實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)工作的特殊環(huán)境,。為了保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測(cè),、監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)環(huán)境參數(shù),，保證實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)穩(wěn)定，并在發(fā)生意外或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),，自動(dòng)采取一定的保護(hù)措施,，設(shè)計(jì)一種智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。
    本文提出一種分散式結(jié)構(gòu)的SCADA智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),，將原本由一個(gè)MCU處理的復(fù)雜任務(wù)分散給多個(gè)MCU共同處理,，從而使系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及處理數(shù)據(jù)速度、系統(tǒng)效率大幅度提高,，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可改造性,。
    數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)是以計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng),。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制,、測(cè)量,、參數(shù)調(diào)節(jié)及各類(lèi)信號(hào)報(bào)警等功能[1]。根據(jù)SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，該智能實(shí)驗(yàn)室SCADA系統(tǒng)由RTU,、HMI、TCOM 3個(gè)層次構(gòu)成,。遠(yuǎn)程控制單元RTU(Remote Terminal Unit)(即傳統(tǒng)的下位機(jī)),主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室參數(shù)采集和控制,；人機(jī)接口HMI(Human Machine Interface)，主要負(fù)責(zé)提供良好的人機(jī)接口,；遠(yuǎn)程通信網(wǎng)TCOM(Telecommunication),，用于HMI與各RTU之間的通信。
1 總體架構(gòu)
    智能實(shí)驗(yàn)室總體架構(gòu)由房間控制系統(tǒng),、氣流控制系統(tǒng)(即通風(fēng)柜控制系統(tǒng)和閥控制系統(tǒng)),、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及人機(jī)接口部分組成。如圖1所示,。

    房間控制部分是實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的核心,，連接著PLC、閥控制器,、通風(fēng)柜控制器以及觸摸屏,，主要負(fù)責(zé)采集房間參數(shù)，并發(fā)送命令給PLC,、閥控制器,、通風(fēng)柜控制器，以控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的正常運(yùn)行,。氣流控制部分和閥控制器主要根據(jù)房間控制器發(fā)送參數(shù)和命令,，PID調(diào)節(jié)房間送/排風(fēng)，在保證房間最小換氣次數(shù)的前提下,，保證房間的負(fù)壓環(huán)境,。遠(yuǎn)程控制部分由遠(yuǎn)程PC和PLC組成，用戶(hù)可以通過(guò)PC機(jī)的上位機(jī)軟件發(fā)送命令給PLC和房間控制器,，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制整個(gè)系統(tǒng)的效果,。
    人機(jī)接口除了遠(yuǎn)程PC外,，每個(gè)房間控制器都配有一臺(tái)7英寸液晶觸摸屏，用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏發(fā)送命令給房間控制器,，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,。此外，監(jiān)控系統(tǒng)還包含報(bào)警裝置,，當(dāng)房間參數(shù)超出設(shè)定值,，或者出現(xiàn)毒氣泄漏等危險(xiǎn)情況時(shí)即刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
2 房間控制部分
    房間控制部分由房間控制器和傳感器組成,。房間控制器以STM32F105RB處理器為主控制MCU,，通過(guò)AI模塊采集溫度、濕度,、壓力,、風(fēng)量等信息，并通過(guò)DI模塊采集開(kāi)關(guān)量信息,，通過(guò)AO模塊調(diào)節(jié)系統(tǒng)的送/排風(fēng)量和溫度,，通過(guò)DO模塊改變系統(tǒng)各開(kāi)關(guān)量的輸出狀態(tài)，房間控制部分結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

    STM32F105RB是基于ARM CORTEX-M3核的32位RISC處理器,，相比ARM7速率提高1/3，功耗降低3/4,，最高運(yùn)行頻率可以達(dá)到72 MHz,。配備CAN模塊、RS485串口模塊,、電源模塊,、8位DI及6位DO模塊。不僅涵蓋了現(xiàn)有的STM32F103的功能,，而且在此基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)功能[2],。
    溫度檢測(cè)模塊采用瑞士偉拓Vector室內(nèi)溫度傳感器SRA-T1，EEPROM自動(dòng)保存最值記錄,，具有掉電存儲(chǔ)功能,。SRA-T1室內(nèi)溫度變送器感溫敏感元件是NTC電阻，變送器電路的微處理器每秒對(duì)溫度采樣一次,。濾波時(shí)間計(jì)算信號(hào)平均值，并且根據(jù)濕度量程做線(xiàn)性變換,，然后產(chǎn)生信號(hào)輸出,，保證外部干擾對(duì)此變送器影響最小。默認(rèn)濾波平均時(shí)間10 s,，測(cè)量范圍0~+50℃(+32~+122°F),。本系統(tǒng)每個(gè)房間配置一個(gè)SRA-T1室內(nèi)溫度傳感器,，采用24 V直流供電，輸出0~10 V電壓,，接入房間控制器的AI模塊,。房間控制器將電壓轉(zhuǎn)換為溫度，儲(chǔ)存在RAM中,，最后在上位機(jī)上顯示,。
3 氣流控制部分
    無(wú)論應(yīng)用于何種行業(yè)，實(shí)驗(yàn)室氣流控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室人員的人身安全都是至關(guān)重要的,。必須確保實(shí)驗(yàn)室有毒氣體從通風(fēng)柜安全排放,，維持合適的溫/濕度環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室負(fù)壓。因此實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)在智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中具有很重要的作用,。
    監(jiān)控系統(tǒng)送排風(fēng)采用全新風(fēng)直流式裝置及壓差和溫差控制,，響應(yīng)快速。送風(fēng)空調(diào)機(jī)將室外風(fēng)處理至送風(fēng)狀態(tài),，然后送入實(shí)驗(yàn)室內(nèi),，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)，維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫/濕度和負(fù)壓環(huán)境[3],。送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)各2臺(tái),，一用一備。由于實(shí)驗(yàn)室是全新風(fēng)系統(tǒng),，實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)量較大,，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗和運(yùn)行的電費(fèi)較大， 故將PLC和變頻器技術(shù)[4-5]應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)中,，通過(guò)檢測(cè)管道末端壓力,，調(diào)節(jié)變頻器頻率，在保證房間最小換氣次數(shù)的前提下,，降低送風(fēng)量,，從而達(dá)到節(jié)能、減少功耗的目的,。各控制器通信圖如圖3所示,。

    氣流控制中，通風(fēng)柜控制器首先通過(guò)AO模塊將調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度發(fā)送給排風(fēng)文丘里閥控制器,，并通過(guò)485總線(xiàn)將通風(fēng)柜開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài),、面風(fēng)速、緊急排風(fēng)等信息傳輸給排風(fēng)文丘里閥控制器,。然后排風(fēng)文丘里閥控制器根據(jù)調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度,，應(yīng)用PID方法通過(guò)排風(fēng)文丘里閥開(kāi)度調(diào)節(jié)排風(fēng)量，同時(shí)排風(fēng)閥控制器會(huì)將閥開(kāi)度反饋給通風(fēng)柜控制器,，通風(fēng)柜會(huì)將閥開(kāi)度與調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度進(jìn)行比較,，判斷閥控制器是否正常運(yùn)行,。排風(fēng)閥控制器還會(huì)通過(guò)AO模塊將排風(fēng)量發(fā)送給房間控制器，并通過(guò)CAN總線(xiàn)將通風(fēng)柜各種信息發(fā)送給房間控制器,。房間控制器會(huì)將采集到的排風(fēng)量發(fā)送給送風(fēng)文丘里閥,，送風(fēng)文丘里閥會(huì)根據(jù)排風(fēng)量調(diào)節(jié)送風(fēng)閥開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)送風(fēng)量,，并且送風(fēng)閥控制器會(huì)將實(shí)際送風(fēng)量反饋給房間控制器,。最后房間控制器會(huì)將通風(fēng)柜信息、送/排風(fēng)量,、溫/濕度及壓力等信息顯示在觸摸屏上,。由此得出監(jiān)控系統(tǒng)氣流控制部分的關(guān)鍵在于通風(fēng)柜系統(tǒng)，只要調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度發(fā)生改變,，則排風(fēng)量發(fā)生改變,，隨之送風(fēng)量也相應(yīng)發(fā)生改變，而且在幾毫秒內(nèi)響應(yīng),。
4 RTU軟件
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的無(wú)限循環(huán)方式,，開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用KeilMDK，采用STM32固件庫(kù)VER3.5版本開(kāi)發(fā)程序[6],。按照靈活性和可重新配置原則,，每個(gè)AI、AO,、DI,、DO端口都可以配置成為不同的功能，如AI1既可以作為溫度傳感器的輸入,也可以作為壓力傳感器的輸入,，同一時(shí)刻只能配置一個(gè)功能,，可以通過(guò)上位機(jī)軟件或者觸摸屏設(shè)置[7]。
    主程序運(yùn)行流程如圖4所示,，當(dāng)系統(tǒng)上電后,，首先進(jìn)行設(shè)備初始化，然后系統(tǒng)會(huì)在每次循環(huán)的開(kāi)始重啟13路ADC通道,，采集各AI的輸入,，并通過(guò)DMA保存到RAM中[8]。在中斷函數(shù)中,，系統(tǒng)時(shí)鐘每10 ms產(chǎn)生一次中斷,，將c_task[TASK4].TaskStatus置“1”，因此主循環(huán)中會(huì)首先執(zhí)行TASK4：DisposalRoomEvent(),，程序會(huì)進(jìn)行手動(dòng)模式和自動(dòng)模式選擇,，默認(rèn)情況下為自動(dòng)模式。在手動(dòng)模式下,，風(fēng)機(jī)以工頻形式運(yùn)行,，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)手動(dòng)輸入值改變各房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。自動(dòng)模式下,，風(fēng)機(jī)以變頻模式運(yùn)行,，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)房間溫度和壓力情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)水閥開(kāi)度和通風(fēng)柜風(fēng)量大小,。

    主循環(huán)是系統(tǒng)軟件核心,，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及與氣流控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換,。主循環(huán)共有5個(gè)任務(wù)[1]： (1)TASK1執(zhí)行的是串口1接受數(shù)據(jù)處理任務(wù),、完成房間控制器與PLC之間的數(shù)據(jù)通信；(2)TASK2執(zhí)行的是串口2接受數(shù)據(jù)處理任務(wù),，完成房間控制器與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信,；(3)TASK3執(zhí)行的是串口3或者CAN總線(xiàn)接受數(shù)據(jù)處理任務(wù)，完成房間控制器與通風(fēng)柜之間的通信,；(4)TASK4的作用是處理房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù),；(5)TASK5用來(lái)保存房間參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。
    基于PLC+STM32的智能實(shí)驗(yàn)室SCADA系統(tǒng),，利用PLC和變頻器技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率,，節(jié)約能耗，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性,。利用CAN總線(xiàn)和串行總線(xiàn)將STM32,、PLC、傳感器,、觸摸屏組成網(wǎng)絡(luò),，可方便地監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。另外,，利用智能PID技術(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)送/排風(fēng)以及房間溫度,，提高了系統(tǒng)的動(dòng)/穩(wěn)態(tài)性和自適應(yīng)性，保證了實(shí)驗(yàn)室溫度,、壓力,、濕度維持在一個(gè)極小的波動(dòng)范圍內(nèi)，確保了實(shí)驗(yàn)室的正常工作環(huán)境,。
    通過(guò)以太網(wǎng)將多個(gè)PLC和中央控制室工控計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng),，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的切換。該系統(tǒng)已在某海關(guān)運(yùn)行,，調(diào)試結(jié)果表明,，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)都能滿(mǎn)足安全控制要求,，極大降低了系統(tǒng)的能耗,，保證了實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境的安全性及舒適性,。
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