基于rs-45的新型仿真儀表的設(shè)計(jì)

1模擬儀表的數(shù)字信號和工控機(jī)的通訊隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，模擬培訓(xùn)技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。針對很多企業(yè)目前的操作界面還是使用儀表盤,因而產(chǎn)生了采用通用型儀表盤式仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。早期的儀表盤式仿真系統(tǒng)多采用STBBUS工業(yè)控制機(jī)、指針式模擬儀表構(gòu)成。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)將計(jì)算機(jī)傳遞來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號并送至各個(gè)模擬儀表或開關(guān)量輸出裝置上,完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理,即模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(A/D),數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量(D/A),開關(guān)量的輸入(D/I)、輸出(D/O)工作并與上位機(jī)通訊。隨著通訊技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用,上述的系統(tǒng)構(gòu)造方式產(chǎn)生了越來越多的問題:●危險(xiǎn)集中:儀表盤的工作完全依賴于工控機(jī),一旦發(fā)生問題,系統(tǒng)將不能工作;●維護(hù)困難:由于系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字信號和模擬信號混合的系統(tǒng),維護(hù)工作不易開展;●接線復(fù)雜:由于所有的模擬儀表都由若干的信號和工控機(jī)連接,在機(jī)柜內(nèi)通常有幾百根連線;●精度差:由于采用指針式儀表,表針的擺動通過機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn),調(diào)整困難且精度低;●通訊:采用RS-232通訊接口,傳輸距離很短,且抗干擾性差,通訊不可靠;為了滿足仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的需要,我們開發(fā)了基于RS-485的儀表盤式仿真培訓(xùn)系統(tǒng),有效地克服上述各種問題,取得了很好的效果。2基于斯-485的硬盤2.1硬件基礎(chǔ)相結(jié)合本仿真系統(tǒng)為天津某職工大學(xué)設(shè)計(jì),考慮到學(xué)校的應(yīng)用特點(diǎn),在儀表盤的設(shè)計(jì)過程中考慮到以下幾個(gè)方面的問題:●通用性硬件系統(tǒng)應(yīng)能作為石油化工仿真器通用硬件基礎(chǔ),既能滿足單元操作培訓(xùn)又能滿足全工藝流程的培訓(xùn),同時(shí)還能滿足石化各種工業(yè)裝置的仿真培訓(xùn)要求。●擴(kuò)展性系統(tǒng)的軟件和硬件都應(yīng)該采用模塊化結(jié)構(gòu),這樣可以方便地定制系統(tǒng)的規(guī)模,以滿足不同規(guī)模流程模擬的需要。●相似性硬件系統(tǒng)中的仿真表盤在結(jié)構(gòu)、尺寸、儀表布局和主要控制表的操作功能等方面應(yīng)與企業(yè)控制室表盤相似,為創(chuàng)造逼真的仿真培訓(xùn)環(huán)境奠定基礎(chǔ)?！駱?biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)儀表盤的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,達(dá)到提高軟件的移植性、互換性和通用性之目的。2.2真儀表操作盤站本系統(tǒng)(見圖1)由一臺教師指令臺計(jì)算機(jī)和四個(gè)仿真儀表操作盤站組成,每個(gè)機(jī)柜安裝兩套儀表盤站。教師指令臺和每個(gè)仿真儀表盤站通過RS-485連接,只用一條2芯電纜就可以連接所有的仿真儀表。3硬盤硬件組成3.1儀表器的布置安裝在儀表盤上的仿真儀表,無論其類型、外觀、布局和數(shù)量等都要求與真實(shí)的儀表盤基本一致。在本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中,我們在一個(gè)儀表盤站上布置的儀表有:8個(gè)報(bào)警指示燈,6個(gè)指示儀表,8個(gè)PID調(diào)節(jié)器,8個(gè)手操器和16個(gè)開關(guān)。這樣的設(shè)計(jì)比實(shí)際的儀表盤容量稍大,可以滿足一般的工業(yè)流程的需要。3.2儀表顯示單元的選擇和模擬的系統(tǒng)早期的儀表多為指針式,由于它的指示部分依靠機(jī)械結(jié)構(gòu),因此精度比較低,可靠性差,維修復(fù)雜,目前已經(jīng)使用不多。光針光柱式的指示儀表采用數(shù)字顯示模式,在工業(yè)系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。在仿真系統(tǒng)使用的仿真光針光柱式的儀表通常也采用與實(shí)際的工業(yè)儀表相同的顯示單元,其造價(jià)高,接口電路復(fù)雜。在本項(xiàng)目的研制過程中,我們選用了液晶顯示單元仿真光針光柱式儀表,通過軟件實(shí)現(xiàn)了真實(shí)儀表的各種功能。當(dāng)現(xiàn)場儀表的形式發(fā)生變化后,重新設(shè)計(jì)新的顯示單元軟件,就可以實(shí)現(xiàn)對另外一種類型儀表的模擬。每個(gè)仿真儀表都是一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng),采用的MCU為AT89C51單片機(jī),RS-485通信收發(fā)芯片為SN75176B,為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,對系統(tǒng)通信子系統(tǒng)進(jìn)行了光電隔離。系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。3.3仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了操作的方便,選擇了帶指示燈的按鍵開關(guān)。這種開關(guān)有兩種類型:按下鎖定和按下后彈起。在仿真系統(tǒng)中,一個(gè)重要的功能是從“快門”啟動。在這種情況下,每個(gè)現(xiàn)場設(shè)備都有不同的狀態(tài),因此,在選擇開關(guān)的時(shí)候,一定要選擇按下后能夠彈起的開關(guān),通過指示燈標(biāo)識開關(guān)當(dāng)前的狀態(tài),這樣就可以方便地實(shí)現(xiàn)“快門”功能。3.4仿真儀表地址開關(guān)在每個(gè)RS-485通訊端口上可以同時(shí)最多掛接32個(gè)設(shè)備,為了區(qū)分每個(gè)設(shè)備,應(yīng)該給它們唯一的地址標(biāo)識?？紤]到系統(tǒng)維護(hù)的方便,我們給儀表盤上的每個(gè)仿真儀表都設(shè)計(jì)了一個(gè)8位的地址開關(guān),通過它來設(shè)置每個(gè)仿真儀表的地址。實(shí)際應(yīng)用表明,這種設(shè)計(jì)給系統(tǒng)維護(hù)帶來了極大的方便。4數(shù)據(jù)輸入教師指令臺和儀表盤之間通訊的數(shù)據(jù)主要有以下幾種結(jié)構(gòu):4.1正常數(shù)據(jù)教師指令臺和儀表盤之間每2秒進(jìn)行一次正常數(shù)據(jù)交換,需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括:4.1.1pid設(shè)備4.1.1.儀表號、數(shù)據(jù)引發(fā)的教育指令臺也待教師指令臺發(fā)送的PID初始化數(shù)據(jù)長度為7個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+自動/手動狀態(tài)(1位)+過程數(shù)據(jù)(7位)+設(shè)定值(8位)+輸出值(8位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)儀表盤將接收到的數(shù)據(jù)再返回給教師指令臺。4.1.1.計(jì)算表1圖2,即提出“自動”狀態(tài)數(shù)據(jù);自設(shè)體線7位、輸出值2.在系統(tǒng)正常工作的過程中,教師指令臺發(fā)送的PID表數(shù)據(jù)可能會有以下兩種形式:●PID工作在“自動”狀態(tài)數(shù)據(jù)長度為6個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+自動狀態(tài)標(biāo)記(1位,設(shè)定為1)+過程數(shù)據(jù)(7位)+輸出值(8位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)●PID工作在“手動”狀態(tài)數(shù)據(jù)長度為5個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+手動狀態(tài)標(biāo)記(1位,設(shè)定為0)+過程數(shù)據(jù)(7位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)儀表盤的回送數(shù)據(jù)可能會有以下的兩種形式:●PID工作在“自動”狀態(tài)數(shù)據(jù)長度為5個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+自動狀態(tài)標(biāo)記(1位,設(shè)定為1)+設(shè)定值(7位)CRC校驗(yàn)碼(16位)●PID工作在“手動”狀態(tài)數(shù)據(jù)長度為5個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+手動狀態(tài)標(biāo)記(1位,設(shè)定為0)+輸出值(7位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)4.1.2校驗(yàn)碼給教師指令臺教師指令臺發(fā)送的顯示儀表數(shù)據(jù)長度為5個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+過程數(shù)據(jù)(8位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)儀表盤將接收到的數(shù)據(jù)回送給教師指令臺。4.1.3手練習(xí)器同PID表相似,手操器同樣存在數(shù)據(jù)初始化的問題。4.1.3.向教師指令臺的內(nèi)容指令臺發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為5個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+過程數(shù)據(jù)(7位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)儀表盤將接收到的數(shù)據(jù)回送給教師指令臺。4.1.3.儀表號、數(shù)據(jù)長度、過程數(shù)據(jù)的計(jì)算指令臺發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為4個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)儀表盤回送的數(shù)據(jù)長度為5個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+過程數(shù)據(jù)(7位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)4.1.4《確定》第2句:滅燈。實(shí)行每個(gè)報(bào)警指示燈單元有8個(gè)報(bào)警指示燈,用兩個(gè)字節(jié)表示每個(gè)燈的狀態(tài)(1:亮燈;0:滅燈)。指令臺發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為6個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+指示燈狀態(tài)1～2(16位,每字節(jié)的低4位有效)+CRC校驗(yàn)碼(16位)儀表盤將接收到的數(shù)據(jù)回送給教師指令臺。4.1.5號8位+數(shù)據(jù)長度8位+crc校驗(yàn)碼開關(guān)單元同時(shí)檢測16個(gè)開關(guān)的狀態(tài),將結(jié)果通知教師指令臺。指令臺發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為4個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+CRC校驗(yàn)碼(16位)儀表盤回送的數(shù)據(jù)長度為8個(gè)字節(jié),格式為:儀表號(8位)+數(shù)據(jù)總長度(8位)+開關(guān)狀態(tài)1～4(32位,每字節(jié)的低4位有效)+CRC校驗(yàn)碼(16位)在4.1.4和4.1.5中,每個(gè)有效數(shù)據(jù)只占用了低4位,主要是考慮防止數(shù)據(jù)和4.2中所定義的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。4.2其他數(shù)據(jù)與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的其它數(shù)據(jù)包括:4.2.1要求盤高度控制以保護(hù)盤當(dāng)教師指令臺的數(shù)學(xué)模型停止運(yùn)行前或指令臺關(guān)閉前,應(yīng)該向儀表盤發(fā)出關(guān)機(jī)指令,通知儀表盤關(guān)閉所有的顯示,并不再接受任何輸入。指令臺發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為2個(gè)字節(jié),格式為:0xFFH+0XFFH。4.2.2溫度和濕度指示在仿真系統(tǒng)中,“凍結(jié)/解凍”是其中的一項(xiàng)重要功能。為了與教師指令臺的該功能配合,在儀表盤上也要有同樣的功能。4.2.2.1.凍結(jié)命令當(dāng)指令臺發(fā)出“凍結(jié)”指令后,系統(tǒng)處于暫停狀態(tài),不接收任何操作。指令臺發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為2個(gè)字節(jié),格式為:0xFEH+0xFEH。4.2.2.2.解凍命令當(dāng)指令臺發(fā)出“解凍”指令后,系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。指令臺發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為2個(gè)字節(jié),格式為:0xFDH+0xFDH。4.2.3對于回送數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤不論什么原因,教師指令臺在發(fā)出相關(guān)數(shù)據(jù)后的設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有接收到相關(guān)儀表的回送數(shù)據(jù),則認(rèn)為本次數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤,通知所有的儀表丟棄已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù),并準(zhǔn)備下一次的數(shù)據(jù)傳輸。指令臺發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為2個(gè)字節(jié),格式為:0xFCH+0xFCH5波特率和數(shù)據(jù)格式教師指令臺和儀表盤之間通過RS-485接口完成數(shù)據(jù)交互,波特率設(shè)定為9600,數(shù)據(jù)格式設(shè)定為:1個(gè)開始位,8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)奇偶校驗(yàn)位,1個(gè)停止位。5.1通訊部分功能通常情況下,培訓(xùn)系統(tǒng)的教師指令臺軟件包括的功能很多,在此僅討論其中通訊部分軟件。在該軟件的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面:5.1.1通訊軟件的結(jié)構(gòu)。在一般教師指令臺工作在WIN2000操作系統(tǒng)下,通訊軟件采用線程結(jié)構(gòu),建立一個(gè)獨(dú)立的串口通訊線程。當(dāng)儀表盤發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),該線程將自動接收數(shù)據(jù)。5.1.2指令臺活性根據(jù)上述的4.1中的內(nèi)容可以看出,指令臺發(fā)出的每個(gè)數(shù)據(jù)幀,儀表盤都應(yīng)該有回應(yīng)。因此,當(dāng)指令臺發(fā)出數(shù)據(jù)后,就馬上啟動定時(shí),可能有如下的兩種情況發(fā)生:●接收到回送數(shù)據(jù)關(guān)閉定時(shí),發(fā)送下一組數(shù)據(jù);●定時(shí)時(shí)間到,沒有接收到回送數(shù)據(jù)關(guān)閉定時(shí),發(fā)送4.2.3中所述的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤代碼,發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。5.1.3利用windows消息響應(yīng)機(jī)制解決通信難在WIN2000下進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則就是任何一個(gè)任務(wù)都不能長時(shí)間的獨(dú)占CPU,以免造成系統(tǒng)的反應(yīng)變慢。為了解決這個(gè)問題,需要充分利用Windows的消息響應(yīng)機(jī)制。在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)中,我們在每次通訊過程中只發(fā)送一個(gè)儀表的數(shù)據(jù),待接收到回應(yīng)信號后,不立即發(fā)送另外一組數(shù)據(jù),而是發(fā)送“發(fā)送下一組數(shù)據(jù)”消息。在系統(tǒng)的消息循環(huán)中檢查到該消息后,再發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。程序如下:定義消息性響應(yīng):ONMESSAGE(WMSENDPI,OnSendPI)定義消息響應(yīng)函數(shù):5.2接收令臺的數(shù)據(jù)由于所有的仿真儀表都掛接在通信線路上,所以無論是指令臺發(fā)送給仿真儀表的數(shù)據(jù)還是仿真儀表回送給指令臺的數(shù)據(jù),所有的仿真儀表都可以接收到。仿真儀表接收完一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀后,首先要判斷數(shù)據(jù)幀是否正確,然后檢查地址是否與本機(jī)地址相符,如果是則進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,否則丟棄該組數(shù)據(jù)。仿真儀表的通訊軟件使用了MCU的串行中斷,程序相對簡單,在此給出該程序的流程圖(見圖3),其余不再贅述。6硬件設(shè)備狀態(tài)測試模塊因?yàn)閮x表盤中包括大量的硬件設(shè)備,因此,在使用前需要對硬件設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行全