基于 ARM11 的电厂无线数据采集与控制系.doc
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1、精品论文基于 ARM11 的电厂无线数据采集与控制系统硬件设计与实现王源,沈炯,刘西陲5(东南大学 能源与环境学院, 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,南京 210096) 摘要:基于 ARM11 的电厂数据采集与控制系统将嵌入式技术及计算机通信技术运用到电厂 的生产过程中,有效的提高了电厂运行管理的信息化水平,提高了生产效率,大大降低了操 作员劳动强度,对中小型电厂的设计改造具有一定的指导意义。本文首先介绍了嵌入式系统10的概况,并分析了系统的总体设计和各部分的具体设计方法。 关键词:嵌入式系统;ARM11;通信协议;数据采集 中图分类号:TK3The Design and Reali
2、zation of Power Plant Wireless Data15Acquisition and Control System Based on ARM11WANG Yuan, SHEN Jiong, LIU Xichui(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School ofEnergy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096)Abstract: Based on ARM11, embede
3、d technology and computer communication technology have20been used in the production process of power plant by the data acquisition and control system. The system improves effectively the informationization level of power plant operation management, improves the production efficiency, reduces the op
4、erator labor intensity strongly, and has a guiding significance to the design and transformation of small and medium power plant. This paper first introduces the general situation of the embedded system, and analyzes the design of the25whole system and the specific design method of each part.Key wor
5、ds: Embeded system; ARM11; communication protocol; Data Acquisition0引言近些年来电力行业的发展突飞猛进,各电力企业之间的竞争也日趋激烈,电厂大容量、30大机组化趋势明显1。同时,国内以及国际社会对节能减排、低碳经济等愈发关注。以上这 些都迫切要求电厂提高生产运行效率,提高自动化水平,建设安全可靠的数据信息采集及控 制系统。我国早期建立的电厂受技术水平的制约,大多采用模拟指示仪表和控制仪表。直到 21世纪的现在,仍有部分中小型电厂,由于资金等原因,无法采用 DCS 取代模拟仪表,其产生35的直接影响是运行效率的低下,信息采集不准
6、确、不及时,工作人员劳动时间及强度增大。 还有一些电厂由于地理位置的原因,例如供热管道距离主控室较远,并不适合直接接入信号 线。由此可见,如果能够研究出一种成本低廉、自动化程度高、安全可靠的电厂无线数据采 集与控制系统,可以有效的提高电厂经济效益,具有一定的市场前景。所谓数据采集,是指将生产过程中的各种参量,如温度、压力、电流、电压、流量等模基金项目:高等学校博士学科点专项基金(20090092110051); 国家自然科学基金(11190015, 51076027,51036002, 51106024)作者简介:王源(1989), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为能源系统仿真、优化与先进控
7、制通信联系人:沈 炯(1957), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事热力系统建模及先进控制理论在热工过程中 的应用研究. E-mail: - 9 -40拟量信号检测采集到以后,转换为数字信号,送往计算机进行分析处理的过程2。嵌入式计 算机也是计算机的一种,它是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它将先进的计算机 技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合,具有相当的发展潜力。1系统的功能需求45数据采集与控制系统在生产过程中实时的采集模拟量、数字量等信息,在嵌入式系统(下 位机)中进行处理、储存,并
8、可以通过无线网络与上位机进行通讯。其核心功能包括:1)提供多路的模拟量及开关量信号接口,采集需要的电气信号,采样周期可调。同时实 时监测各继电器的状态,保证执行机构的正确动作,在出现故障情况时能准确迅速地找明原 因。502)提供多路的开关量信号输出接口,在接受到上位机指令或者下位机自身需要时,控制 执行器动作。3)就地加密保存至少一个月的现场数据及报警信息。实时数据保存在系统内存中,定期 处理,未处理的数据及报警在 SD 卡临时目录下备份。所有现场采集数据及报警信息加密后 保存在 SD 卡中至少一个月并设置有独立的密码。除了数据及报警信息之外,系统日志亦加55密保存,保留至少一个月。4)可以定
9、期向上位机传送实时数据及报警信息,传送周期可配置。传送时同时接收上位 机指令,对数据进行一定的修改处理或控制执行机构完成一定的功能。5)提供一个人机交互的接口,就地显示实时、累积的数据信息。在被授权的情况下,可 以为操作人员提供调试窗口以供开发使用。606)至少提供 12 小时的备用电源,下位机断电后可以正常工作,并发出报警;断电后下 位机数据不丢失。2系统的硬件设计方案无线数据采集与控制系统的组成部分主要包括:用于现场数据采集和执行器控制的模块; 用于数据处理和人机交互的嵌入式系统;采集模块与嵌入式系统之间的通信网络;嵌入式计65算机与上位机之间的通讯网络。总体架构如图 1 所示。仪器仪 表
10、数据采集 模块执行器控 制模块下位机Arm11无线通讯 模块存储设备电源上位 机备用电 源显示器人机交互 市电:220/380图 1 系统硬件架构2.1数据采集及控制模块模块采用智能模数转换模块以及继电器模块,最多支持 12 路模拟量信号输入、24 路开70关量输入和 18 路的继电器输出,将传感器采集到的温度、压力等 4-20mA 模拟量信号转换成 数字量信号,继电器模块最高能承受峰值电流 30A,继电器状态亦可作为数字量输出。各类电气 信号传感器 变送器数采及控 制模块嵌入式系 统执行器图 2 模块工作流程系统的数据传输全部采用标准 Modbus-RTU 协议。Modbus 协议是应用于电
11、子控制器上75的一种通用语言,它定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络 进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如果回应来自其它设备的请求, 以及怎样侦测错误并记录。2.2嵌入式系统嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,和通用计算机不同,嵌入式系统的硬80件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的 性能,这样才能在具体应用中更具有竞争力3。2.2.1 嵌入式系统与 PLCPLC 是指可编程逻辑控制器,它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行 逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过
12、数字或模拟式输入/85输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其网络作为工厂企业首选的工业控制装置具有它独特的优点:1)功能齐全:多种控制功能; 输入/输出接口功能;数据存储与处理功能; 通信联网 功能;其他扩展功能。2)应用灵活 : 标准的积木硬件结构和模块化的软件设计。903)操作维修方便,稳定可靠: PLC 采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程与功能助 记符编程;具有完善的监视和诊断功能,其内部工作等状态均有醒目的显示,大多数模件可 以带电插拔。4)模块智能化、通信网络化。 现代的控制产品的设计已经发展到一个追求个性化、差异化设计的阶段,尽管 PLC 拥有95其不可比拟的优点,但是仍
13、无法弥补它的缺陷。常规的 PLC 无法进入本系统的选择范围更多 的就是出于个性化、差异化的原因,如成本控制、特殊功能等。而嵌入式明显的更加贴近个 性化的需求,在成本控制上更加灵活。1001051101151201251301352.2.2 嵌入式系统与工控机系统工业控制计算机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算 机,简称工控机。它是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心,其应用范围已经远远超 出工业过程控制。工控机由计算机基本系统和过程 I/O 系统组成,计算机基本系统由系统总线、主机模板、 存储器板、人机接口板与 CRT、磁盘机、打印机等通用外设组成。本系统之所以选
14、择嵌入式系统而没有使用传统的工业控制计算机,是因为嵌入式相比于 工控机有以下几点优势:1)传统工控机采用 PLC 设计,各厂牌相容性不佳,扩充不易,功能往往因地制宜。而 嵌入式系统一体设计,随插即用,将需要监控点的传感器接上即可。2)工控机各系统需外接 Ethernet 转换模块组,每一个系统一个 IP,对操作人员管理是一 大负担。嵌入式系统单一 IP 对外,稳定性佳,具有 Internet 设备所有标准。3)工控机的安装需由各厂商安装不同的组态软件,整合测试为几天的工程。嵌入式系统 所有接点集中与本机安装便利,软件可以自己一键安装。4)工控机一般不能远程维护,系统费用较高。嵌入式安装后设定
15、IP 经过 Internet,总部 可以远程监控。5)工控机的建设成本、维护成本和扩容成本都很高。而嵌入式系统就相对来说廉价很多。6)工控机体积比较大,功耗大,移动性差,对环境要求较高。嵌入式系统功耗低、可靠 性高、性价比高,占用空间小,且在网络方面也有很大的优势。2.2.3 嵌入式系统的选择 广义的嵌入式系统包含了全部的带有微处理器的专用系统,如单片机系统和带 OS 的ARM 系统。各类单片机系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点,但是由于他们没有操作系统,所以管理硬件和软件的能力有限,在实现复杂的多任务功能时往往困难重 重,甚至无法实现。所以,本系统采用了带有 OS 的 ARM
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