基于iFix和OPC技術(shù)的分布式設(shè)備數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)
 
某單位采用了基于iFix環(huán)境和OPC（OLE For ProcessControl）標(biāo)準(zhǔn)接口的分布式設(shè)備數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)已配合客戶完成了近百項高、低溫試驗任務(wù)，系統(tǒng)累計運行超過7000h，對節(jié)能減排、降低工況現(xiàn)場噪聲污染對人體的損害、提高工作效率、優(yōu)化工作方法等發(fā)揮著十分重要的作用。
一、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的組成及設(shè)計功能
1.數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖1所示，其中保溫工房用于存放多臺高低溫試驗箱， 是試樣的試驗場所；供水中心用于提供低溫試驗箱所需的冷卻循環(huán)水，通過供水管道將冷卻水輸送給保溫工房的試驗箱；監(jiān)控室內(nèi)主要設(shè)備有監(jiān)控計算機、分屏卡、大屏幕顯示器、交換機、DVR計算機、打印機等。 分屏卡的作用是將顯示屏一分為三， 但每個顯示器的分辨率仍保持原有的分辨率，也就是說，在單個顯示器分辨率不變的情況下，整個系統(tǒng)的像素增加了3倍，且各個顯示器可顯示不同的信息。
2.數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和功能
基于iFix和OPC技術(shù)的分布式設(shè)備數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)，采用雙層控制結(jié)構(gòu)設(shè)計：層為現(xiàn)場層,主要分布在保溫工房和供水中心，該層直接訪問現(xiàn)場分布式設(shè)備的傳感器及其接口，完成試驗系統(tǒng)中數(shù)字信號的采集及控制信號的輸出。試驗現(xiàn)場存在壓力、溫度等各種傳感器，其數(shù)據(jù)輸出形式有模擬量、開關(guān)量、RS232/485串口輸出，對于現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集選用控制節(jié)點和串口節(jié)點兩類智能節(jié)點，控制節(jié)點由以太網(wǎng)耦合器及配套模塊（如模擬量模塊
ADAM-6017、數(shù)字量模塊ADAM6060及熱電偶模塊）組成，主要用于采集現(xiàn)場的壓力、冷卻水液位、冷卻水壓力及液位等參數(shù)，其中，模塊與耦合器之間采用MODUBUS協(xié)議，耦合器與外部的通信采用MODBUS/TCP協(xié)議實現(xiàn)；串口節(jié)點采用MOXA公司提供的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器NPORT5150，借此提高了計算機訪問串口的能力，擴展了現(xiàn)場串口設(shè)備的訪問數(shù)量，并大大突破了串口通信15m的有效距離，進而實現(xiàn)了計算機對現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制。
 
 
 
 
     保溫工房有3個裝配IPC500溫度控制器的低溫試驗箱，它們通過各自的串口輸出溫度信號，有兩個裝配IPC1000溫濕度控制器的高溫試驗箱，它們通過各自的串口輸出溫度和濕度信號，現(xiàn)場配備5個MOXA串口轉(zhuǎn)換器，串口端分接于5個試驗箱體的IPC控制器，網(wǎng)口端通過以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)與主控計算機的數(shù)據(jù)通信。第二層為控制及信息展示層， 這是整個數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的核心所在，分布于監(jiān)控室，由工業(yè)控制計算機完成主控，其結(jié)構(gòu)與功能框架如圖2所示。
 
 
    控制及信息展示層的主要功能是將采集到的現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)進行邏輯運算、分析、處理并以圖形界面、報表、動畫及數(shù)字錄像、聲、光、語音報警等方式輸出，同時完成對現(xiàn)場層設(shè)備的回饋控制， 該層采用OPC技術(shù)實現(xiàn)該層與現(xiàn)場層的通信，并將信息處理結(jié)果交由iFix
組態(tài)開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)信息的輸出。
二、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的程序開發(fā)
1.iFix的引入    作為Intellution自動化軟件中基于Windows的HMI/SCADA組件，iFix是基于開放的和組件技術(shù)的產(chǎn)品，專為工業(yè)應(yīng)用提供易于集成和協(xié)同工作的設(shè)計環(huán)境。 它
的功能結(jié)構(gòu)特點是能夠縮短系統(tǒng)升級和維護的時間，可以與第三方應(yīng)用程序無縫集成。它提供了監(jiān)視管理、報警和控制功能、數(shù)據(jù)集成功能和分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有監(jiān)視控制生產(chǎn)過程的窗口，提供了開發(fā)操作員熟悉畫面所需要的所有工具。
●數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集是指從設(shè)備底層獲得數(shù)據(jù)并將它們轉(zhuǎn)化為可用數(shù)據(jù)形式的能力。數(shù)據(jù)同樣可以寫入底層設(shè)備，從而確立了控制和應(yīng)用軟件需要的雙向鏈接。
●數(shù)據(jù)管理
一旦得到數(shù)據(jù)， 將根據(jù)軟件應(yīng)用的需要對它們進行處理、引導(dǎo),這個過程被稱為數(shù)據(jù)管理。
●數(shù)據(jù)集成
完全的數(shù)據(jù)集成處于所有Intellution軟件的核心地位，它是iFix開發(fā)的固有部分。
●HMI和SCADA
傳統(tǒng)的控制室使用的操作面板被運行軟件的計算機和圖形顯示器所代替。 計算機提供了許多與控制室同樣的功能，包括監(jiān)視、報警、控制及管理。
●報表功能
iFix具有創(chuàng)建報表和處理信息的能力。系統(tǒng)中任何數(shù)據(jù)點都能以操作員規(guī)定的刷新率采樣并
保存在數(shù)據(jù)文件中。
 
●開放式結(jié)構(gòu)
iFix提供了一套Visual Basic語言函數(shù)，可以對系統(tǒng)中任意數(shù)據(jù)點進行讀寫訪問。 iFix系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)為工程師編寫程序解決特殊的自動化問題提供了方便。 iFix的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。
 
     IFix采集實時數(shù)據(jù)的過程如下：首先，I/O驅(qū)動程序軟件從I/O設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)并把
數(shù)據(jù)傳入驅(qū)動程序映射表（DIT Driver Image Table）的地址中然后，掃描、報警、控制（SAC）程序從DIT中讀數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭^程數(shù)據(jù)庫中。最后，內(nèi)部數(shù)據(jù)庫訪問功能從本地或遠程的數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至請示的應(yīng)用程序中去。
2.OPC的引入
    在本系統(tǒng)中，5臺保溫箱的IPC1000（IPC500）可編程溫/濕度控制器通過串口線連接到Moxa串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上，再通過以太網(wǎng)交換機與5類電纜線直接連接到監(jiān)控計算機上。為解決iFix軟件平臺與上述設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取、轉(zhuǎn)換問題，系統(tǒng)大量使用了OPC技術(shù)，在iFix
軟件平臺與各類型現(xiàn)場設(shè)備間搭起了數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制的橋梁與紐帶。OPC是工控行業(yè)的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)， 它主要用來解決按照標(biāo)準(zhǔn)的方法完成軟件或設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的問
題。
OPC基于微軟的COM技術(shù)具有如下優(yōu)點：
●由于采用了Windows底層的COM技術(shù)，充分保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?br /> ●基于DCOM（分布式COM技術(shù)）保證了系統(tǒng)的分布式特性。
●統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)簡化了軟件的開發(fā)流程并減少了系統(tǒng)維護的費用。
●充分的開放性和標(biāo)準(zhǔn)化特性， 保證高度柔韌性系統(tǒng)的實現(xiàn)。
●基于Windows系統(tǒng)最底層技術(shù)，保證服務(wù)器系統(tǒng)的高度可靠性。
●支持OPC Foundation DA 1.0-3.0規(guī)范。
3.底層驅(qū)動程序開發(fā)
   MBE及MB1驅(qū)動：在集中監(jiān)控系統(tǒng)中，為了能實時獲取制冷機的工作狀態(tài)， 每臺低溫箱都安裝了6個遠傳壓力變送器和2個監(jiān)測制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度的鉑電阻溫度變送器，將現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后由ADAM數(shù)據(jù)采集模塊采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，以TCP/IP數(shù)包格式經(jīng)以太網(wǎng)送入主控室。 在循環(huán)冷卻水處理分系統(tǒng)中，通過S7－200 PLC控制器采集各現(xiàn)場傳感器的信號，并對冷卻塔風(fēng)機、循環(huán)水泵、變頻恒壓供水系統(tǒng)等進行控制，再將數(shù)據(jù)經(jīng)RS-485總線傳送到監(jiān)控計算機。為實現(xiàn)監(jiān)控計算機與上述硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)互聯(lián)，首先需要解決與不同接口類型設(shè)備通信的問題。 經(jīng)比較、選擇，本系統(tǒng)采用了基于Modbus通信協(xié)議的技術(shù)方案。Modbus通信協(xié)議是Modicon公司提出的一種報文傳輸協(xié)議，在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一種國際通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 iFix支持Modbus的兩種通信
協(xié)議：Modbus-RTU（串行接口方式）、Modbus-TCP（以太網(wǎng)方式）。 iFix支持上述通信協(xié)議的驅(qū)動庫分別為MB1和MBE。 只要安裝并在MB1、MBE驅(qū)動工具中正確地配置有關(guān)的參數(shù)，iFix即可以很方便地實現(xiàn)與ADAM數(shù)據(jù)采集模塊、S7－200PLC的數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)在iFix中通過MBE軟件接口，實現(xiàn)了ADAM數(shù)據(jù)采集模塊（ADAM-6017、ADAM-6060）與監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)鏈接； 通過MB1軟件接口， 實現(xiàn)了與S7－200PLC與監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)鏈接?，F(xiàn)場設(shè)備（ADAM模塊）要通過網(wǎng)絡(luò)接口按MOD-BUS/TCP通信協(xié)議規(guī)范與監(jiān)控計算機建立數(shù)據(jù)鏈接，首先應(yīng)在iFix軟件中進行SCADA組態(tài)； 并根據(jù)已鏈接模塊的網(wǎng)絡(luò)配置在MBE中進行IP地址和通信速率的設(shè)置。而使用MB1驅(qū)動程序時， 同樣需要先進行SCADA組態(tài)，并且進行網(wǎng)卡配置和設(shè)備地址定義。
具體操作步驟如下：設(shè)置I/O前端；在iFix的當(dāng)前運行項目下定義計算機的通信口；定義連接的外部設(shè)備；定義每個I/O通道對應(yīng)的變量地址及工況參數(shù)；定義變量的動畫鏈接等。
RS232串口通信協(xié)議：主控計算機與串口設(shè)備之間的信息交換需遵循設(shè)備（如IPC1000/500溫、濕度控制儀器）的通信協(xié)議，其間傳遞的數(shù)據(jù)格式是十六進制ASCII碼。
三、小結(jié)及展望
     基于iFix和OPC技術(shù)的分布式設(shè)備數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)作為保溫試驗的核心， 通過分布式網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)控計算機和現(xiàn)場的試驗設(shè)備與信號采集模塊連接成一個整體， 實現(xiàn)了操作人員同時對多臺保溫設(shè)備和循環(huán)冷卻水處理設(shè)備的遠程監(jiān)控。 系統(tǒng)便捷的操作方式和及
時有效的聲、光、語音分級報警機制成為試驗系統(tǒng)的安全衛(wèi)士。目前，該系統(tǒng)已配合客戶完成的近百項高、低溫試驗任務(wù)，充分說明該系統(tǒng)在節(jié)能減排、降低工況現(xiàn)場噪聲污染對人體的損害、提高工作效率、優(yōu)化工作方法等方面有明顯的優(yōu)勢。 該系統(tǒng)在有防爆、防靜電、防震動試驗環(huán)境條件下的順利實施， 為分布式設(shè)備數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用開辟了新場景。