dá)的控制命令,完成對現(xiàn)場電氣設(shè)備控制對象的實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié),采集現(xiàn)場對象的模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量,并實(shí)時(shí)反饋回中心服務(wù)器供客戶端觀看使用。由于系統(tǒng)中P LC必須響應(yīng)客戶端控制設(shè)置要求,監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過P LC的兩個(gè)定時(shí)中斷事件來實(shí)現(xiàn)的。故障診斷子系統(tǒng)是根據(jù)客戶端設(shè)置的故障診斷條件,對采集現(xiàn)場電氣設(shè)備的模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量經(jīng)過故障算法做出報(bào)警并診斷。為了及時(shí)性和精確性,系統(tǒng)采取了兩級診斷的結(jié)構(gòu)方式,即在現(xiàn)場端進(jìn)行數(shù)據(jù)信號實(shí)時(shí)報(bào)警和在線實(shí)時(shí)診

18、斷的基礎(chǔ)上,將可能的故障數(shù)據(jù)上傳至中心服務(wù)器,以供異地用戶下載并診斷,實(shí)現(xiàn)本地在線診斷和遠(yuǎn)程離線診斷的結(jié)合。7中心服務(wù)器組態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中心服務(wù)器端程序采用J2SE平臺,選用Micros oft S Q L Server數(shù)據(jù)庫,采用JDBC工具包連接數(shù)據(jù)庫。中心服務(wù)器的主要功能:(1進(jìn)行中心服務(wù)器的配置;(2對客戶端用戶資料進(jìn)行管理;(3對客戶端用戶會話進(jìn)行管理;(4對現(xiàn)場裝備的注冊信息進(jìn)行管理;(5對現(xiàn)場裝備進(jìn)行管理(啟動/停止;(6查訊各種日志。中心服務(wù)器程序可以分為以下3層:用戶接口層:用戶可以隨時(shí)在線接入服務(wù)器程序;服務(wù)器分析用戶的請求決定接入還是不接入,不同的用戶給予不同的權(quán)限。事務(wù)處理

19、層:管理用戶與現(xiàn)場機(jī)的數(shù)據(jù)交流,通過線程間的通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換;管理線程的開辟與線程的監(jiān)控管理。數(shù)據(jù)管理層:與數(shù)據(jù)庫的接口,管理數(shù)據(jù)的存儲、刪除、允許管理員進(jìn)行管理。 圖2服務(wù)器程序流程圖程序共有兩個(gè)事件偵聽器(每一個(gè)偵聽器由一個(gè)類來完成,功能分別如下:SktUserSrv :服務(wù)器S ocket (用戶接入服務(wù)程序,主要功能是進(jìn)行S ocket 偵聽,如果用戶前來請求服務(wù),則為其分配一個(gè)服務(wù)線程。SktExpSrv :服務(wù)器S ocket (現(xiàn)場設(shè)備接入服務(wù)程序,主要功能是進(jìn)行S ocket 偵聽,如果用戶前來請求服務(wù),則為其分配一個(gè)服務(wù)線程,在該線程內(nèi)由中心主動發(fā)數(shù)據(jù)給現(xiàn)場。8結(jié)束語該文介紹了一種新型遠(yuǎn)程P LC 實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,利用串口服務(wù)器和自定義的通信協(xié)議,在低成本投資的情況下,方便容易地實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與P LC 在以太網(wǎng)或Internet 的網(wǎng)絡(luò)通信。中心服務(wù)器使用TCP/IP 協(xié)議可以更簡潔有效的處理數(shù)據(jù),而且數(shù)據(jù)庫和前臺程序具有強(qiáng)大的兼容性。實(shí)踐證明,該方案結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、并且能夠長期的穩(wěn)定運(yùn)行。參考文獻(xiàn):1徐德鴻,馬皓.電力電子裝置故障自動診斷M