基于iFix和OPC技术的分布式设备数据采集及监控系统

基于iFix和OPC技术的分布式设备数据采集及监控系统
 
某单位采用了基于iFix环境和OPC（OLE For ProcessControl）标准接口的分布式设备数据采集及监控系统，该系统已配合客户完成了近百项高、低温试验任务，系统累计运行超过7000h，对节能减排、降低工况现场噪声污染对人体的损害、提高工作效率、优化工作方法等发挥着十分重要的作用。
一、数据采集及监控系统的组成及设计功能
1.数据采集及监控系统的组成数据采集及监控系统的组成如图1所示，其中保温工房用于存放多台高低温试验箱， 是试样的试验场所；供水中心用于提供低温试验箱所需的冷却循环水，通过供水管道将冷却水输送给保温工房的试验箱；监控室内主要设备有监控计算机、分屏卡、大屏幕显示器、交换机、DVR计算机、打印机等。 分屏卡的作用是将显示屏一分为三， 但每个显示器的分辨率仍保持原有的分辨率，也就是说，在单个显示器分辨率不变的情况下，整个系统的像素增加了3倍，且各个显示器可显示不同的信息。
2.数据采集及监控系统的设计和功能
基于iFix和OPC技术的分布式设备数据采集及监控系统，采用双层控制结构设计：层为现场层,主要分布在保温工房和供水中心，该层直接访问现场分布式设备的传感器及其接口，完成试验系统中数字信号的采集及控制信号的输出。试验现场存在压力、温度等各种传感器，其数据输出形式有模拟量、开关量、RS232/485串口输出，对于现场的数据采集选用控制节点和串口节点两类智能节点，控制节点由以太网耦合器及配套模块（如模拟量模块
ADAM-6017、数字量模块ADAM6060及热电偶模块）组成，主要用于采集现场的压力、冷却水液位、冷却水压力及液位等参数，其中，模块与耦合器之间采用MODUBUS协议，耦合器与外部的通信采用MODBUS/TCP协议实现；串口节点采用MOXA公司提供的串口转以太网服务器NPORT5150，借此提高了计算机访问串口的能力，扩展了现场串口设备的访问数量，并大大突破了串口通信15m的有效距离，进而实现了计算机对现场设备的远程控制。
 
 
 
 
     保温工房有3个装配IPC500温度控制器的低温试验箱，它们通过各自的串口输出温度信号，有两个装配IPC1000温湿度控制器的高温试验箱，它们通过各自的串口输出温度和湿度信号，现场配备5个MOXA串口转换器，串口端分接于5个试验箱体的IPC控制器，网口端通过以太网交换机实现与主控计算机的数据通信。第二层为控制及信息展示层， 这是整个数据采集及监控系统的核心所在，分布于监控室，由工业控制计算机完成主控，其结构与功能框架如图2所示。
 
 
    控制及信息展示层的主要功能是将采集到的现场层的数据进行逻辑运算、分析、处理并以图形界面、报表、动画及数字录像、声、光、语音报警等方式输出，同时完成对现场层设备的回馈控制， 该层采用OPC技术实现该层与现场层的通信，并将信息处理结果交由iFix
组态开发系统实现信息的输出。
二、数据采集及监控系统的程序开发
1.iFix的引入    作为Intellution自动化软件中基于Windows的HMI/SCADA组件，iFix是基于开放的和组件技术的产品，专为工业应用提供易于集成和协同工作的设计环境。 它
的功能结构特点是能够缩短系统升级和维护的时间，可以与第三方应用程序无缝集成。它提供了监视管理、报警和控制功能、数据集成功能和分布式网络结构，具有监视控制生产过程的窗口，提供了开发操作员熟悉画面所需要的所有工具。
●数据采集
数据采集是指从设备底层获得数据并将它们转化为可用数据形式的能力。数据同样可以写入底层设备，从而确立了控制和应用软件需要的双向链接。
●数据管理
一旦得到数据， 将根据软件应用的需要对它们进行处理、引导,这个过程被称为数据管理。
●数据集成
完全的数据集成处于所有Intellution软件的核心地位，它是iFix开发的固有部分。
●HMI和SCADA
传统的控制室使用的操作面板被运行软件的计算机和图形显示器所代替。 计算机提供了许多与控制室同样的功能，包括监视、报警、控制及管理。
●报表功能
iFix具有创建报表和处理信息的能力。系统中任何数据点都能以操作员规定的刷新率采样并
保存在数据文件中。
 
●开放式结构
iFix提供了一套Visual Basic语言函数，可以对系统中任意数据点进行读写访问。 iFix系统的开放式结构为工程师编写程序解决特殊的自动化问题提供了方便。 iFix的功能结构如图3所示。
 
     IFix采集实时数据的过程如下：首先，I/O驱动程序软件从I/O设备中读取数据并把
数据传入驱动程序映射表（DIT Driver Image Table）的地址中然后，扫描、报警、控制（SAC）程序从DIT中读数据，并将处理后的数据传输到过程数据库中。最后，内部数据库访问功能从本地或远程的数据库读取数据，并将这些数据传输至请示的应用程序中去。
2.OPC的引入
    在本系统中，5台保温箱的IPC1000（IPC500）可编程温/湿度控制器通过串口线连接到Moxa串口设备联网服务器上，再通过以太网交换机与5类电缆线直接连接到监控计算机上。为解决iFix软件平台与上述设备的数据获取、转换问题，系统大量使用了OPC技术，在iFix
软件平台与各类型现场设备间搭起了数据采集、传输、控制的桥梁与纽带。OPC是工控行业的软件接口标准， 它主要用来解决按照标准的方法完成软件或设备之间数据交换的问
题。
OPC基于微软的COM技术具有如下优点：
●由于采用了Windows底层的COM技术，充分保证了数据传输的效率。
●基于DCOM（分布式COM技术）保证了系统的分布式特性。
●统一的接口标准简化了软件的开发流程并减少了系统维护的费用。
●充分的开放性和标准化特性， 保证高度柔韧性系统的实现。
●基于Windows系统最底层技术，保证服务器系统的高度可靠性。
●支持OPC Foundation DA 1.0-3.0规范。
3.底层驱动程序开发
   MBE及MB1驱动：在集中监控系统中，为了能实时获取制冷机的工作状态， 每台低温箱都安装了6个远传压力变送器和2个监测制冷系统蒸发温度的铂电阻温度变送器，将现场信号转换成电压信号后由ADAM数据采集模块采集、转换成数字信号后，以TCP/IP数包格式经以太网送入主控室。 在循环冷却水处理分系统中，通过S7－200 PLC控制器采集各现场传感器的信号，并对冷却塔风机、循环水泵、变频恒压供水系统等进行控制，再将数据经RS-485总线传送到监控计算机。为实现监控计算机与上述硬件设备的数据互联，首先需要解决与不同接口类型设备通信的问题。 经比较、选择，本系统采用了基于Modbus通信协议的技术方案。Modbus通信协议是Modicon公司提出的一种报文传输协议，在工业控制中有着广泛的应用，已经成为一种国际通用的工业标准。 iFix支持Modbus的两种通信
协议：Modbus-RTU（串行接口方式）、Modbus-TCP（以太网方式）。 iFix支持上述通信协议的驱动库分别为MB1和MBE。 只要安装并在MB1、MBE驱动工具中正确地配置有关的参数，iFix即可以很方便地实现与ADAM数据采集模块、S7－200PLC的数据通信。本系统在iFix中通过MBE软件接口，实现了ADAM数据采集模块（ADAM-6017、ADAM-6060）与监控软件的数据链接； 通过MB1软件接口， 实现了与S7－200PLC与监控软件的数据链接。现场设备（ADAM模块）要通过网络接口按MOD-BUS/TCP通信协议规范与监控计算机建立数据链接，首先应在iFix软件中进行SCADA组态； 并根据已链接模块的网络配置在MBE中进行IP地址和通信速率的设置。而使用MB1驱动程序时， 同样需要先进行SCADA组态，并且进行网卡配置和设备地址定义。
具体操作步骤如下：设置I/O前端；在iFix的当前运行项目下定义计算机的通信口；定义连接的外部设备；定义每个I/O通道对应的变量地址及工况参数；定义变量的动画链接等。
RS232串口通信协议：主控计算机与串口设备之间的信息交换需遵循设备（如IPC1000/500温、湿度控制仪器）的通信协议，其间传递的数据格式是十六进制ASCII码。
三、小结及展望
     基于iFix和OPC技术的分布式设备数据采集及监控系统作为保温试验的核心， 通过分布式网络把监控计算机和现场的试验设备与信号采集模块连接成一个整体， 实现了操作人员同时对多台保温设备和循环冷却水处理设备的远程监控。 系统便捷的操作方式和及
时有效的声、光、语音分级报警机制成为试验系统的安全卫士。目前，该系统已配合客户完成的近百项高、低温试验任务，充分说明该系统在节能减排、降低工况现场噪声污染对人体的损害、提高工作效率、优化工作方法等方面有明显的优势。 该系统在有防爆、防静电、防震动试验环境条件下的顺利实施， 为分布式设备数据采集及监控系统的开发及应用开辟了新场景。