基于RS422A現(xiàn)場總線的溫控網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

一. 概述

　　RS-422A總線是EIA公布的“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是為改善RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性，又考慮與RS-232C兼容而制定的。RS422A是工業(yè)界廣泛使用的雙向、差動(dòng)平衡驅(qū)動(dòng)和接收傳輸線標(biāo)準(zhǔn)接口 ,它以全雙工方式通信 ,支持多點(diǎn)連接 ,允許創(chuàng)建多達(dá) 32個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò),具有傳輸距離遠(yuǎn) （最大傳輸距離為 1200m） ,傳輸速率快 （ 1200m時(shí)為 100kbit/s）等優(yōu)點(diǎn) ,相對于其它總線，如FF、CAN、LonWorks等而言，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安裝方便、與傳統(tǒng)的DCS兼容等特點(diǎn);此外，市場上很多現(xiàn)場儀表都有RS422A總線接口，因此采用該總線可以很容易地開發(fā)一些中小型網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。結(jié)合某一工程項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn) ,我們采用了RS422A通信接口來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

　　在該工程項(xiàng)目中，系統(tǒng)采用兩級主從總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。溫度等變量的控制主要由總線上的各個(gè)智能儀表實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)根據(jù)控制要求修改智能儀表的給定值等參數(shù)，以及一些數(shù)字量的監(jiān)控顯示等。該項(xiàng)目所選智能儀表為上海大華-千野儀表有限公司生產(chǎn)，參數(shù)相當(dāng)復(fù)雜，具有較強(qiáng)的控制以及通信功能。同時(shí)，利用上位機(jī)軟硬件資源豐富，以Windows為操作平臺，因此開發(fā)的應(yīng)用軟件有強(qiáng)大的管理功能以及非常友好的人機(jī)界面。本系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用Microsoft Visual C++6.0開發(fā)，充分利用VC++靈活快速，對視窗編程和多任務(wù)編程的方便接口，開發(fā)出來的軟件具有完善的數(shù)據(jù)采集、設(shè)定、報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)視等功能。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效的實(shí)現(xiàn)了對溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)控，效果良好。

二. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該智能儀表功能較為完善，控制精度高。自帶RS422A通信卡，通信命令多達(dá)一百多條，上傳及接受數(shù)據(jù)量大，主要包括各步溫度設(shè)定值、PID參數(shù)值、報(bào)警參數(shù)值、傳感器修正值、模糊控制參數(shù)值等等。現(xiàn)場總線采用RS422A總線，因?yàn)镽S422A總線具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。智能儀表掛接在RS422A總線上，通過RS422A/232C裝換器和PC串口相連接。為此配置有十幾臺（可擴(kuò)展）智能儀表，RS422A/232C轉(zhuǎn)換器一塊，并且每一臺儀表設(shè)置唯一的地址。溫度的控制由下位機(jī)（智能儀表）完成。主控計(jì)算機(jī)完成的功能有1）主動(dòng)讀取下位機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)2）改變溫度控制的設(shè)定值以及其它的參數(shù)，但不直接完成對溫度的控制。3）顯示溫控曲線畫面,溫控儀集中顯示畫面以及報(bào)警數(shù)據(jù)等的動(dòng)態(tài)顯示。4）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),統(tǒng)計(jì),報(bào)表等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

三. 通信協(xié)議

　　1） 物理層　采用平衡型標(biāo)準(zhǔn)RS422接口 ,以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在平衡型?biāo)準(zhǔn)RS422A中,

　　發(fā)送器與接收器均以差分方式工作 ,每個(gè)信號用兩根導(dǎo)線傳輸 ,信號的電平由兩根導(dǎo)線上的信號的差值來表示。

　　2） 數(shù)據(jù)鏈路層 本系統(tǒng)采用異步串行通信方式。系統(tǒng)約定，波特率：9600bps,偶校驗(yàn)，1個(gè)起始位，7個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，采用ASCII碼作為傳輸代碼?？偩€上的傳輸幀分為命令幀和數(shù)據(jù)幀。命令幀又分為為建立連接包含地址信息的地址命令幀和對已建立連接要求上傳或者下傳數(shù)據(jù)的控制命令幀。后者和數(shù)據(jù)幀的文本格式如下：

　　3）網(wǎng)絡(luò)層 由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)該層協(xié)議的功能?？偩€上的傳輸幀中，地址命令幀是控制PC機(jī)以廣播的形式發(fā)出，用于喚醒總線上的某臺儀表，握手請求與之建立通信關(guān)系，然后相應(yīng)的儀表向控制PC機(jī)回傳本機(jī)地址，則握手成功;否則儀表向PC機(jī)回傳否定應(yīng)答。當(dāng)PC機(jī)要和目前通信的儀表以外的其他儀表通信時(shí)，必須首先放棄目前的通信關(guān)系，發(fā)送放棄通信命令幀。然后再從新按照上述方式建立連接。建立連接,放棄連接以及溫控儀的應(yīng)答格式如下所示:

　　其中ENQ pEOT pACK 為控制碼 結(jié)束碼表示一幀的結(jié)束

　　4）應(yīng)用層 工業(yè)智能儀表的RS422A總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用層，是對控制PC機(jī)與智能儀表之間相互傳送的信息組幀，即數(shù)據(jù)格式按照一定的格式和含義進(jìn)行定義。

四. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)管理軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，基于Windows2000平臺，用VC++6.0編程開發(fā)。系統(tǒng)應(yīng)用軟件由實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程和歷史記錄瀏覽兩大部分組成，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程包括數(shù)據(jù)采集及設(shè)定、運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)管理三大模塊組成，數(shù)據(jù)采集及設(shè)定模塊定時(shí)從下位機(jī)即智能儀表采集和設(shè)定過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？刂颇K主要是控制儀表的運(yùn)行或停止等以及運(yùn)行段選擇，數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、打印、存儲(chǔ)等功能。

　　根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征，監(jiān)控軟件中多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，為了不讓一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)候，阻塞別的任務(wù)，我們充分里了Windows系統(tǒng)允許多進(jìn)程、多線程編程的特點(diǎn)，將系統(tǒng)的分成幾個(gè)模塊。首先，將歷史紀(jì)錄瀏覽和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程分成兩個(gè)進(jìn)程，因?yàn)檫@兩個(gè)過程有很大的差別。歷史紀(jì)錄瀏覽中的數(shù)據(jù)是靜態(tài)的，對實(shí)時(shí)性沒有要求，而且可以在生產(chǎn)過程之中或之后運(yùn)行都可以，在開發(fā)這部分程序時(shí)，可以不用考慮時(shí)間的問題。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程卻是一個(gè)實(shí)時(shí)性要求很高的任務(wù)，在這個(gè)過程中主要要完成通信、顯示、控制、打印等任務(wù)，另外還要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)。

　?。?） 動(dòng)態(tài)進(jìn)程設(shè)計(jì)

　　線程一詞指程序指令順序的執(zhí)行，每個(gè)程序獨(dú)立執(zhí)行程序代碼中的一系列指令。從用戶或應(yīng)用程序編程的角度看，程序中的線程是同時(shí)運(yùn)行的。操作系統(tǒng)通?？烤€程與線承建的快速切換控制來達(dá)到這種同時(shí)的感覺（但如果計(jì)算機(jī)有多個(gè)處理器，則系統(tǒng)可以直接同時(shí)執(zhí)行線程）。程需要在某個(gè)時(shí)間完成多個(gè)任務(wù)時(shí)（許多引用程序都是這樣），將每個(gè)任務(wù)放在不同的線程中不僅使程序更加有效，而且能簡化開發(fā)工作。

　　在設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)程時(shí)我們把它分成了兩個(gè)線程：主線程和通信線程。主線程定時(shí)啟動(dòng)通信線程，通信線程執(zhí)行完一次通信任務(wù)后自動(dòng)懸掛。在正常情況下，主線程兩次恢復(fù)通信線程之間的時(shí)間是能夠保證一次通信線程的完整執(zhí)行。

　　在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，要求能快速訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，我們將數(shù)據(jù)存放在兩個(gè)地方。正在進(jìn)行的生產(chǎn)過程的過程數(shù)據(jù)首先存放在內(nèi)存開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，這樣主線程能很快的訪問到。另外，將幾次通信的數(shù)據(jù)定期存放到硬盤上，這樣能防止因停電等意外事故造成數(shù)據(jù)的損失。

　　在程序設(shè)計(jì)時(shí)我們采用了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的思想，比如我們把溫控儀看成一個(gè)對象，有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作完全封裝在一個(gè)類里面，這樣程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分離也可以實(shí)現(xiàn)分離，這對于軟件的擴(kuò)展，對于軟件開發(fā)和調(diào)試都會(huì)帶來極大的方便。