基于嵌入式控制模块的制造厂监测系统设计
摘要:I- 7188E 系列嵌入式网络控制器是为了适应以太网/因特网的普遍应用要求而设计的, 在工业环境中它能够替代PC 或PLC 工作。设计了由总厂上位监测计算机、I- 7188E2D 嵌入式网络控制器与现场RS- 485 子网组成的自动门制造厂网络监测系统。并对I- 7188E2D 的特点、应用程序开发及网络连接方法作了详尽的介绍。系统满足了多测点、高传输速度、大数据量的传送要求。从而为在传统的网络监测系统中运用嵌入式技术开辟了一条途径。
关键词:监测系统;嵌入式控制器;I- 7188E;网络
引言
随着现代制造业的发展, 基于各种网络环境的工业现场分布式监测系统的应用日益广泛, 它使采集的现场数据得以集中, 并能被企业管理系统、决策系统、控制系统所访问, 大大加快了企业的信息自动化进程。
分布式网络监测系统为能充分利用网络带宽, 减少系统延时, 适应网络环境, 往往对计算机软硬件等技术提出了很高的要求。为满足上述要求, 嵌入式Internet/Ethernet 及PAC( 可编程自动化控制器) 应运而生。作为一个可编程独立运行的控制器, 它兼有PLC 的快速、可靠和工控机强大的控制与通信的特点,而且成本相对较低, 故在网络监测系统的开发中倍受用户的欢迎。
I - 7188E 系列嵌入式网络控制器是台湾ICPDAS 公司生产的可编程嵌入式控制模块。本文将介绍采用该控制模块为一车辆自动门制造厂设计的网络监测系统。
网络监测系统的组成与体系结构
车辆自动门制造厂下设零部件加工车间、产品总成车间与检测车间。零部件加工车间和产品总成车间内的主干自动化设备( 大型数控加工设备、高温固化炉等) 各自带有自身的控制与监测装置。检测车间内则设十个自动门动态性能模拟测试台, 由各测试台上的电子门控器( EDCU( 内置DSP 主控芯片) ) 控制被测自动门开合运行。
制造厂监测系统网络总体拓朴结构如图一所示。加工与总成车间的RS- 485 网络( 自动化加工设备监控网络) 和检测车间的RS- 485 网络( 十个测试台上的EDCU 连接成并列逻辑等式, 通讯协议按《ALSTOM列车集控管理系统数据总线结构串行通讯协议说明书》制定) 作为特殊的子网存在, 它们各自通过现场嵌入式网络控制器( I- 7188E) 挂接在总厂网络上。
总厂主监测机则通过标准的10Mbps 以太网, 经集线器(HUB) 分别与两个现场中继站—— 嵌入式网络控制器( I- 7188E) 连接, 按TCP/IP 协议进行数据动态交换。
自动化加工设备监控网络采集现场主干自动化设备运行状况, 检测车间的EDCU 网络则采集模拟测试台上自动门开合运行时产生的不同类型的动态数据( 自动门驱动电机的电压、电流、位置三个模拟量,嵌入式功能模块应用以及各输入输出的开关量信息、故障记录等) 。这些信息经由I - 7188E 上传主监测机, 主监测机通过运行— —报警指示窗口实时监视各车间现场设备运行,同时将运行数据分解后存放于总厂数据库( SQL Server2000)中。切换至信息管理窗口, 还可获取各项数据的历史记录与记录报表等, 实现集中监测与管理。
I - 7188E 嵌入式网络控制器特点及应用
I- 7188E 特点及在系统中的作用
I - 7188E 系列嵌入式网络控制器内含主频为40MHz 的AMD80188 或与之兼容的微处理器, 及2KBEEPROM、256/512KB SRAM、256/512KB FLASH EPROM的内存。它还提供一个支持以太网功能的与NE-2000 兼容, 并带有16K 字节缓存芯片和10Base- T 接口界面的连接器, 以及多种形式的标准串行通信接口。
该控制器内置MiniOS7 嵌入式操作系统, 此系统不仅与MS- DOS 及ROM- DOS 兼容, 且上电启动时间极短( 仅需100ms, ROM- DOS 为4—5s) , 用户自行开发的应用程序可在此环境下高效运行。I- 7188E 还具备硬件诊断、软硬件双Watchdog 功能, 当通信网络出现故障时可被启动, 大大增强了系统的安全性。上述功能十分符合生产过程监测系统实时性与可靠性的要求。
I- 7188E 包括I- 7188EX 系列和I- 7188EN 系列,两者除RTC 电路外, 基本硬件结构相似。它们的型号不同内存容量与结构配置略有不同。本系统选择了I-7188EN 系列中型号为I- 7188E2D 的嵌入式网络控制器作为车间级无人值守的网络中继站, 以达到现场无需监管的目的。
I- 7188E2D 内置一个RS- 232 通信口(COM1, 用于应用程序写入与参数设置) , 一个RS- 485 通信口(COM2, 本系统中与主干自动化设备或EDCU 组网) ,一个连结RJ- 45 网络线的接口( 本系统中与集线器(HUB) 接口连接, 可使用在10/
I- 7188E2D 应用程序结构
I- 7188E 允许用户使用TC、MSC、BASIC7 等语言自行编写应用程序, 开发独立系统对其进行控制。本系统中I- 7188E2D 的应用程序( ser.exe) 便是在BorlandC++3.1 开发环境下使用C++编写, 调试成功后,利用I- 7188 所带的下载工具, 通过RS- 232 通信口(COM1) 将应用程序写入FLASH EPROM中运行。
I- 7188E 具有三种应用方式, 即虚拟串口、以太网I/O、WEB 服务器。本系统采用了WEB 服务器工作方式, 故ser.exe 应用程序中内含了对10Base- T 以太网的TCP/IP 支持。I- 7188E 自带一个能精确到1ms 的实时时钟, ser.exe 应用程序中调用函数IstallUserTime 设定了定时器溢出时间和相应的入口函数, 以此协调系统工作。
加工、总成车间和检测车间中的RS- 485 网络采用主从分布控制模式, 其通信波特率为19200bps。RS-485 为半双工串行通信方式, 由同一对通信线往返命令与数据, ser.exe 应用程序调用UserDataColt 函数依次对现场设备进行访问。即先对第一台设备发送信息采集命令, 然后查询返回的数据, 再对下一台设备发送信息采集命令, 再查询返回的数据, 依此循环轮询以避免发送命令与返回数据冲突。
图二给出I- 7188E2D 应用程序的简要流程( 并非全部流程) 。
值得指出的是, 当与主监测机通信不正常时, I-7188E2D 自动启动数据存储功能, 将数据暂存在自身的内存中。在通信恢复正常后, 可关闭存储功能, 并将暂存数据上传, 避免数据丢失。
I- 7188E2D 的网络连接
监测系统中I- 7188E2D 与主监测机形成一个客户/服务器(C/S) 网络结构, 通过Socket( 套接字) 通信方式连接, 并采用TCP( 传输控制协议) 进行数据交换。因此确定系统中所要连接对象的IP 地址与端口号是网络联机的关键。
本系统使用了I- 7188E2D 模块的两个端口:RJ-45, 端口号为10000; RS- 485, 端口号为10002。该模块IP 地址出厂时已经设定, 用户可通过改变主控机上的IP 地址, 使其和模块IP 地址处于同一个局域网内。也可采用I- 7188E 内部操作系统的设置方式改变模块IP 地址, 使其地址位于主控机附近。本系统采用了后一种方式, 以维护总厂已存在的局域网。
分别对两个I- 7188E2D 模块的设置与写入流程如下( 7188xw.exe, ser.exe 应放在同一目录下) :
连接计算机COM口与I- 7188E2D 的RS- 232 端口→ 短接I - 7188E2D 的INT* 与GND 管脚→ 激活70 - -7188xw.exe 可执行文件→以SetIp 命令设置IP 地址( 本系统两个模块的地址分别为: 192•168•120•55 和192•168•120•65) →清空(del) I- 7188E2D 内的程序,查询(dir) 模块的文件目录→设置应用程序导入首地址(StartAddr), 下载( load) 应用程序(ser.exe)→断开INT*与GND, 断开电源, 完成设置与写入。至此该模块便可接入监测网络。
总厂主监测机( IP 地址为192•168•120•05) 的网络程序利用VB6.0 的Winsock 属性、方法和事件编制,系统数据段格式和打开传送方式作者在文献中作了详尽介绍。主监测机程序中设置了SendDataTCPIP 函数建立与I- 7188E2D 的沟通联机, 并发送设置的字符串到对应的I - 7188E2D 模块的IP 地址的10000 端口, I- 7188E2D 的应用程序ser.exe 调用UserDataCmd 函数将接收到的字符串处理后转送RS- 485 网络( 经I- 7188E2D 的10002 端口) 。嵌入式模块在ser.exe 控制下自动返回执行结果, 故Send-DataTCPIP 函数被设置成拥有返回值( 类型为字符串) 。返回的结果字符串交Winsock 的DataArrival 事件处理, 并以fReturn 标志标示是否完成。最后采用CheekSum 的检查机制, 以确保数据传送的正确性。
总厂主监测机监控管理系统程序
VB 作为一种可视性语言具有良好的图形用户接口(GUI) 及支持面向对象的程序设计特点,采用这种语言开发的总厂主监测机通讯、监控与管理系统软件十分灵活、生动、直观。
主监测机系统程序设计采用了模块化设计方式,主要由五个模块构成, 它们分别是: 自动化加工设备与模拟测试台运行状况图形显示模块、故障报警模块、测试台动态数据实时显示模块( 记录被测对象电流、电压等实际变化曲线和与之对比的期望值曲线,及开关量信号信息) 、控制与通讯模块、数据存放与数据库管理模块等。为了维护系统安全, 主监测机上可设置相应的权限密码, 控制参数设置、数据报表记录获取等功能, 必须输入密码方可进入。
VB 的应用程序主要由各窗体文件( .frm) 和标准模块文件( .bas) 组成, 主监测机系统程序框架如图3所示。图3 中各窗体相对独立( 可单独调试, 单独运行) , 窗体及菜单的建立都十分简洁。
主监测机运行状况监控画面上各被监测设备并不都是同时开启, 同步运行的, 为获取真实的动画运行效果, 使操纵者对被测点的宏观运行状况有一个直观的视觉感受, 本监测系统采用了3DS MAX 软件为各被监测设备( 单元体) 分别创立三维立体连续渐变的图象( 各15 幅) 。若某个单元体要实现快速动画复制, 只需把其相应的连续渐变图象提供给一个PictureBox控件的ImageList 控件即可。创建一个Timer 控件, 用以控制交替显示特定图片的时间间隔。当设备开始运行, 监测程序启动, 记时器事件对图象进行更改。前15 次每次复制出一幅图象, 便迅速把它保存到一个模块层声明的ImageList 中。当所有15 幅图象都隐藏起来妥善保存后, 程序通过把PictureBox 的Picture属性更改为指向每一个图象, 且开始连续显示它们。这样的图象变换操作即快又平滑。当然, 当某个被监测单元体处在非工作状态时, 记时器事件就不必对该单元体图象状态进行更改。
所有相对独立的单元体图象在监测窗口中按实际布局分布, 且以同样的动画方式进行控制, 组合成系统全局动态监测画面。画面中一些实时数据与信号的显示, 只需在Label 确定的位置处建立对应的Label 控件, 刷新时将新数据赋予Label 控件的Caption属性即可。
结束语
随着自动门产量、类型增加, 测位与被测量增多,需采集并传送给总厂主监测机的信息量也将大大增加。本文开发的监测系统具有很好的可扩展性。实际扩展中只须通过添加以I- 7188E2D 控制器为核心的新检测点( 赋予新的IP 地址) , 并相应修改主监测机的查询范围; 或通过在原I- 7188E2D 控制器为核心的检测点添加测位, 且将新测位上的现场设备挂接到RS-485 网络, 并修改I- 7188E2D 查询范围即可。如今, 以太网协议已成为局域网的执行标准, 而I- 7188E 系列模块就是为了适应以太网/因特网的普遍应用要求而设计的, 是具有真正意义的带Ethernet 接口的新一代嵌入式网络控制器。
本文作者创新点: 在车辆自动门制造厂网络监测系统中采用嵌入式网络控制器I- 7188E 模块替代现场监控计算机, 实现了现场不同类型和同种类型多台设备的运行数据自动采集、传输、集中监测、管理的要求, 不仅减少了管理人员的工作量和设备的投资成本, 还提高了网络数据交互的可靠性、稳定性和可扩展性, 使制造厂的自动化控制和管理水平提高到一个新的水平。