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1、http:/ 基于网络化控制的数据采集系统基于网络化控制的数据采集系统 王小曼 上海交通大学，上海（200030）E-mail：ivy8228_ 摘摘 要：要：文中针对化工、食品、医药等流程工业领域数据采集点分布广、间距长等特点设计了一种通用网络化数据采集系统。系统由单片机开发的数据采集层、PLC 开发的数据处理层和计算机开发的数据监控层组成。可以实现生产过程中的温度、压力、流量等工业信号的远程实时数据采集和监控，是一个低成本、性价比较高的网络化数据采集和监控系统，通过该系统可以提高生产过程自动化程度，改进企业经营管理、提高生产效率，具有实用价值。关键词：关键词：MSP430F449；数据采集
2、；PLC；网络通信；DeviceNet 中图分类号：中图分类号：TP274+.2 数据收集和处理系统 1.引言引言 数据采集系统广泛应用于化工、石化、食品、医药、生化等流程工业领域，它可以对现场运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节及各类信号报警等各项功能。由于各个应用领域对数据采集系统的要求不同，所以不同应用领域的数据采集系统发展也不完全相同。如在化工、食品、医药等流程工业领域的一些重要场合需要高精度、低成本、高可靠性的数据采集与控制系统。在这些领域中数据采集点往往分布范围比较广泛，各采集点间相隔距离长，不便于数据采集和分布式控制，因此，对应用在这些领域的数据采集系
3、统进行网络化控制具有现实意义。目前，数据采集系统正向着分布式系统结构和智能化方向发展。随着工业企业局域网技术的发展，可以将管理层和车间层与设备网相连接，实现生产环节的在线实时数据采集与监控。本文中设计的基于网络化控制的通用数据采集系统，采用欧姆龙公司 CJ1M 系列 PLC及 DeviceNet 网络模块（CJ1W-DRM21）为主站，通过 T 分支连接器连接 MSP430 微控制器组成的从站节点实现连网通信控制，可广泛应用于化工、石化、食品、医药、生化等流程工业领域中，可以实现高速实时数据采集和处理。2.系统结构设计系统结构设计 本系统将数据采集、数据处理和系统监控各单元分层设计，网络拓扑结
4、构原理如图 1所示。最上层数据监控层为数据监控中心，它由一台或多台 PC 机或工控机或触摸屏等构成；中间层为数据处理层，根据系统需要可由一台或多台可编程序控制器（PLC）组成；最底层为数据采集层，即数据采集终端，由 MSP430 微控制器组成，它可以嵌入到传感器中。数据采集终端直接挂接在数据采集点上，如现场设备上的温度传感器、压力传感器等。数据监控中心与PLC之间通过以太网进行通信，PLC和MSP430微控制器之间通信的物理接口为CAN协议 RS485，通过 T 分支连接器连接 DeviceNet 总线。数据监控中心可以控制多个 PLC，每个 PLC 可以控制 163 个 MSP430 微控制
5、器。通过 DeviceNet 总线，整个系统可以组成分布式树形网络数据采集系统，每个节点所连接的 RS485 总线传输距离可以达到 1200m。系统采用主从通信方式，总线控制权完全由 PLC 控制，避免了总线仲裁、冲突检测等烦琐过程，提高了总线的利用率。系统通过网络连接，由 PLC 及 PC 机组成数据处理控制中心，连接多个位于不同位置的-1-http:/ 测控点，实现分布式控制，这种将各个功能单元分离的单元化、模块化结构使各功能单元相对独立，简化了整个系统的复杂性，并且可提高系统组态的灵活性，应用更加广泛。MSP430MSP430MSP430MSP430MSP430MSP430 图 1 系统
6、的网络拓扑结构 系统工作时，数据监控中心通过以太网和 TCP/IP 协议向 PLC 发送控制命令，PLC 收到监控中心发送的控制命令后，向 MSP430 微控制器发送相应的操作指令，从而使相应的MSP430 微控制器进行数据采集。对于同一条 DeviceNet 总线，每个 MSP430 微控制器都分配有一个独立的地址，PLC 对 MSP430 微控制器发送指令时，总线上的每一个 MSP430 微控制器都可以收到 PLC 发送的指令，通过识别指令中的地址信息，MSP430 微控制器可以判别该指令是否有效，如果指令有效，则完成相应的工作，并返回工作结果，如果指令无效，则不予处理。系统的各个功能单元
7、可根据需要配置硬件及其功能，如 I/O 数量、冗余方式、通信接口等，尤其是数据采集终端可根据不同的应用环境独立设计，以满足不同场合下的要求，这种方式既可用于新建网络化数据采集系统，也便于对已有数据采集系统进行技术改造。另外，由于 PLC 的可靠性高、抗干扰能力强及易于维护等特点，使用 PLC 作为系统的数据处理层进行数据处理和对象控制，可以使系统性能更加稳定。3.系统硬件设计系统硬件设计 3.1 数据监控层数据监控层 数据监控层可以是工业计算机、触摸屏或IBM PC机，软件开发平台采用OMRON公司的CX-Programmer6.1编程软件、DeviceNet主站模块组态程序及亚控公司的“组态
8、王”软件，数据库采用SQL Server开发。CX-Programmer 6.1编程软件可运行在Windows平台下，可进行硬件组态、程序编辑、调试、仿真和监控，支持梯形图语言、助记符语言和功能块图语言等。数据监控层主要功能：1）提供友好的人机界面，统计采集的数据、显示主要参数、状态和报警信息，并能输-2-http:/ 入控制命令，管理和监控系统；2）进行数据分析，按需求对数据进行处理并进行显示；3）按一定格式生成报表和输出等。3.2 数据处理层数据处理层 数据处理层的 PLC 采用日本 OMRON 公司的 CJ1M 型可编程序控制器，选用 CPU 为CJ1M-CPU22。具有高速、超小型/超
9、薄型、无间隙数据传送和数据处理的特点，外形尺寸仅高 90mm厚 65mm，I/O 单元宽度仅为 20mm，最快速度可达 20ns（0.02us）。可实现机器内部、机器之间、机器与上位机之间、机器和远程设备之间无缝数据交换，支持多层网络通信功能，支持 Ethernet、Controller Link、DeviceNet 各层网络间通信。3.3 数据采集层数据采集层 数据采集终端采用美国德州仪器公司（TI）的一种功能很强的16位超低功耗微控制器MSP430F449作为处理器，工作电压1.83.6V。可以实现数字量输入、RS232通信、液晶显示和键盘操作等功能。以MSP430F449微控制器为核心的
10、数据采集子模块直接挂接在现场的每一个测试点上，其基本功能是接收数据监控层的命令，根据数据监控层的要求，采集原始数据，并将其通过现场总线DeviceNet上传至数据处理层。数据采集子模块是一个具备一定智能化、能够脱离上一级监控子模块而独立进行数据采集和暂存的系统，同时也具备实时人机交互及显示等功能。数据采集子模块通过RS232/485转换器及T分支连接器接入DeviceNet总线进行数据交互。一个单元的结构原理如图2所示。MSP430MSP430MSP430 图 2 系统结构原理 4.系统软件设计系统软件设计 （1）数据采集层软件程序 系统的数据采集层软件程序包括主程序和中断程序，流程图如图 3
11、 和图 4 所示。A/D 程-3-http:/ 序流程如图 5 所示。键盘和液晶显示流程如图 6 所示。主程序主要完成系统的初始化工作，包括变量初始化、端口初始化及 A/D 初始化等，然后打开总中断进入低功耗模式。系统的数据采集、液晶显示、键盘输入和串口通信功能均是通过中断功能完成的。数据采集是通过A/D 中断完成的，在中断程序中完成传感器端数据的采集，并采用中位值平均滤波法进行滤波，能够有效消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差。A/D 采集完成后设置数据发送标志Send_flag，通知串口可以发送数据。键盘程序是通过 P1 口的中断功能实现的，按键选择通道后，将在液晶显示屏上显示所对应通道采集的
12、数据。图 3 主程序流程图 图 4 串口程序流程 图 5 A/D 程序流程 图 6 键盘和显示流程 （2）数据处理层的通信与程序 DeviceNet 总线主要用于将生产流程、控制过程中的现场设备、装置等连接成一个网络，这些设备或装置（节点）可以是一个开关、传感器、变频器或是一个控制器，故障的节点并不会影响网络的正常运行，修复后的节点亦可随时加入网络中。网络节点可被分为不同的优先权等级，以满足不同的实时性要求。DeviceNet 总线定义了 ISO/OSI 的 7 层模型的 4 层，除了在第 7 层（应用层）有详细的定义外，DeviceNet 总线规范还在物理层定义了许多连接器、电缆类型、电缆长
13、度，以及基于通信的显示、操作元素及其相应的封装形式等。这就为 DeviceNet 节点的物理连接提供了标准，以保证可靠性及可维护性。而在信号编码、译码及定义存取介质的方式，则完全采用CAN（Controller Area Network）控制器局域网络标准。CAN 总线是一种以“信息导向”为基础的串行通信方式，传输速率可达 1Mbps，有很好的纠错功能，信息本身有优先等级的属性，适合应用于实时性要求高的控制系统中。所有连网的装置以节点定位，可使不同的节点同时收到相同的数据，随时准备在收到指令后马上发出信号，这一点在分布式控制系统中非-4-http:/ 常有用。DeviceNet 主站模块附有一
14、个组态程序，在完成接线后，可设定网络各节点参数，设定完成后，主站模块便能够知道网络节点是那些装置，要读取那些数据等，以下简单介绍DeviceNet 网络的建构步骤。1）在 DeviceNet 中定义了一个 EDS（Electronic Description Sheet）文件，是网络配置工具，用于描述节点（设备、装置）的信息，加入节点之前，以组态程序读取此文件作为相关设定的参考。2）开启组态程序 DeviceNet Configurator 后，会出现各节点的名称，其读取或写入的参数或名称均被定义。3）设定 DeviceNet 主站模块 CJ1W-DRM21 及加入的数据采集终端，并设定节点地
15、址，完成网络组态。4）设定各节点读或写的地址及长度，设定读写各 4 个字节（(最大为 8 个字节)。5）DeviceNet 网络基本配置完毕后，将网络组态下载到 PLC 的 CPU 中，下载完成后便可进行在线监视各节点通信状态。并可运行 PLC 控制程序对被控数据采集终端进行监控。PLC 的用户程序（本文略）只需在其数据存储器中作数据的读写，即可对各节点作数据交换，达到控制的目的，所有的通信完全由 DeviceNet 主站模块完成。6）数据监控层的 PC 端通信口分别读取及写入 PLC 数据存储器地址，对应 PLC 的输入/输出数据存储器区，即可达到对 PLC 监控的目的，亦可在 PLC 内建
16、立控制程序，对数据采集终端进行监控。（3）数据监控软件 系统的数据监控软件主要包括：现场数据实时监测、历史趋势曲线、数据报表、报警和事件记录几部分。其中，现场数据实时监测的界面如图 7 所示，图 7 所示界面是实现 8 路数据采集的情况，可以根据实际需要情况进行扩展。图 7 监控界面 -5-http:/ 5.总结总结 本文设计的网络化数据采集系统结构简单，系统的可靠性高，运行稳定，并可以根据实际需要对系统进行扩展。参考文献 参考文献 1 沈建华，杨艳琴，翟晓曙MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用M北京：清华大学出版社，2004.11 2 胡大可 MSP430 系列单片机 C 语
17、言程序设计与开发M北京：北京航空航天大学出版社，2005.1 3 魏小龙MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例 M 北京：北京航空航天大学出版社，2002.11 4 王晓东，马军，徐佩霞数据采集系统网络接入的设计与实现J数据采集与处理，2004.01 5 TIMSP430 x4xx Family Users GuideZ2006 6 余国卫PC 机与单片机通信在数据采集系统中的应用J微处理机，2006.04 7 艾红，厉虹，曹荣敏 PLC 与组态软件的动画连接及命令语言设计J 北京机械工业学院学报，2005.02 8 OMRONOMRON CJ1 可编程序控制器用户指南2002 9 O
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19、cquisition System based on Network Control Wang Xiaoman Shanghai Jiao Tong University,Shanghai(200030)Abstract This paper introduces a general data acquisition system which is applied to technological process industry field,for example,chemistry,food,medicine industry and so on.The data acquisition
20、points of these industry fields have the characters of wide scope and long distance.The system is composed of data acquisition layer which is developed with MCU,data processing layer which is developed with PLC and data control layer which is developed with computer.The system can acquire and contro
21、l the long-distance and real-time industry dada of the production process,for instance temperature,pressure and flux etc.This system is a network data acquisition and control system with low cost and high performance.The system can increase the automation level of the production process,improve the enterprise management and heighten the production efficiency.The system is practicality.Keywords:MSP430F449,data acquisition,PLC,network communication，DeviceNet -6-