引言

　　隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)場監(jiān)測自動(dòng)化程度要求的提高，監(jiān)測系統(tǒng)在軍民用許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。光電監(jiān)測具有圖像直觀、實(shí)時(shí)、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。光電傳感器品種、結(jié)構(gòu)、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(gè)獨(dú)立工作的傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，其通信方式主要采用固定的點(diǎn)對點(diǎn)之間的有線通信，這樣導(dǎo)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(shí)間較長，數(shù)據(jù)采集效率較低，而且鋪設(shè)或架空線纜又受到現(xiàn)場設(shè)施的制約，施工復(fù)雜而且成本高。另外，這種有線系統(tǒng)的可擴(kuò)展性還受到電纜鋪設(shè)等條件的制約。為了降低成本，提高監(jiān)測效率，有必要構(gòu)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(gòu)成及工作原理

　　1.1光電監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)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(jìn)行采集，實(shí)時(shí)顯現(xiàn)監(jiān)測現(xiàn)場的運(yùn)行工況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并報(bào)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(yàn)場等情況的監(jiān)測。系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。

　　上位機(jī)以普通的計(jì)算機(jī)作為主要的人機(jī)界面(HMI)，為現(xiàn)場管理級，完成對下位機(jī)的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員;下位機(jī)由ABBAC500系列PLC構(gòu)成，為基礎(chǔ)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(diǎn)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(jìn)行決策。當(dāng)生產(chǎn)中出現(xiàn)異常時(shí)，在HMI上顯示報(bào)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(diǎn)構(gòu)成，為基礎(chǔ)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(jìn)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(shè)備向各個(gè)光電傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求幀，各個(gè)節(jié)點(diǎn)首先分析幀的地址號是否與其相符，若相等則進(jìn)一步分析幀的內(nèi)容，并生成響應(yīng)幀向主站發(fā)送，否則拒絕響應(yīng)主站的請求。ABB PLC對無線設(shè)備接收到的幀進(jìn)行校驗(yàn)，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(jī)通過FameView組態(tài)軟件和PLC進(jìn)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(jìn)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(gè)公開的、被廣泛應(yīng)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(dòng)化系統(tǒng)而制定。此協(xié)議符合OSI標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備中被廣泛采用。

　　此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管他們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，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(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，信息以幀的形式用異步串行的方式在主從設(shè)備之間傳遞。Modbus的幀格式、幀順序、通訊錯(cuò)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(yàn)、停止位的個(gè)數(shù)以及傳輸模式等都能選擇。在具體實(shí)現(xiàn)某些設(shè)備之間的通信時(shí)，一旦這些參數(shù)選定以后，它們在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不能改變。

　　Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式，每個(gè)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(yuǎn)程終端設(shè)備)。在ASCII方式中，消息中的每個(gè)8位字節(jié)需2個(gè)ASCII字符，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)許字符的傳輸間隔達(dá)到1 S而不產(chǎn)生錯(cuò)誤;在RTU方式中，每個(gè)8位字節(jié)包含兩個(gè)4位的十六進(jìn)制字符，其優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(gè)Modbus RTU報(bào)文的幀格如表1所示。

　　每個(gè)數(shù)據(jù)幀以至少3.5個(gè)字符的問隔時(shí)問標(biāo)志開始和結(jié)束，整個(gè)信息幀必須以連續(xù)的信息流進(jìn)行傳輸，從而保證CRC校驗(yàn)的正確。其中：地址碼為8位，從機(jī)的有效地址范圍是o～247，這個(gè)字節(jié)表明由用戶設(shè)置地址的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來的信息。功能碼為8位，有效編碼為1～255，這個(gè)字節(jié)告訴從機(jī)執(zhí)行什么任務(wù)。數(shù)據(jù)段可有多組數(shù)據(jù)組成，主要包括從機(jī)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(yàn)碼，用于保證整幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

　　2 基于遙測技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的具有感知、計(jì)算和無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。它綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成監(jiān)測、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、識別與跟蹤等任務(wù)。

　　目前研究的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本都是傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多(可多達(dá)幾千個(gè))、分布隨機(jī)、一次性不回收型投放、節(jié)點(diǎn)間可相互通訊、需要節(jié)點(diǎn)自組織網(wǎng)絡(luò)，要同時(shí)克服各種干擾和具備很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。而對于現(xiàn)場監(jiān)測而言，傳感器節(jié)點(diǎn)不多，節(jié)點(diǎn)大多數(shù)不需要移動(dòng)而且是可蕈復(fù)利用的，節(jié)點(diǎn)之間不需要相互通訊。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)由于現(xiàn)場范圍小且節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，故不需要太復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)固定的地址，數(shù)據(jù)的傳輸采用主從站方式。由于節(jié)點(diǎn)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(luò)內(nèi)的通信時(shí)序。

　　這里采用集中式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在固定的位置，直接向PI。C發(fā)送信號同時(shí)接受來自PLC的查詢。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

　　2.2輪詢遙測技術(shù)

　　系統(tǒng)中現(xiàn)場控制級主站和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊，主站采用輪詢遙測技術(shù)采集數(shù)據(jù)。設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)不同的地址，按地址依次遙測各傳感器節(jié)點(diǎn)，并在允許的時(shí)間內(nèi)等待傳感器節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，獲得數(shù)據(jù)，把各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)為例，PLC將向光電傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求信號：03H(光電傳感器節(jié)點(diǎn)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(yàn)碼低字節(jié))E1(校驗(yàn)碼高字節(jié))。PLC的應(yīng)答報(bào)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(yīng)數(shù)據(jù))crcl(校驗(yàn)碼低字節(jié))cre2(校驗(yàn)碼高字節(jié))。

　　3 ABB PLC軟硬件實(shí)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(gè)Modbus通訊接口，這使得PLC與上位機(jī)以及與無線光電傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)通訊。

　　PLC不能夠直接接收來自無線光電傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過其帶有的COM2口連接一個(gè)無線數(shù)據(jù)收/發(fā)模塊，PLC可實(shí)現(xiàn)與無線光電傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊。ABB PLC的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　3.2 PLC的軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)控制軟件由主程序和多個(gè)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—