第第頁共44頁基于Niagara平臺(tái)的工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u30525基于Niagara平臺(tái)的工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)案例 133421.1系統(tǒng)整體架構(gòu) 1214561.2關(guān)鍵核心技術(shù) 2261.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2281501.2.2遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 4120071.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題及解決方案 5系統(tǒng)整體架構(gòu)本系統(tǒng)整體分為基于Niagara平臺(tái)的JACE控制器為核心的控制系統(tǒng)和以PC上位機(jī)為平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過TCP/IP協(xié)議、RS-485接口與PC機(jī)連接，并進(jìn)行通訊確保用戶能夠進(jìn)行管理與檢測；通過MODBUS協(xié)議與監(jiān)控設(shè)備以及傳感器連接，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)交互。PLC對(duì)工廠內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊回傳進(jìn)行分析并處理，然后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)整體框架如REF_Ref26884\h圖2-1所示。圖2-SEQ圖\*ARABIC1系統(tǒng)整體框圖遠(yuǎn)程監(jiān)控的參數(shù)主要包括溫濕度、光照強(qiáng)度、噪聲、PM2.5濃度等，遠(yuǎn)程控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括溫濕度調(diào)節(jié)模塊、光照調(diào)節(jié)模塊、噪聲調(diào)節(jié)模塊、PM2.5濃度調(diào)節(jié)模塊、煙感探測模塊以及PIR人感開關(guān)模塊等。智慧工廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集工廠內(nèi)的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、噪聲與PM2.5濃度等環(huán)境參數(shù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如REF_Ref26963\h圖2-2所示。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s12系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架本課題的研究工作主要有以下部分：(1)首先對(duì)智慧工廠控制柜整體方案設(shè)計(jì)，主要包括溫濕度、PM2.5等系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及其對(duì)應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)；(2)從物聯(lián)網(wǎng)出發(fā)，對(duì)元器件進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與選型，如溫濕度、噪聲傳感器、煙感探測器、聲光報(bào)警器、光電開關(guān)、接近開關(guān)等；(3)從NiagaraN4軟件架構(gòu)平臺(tái)出發(fā)，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)按照需求進(jìn)行組態(tài)，例如主界面、控制界面、報(bào)警與歷史數(shù)據(jù)界面等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示；(4)最后對(duì)軟硬件監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行安裝與調(diào)試，保證控制柜能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集以及用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。關(guān)鍵核心技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括無線檢測網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)和主機(jī)設(shè)備，如REF_Ref26789\h圖2-3所示是采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2-SEQ圖\*ARABIC\s13采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖工廠環(huán)境參數(shù)的采集主要使用各種傳感設(shè)備，將協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或感應(yīng)節(jié)點(diǎn)放置在不同的位置。完成數(shù)據(jù)采集工作后，將數(shù)據(jù)處理和射頻模塊作為協(xié)調(diào)器輸入并傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)為WiFi傳輸方式，WiFi數(shù)據(jù)通過通訊系統(tǒng)傳輸?shù)江h(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心，上位攝像頭接收每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，主程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，顯示和共享，用戶有相應(yīng)的監(jiān)測情況的權(quán)限在監(jiān)視和控制領(lǐng)域中，可以觀察并提供決策支持，可以在互聯(lián)網(wǎng)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。也可以通過手機(jī)、平板電腦等手持設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集原理物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集意味著能夠?qū)碜酝獠凯h(huán)境的各種形式的模擬量轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)，然后再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以處理的數(shù)字量信號(hào)，將其打包為一定的信息格式，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心儲(chǔ)存并顯示出來。數(shù)據(jù)采集的大致流程可以概括為接收器檢測到外部環(huán)境數(shù)據(jù)，收集檢測器檢測到的信號(hào)并從數(shù)據(jù)收集終端收集數(shù)據(jù)。外部信號(hào)的收集通常是A/D轉(zhuǎn)換過程。X(T)與頻譜X(f)之間的關(guān)系可以表示為X(t)=?∞+∞X(f)ei2πωtdf（式2-SEQ式\*ARABIC\s11X(t)=?∞+∞X(t)e?i2πωtdf（式2-SEQ式\*ARABIC\s12計(jì)算出的樣本脈沖信號(hào)X（nTs）恢復(fù)連續(xù)信號(hào)。從奈奎斯特采樣定理可以看出，脈沖信號(hào)X（nTs）的采樣間隔必須滿足條件Ts≤12f，當(dāng)采樣信號(hào)的頻率Fs是被采樣信號(hào)最大頻率F（max）兩倍以上時(shí)，如果出現(xiàn)異常，則可以使用采樣信號(hào)恢復(fù)連續(xù)信號(hào)。在區(qū)間[-12TsX(nTs)=?12Ts12TX(f)=Tsn=?∞+∞X(nTs)e?i2πfnTsx(nTs)可以完全確定X(f)從而確定x(t)，X(t)=n=?∞+∞X(nTs)?12Ts可以通過良好的分辨率，轉(zhuǎn)換精度和快速的轉(zhuǎn)換速度來減少收集的錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)采集終端A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率是指在模擬信號(hào)的變化中數(shù)字量變化最小時(shí)，足夠的比例和2n的比率。轉(zhuǎn)換速度是指實(shí)現(xiàn)一次模擬量信號(hào)向數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換所需1/T。此外根據(jù)被測信號(hào)的特性，有必要適當(dāng)選擇具有適當(dāng)?shù)牟蓸有酒直媛剩源藖肀苊獠蓸舆^程中信息丟失。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)第一層為遠(yuǎn)程控制終端，主要由現(xiàn)場儀表構(gòu)成。可以和主控中心按照約定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。第二層為網(wǎng)絡(luò)通信層。網(wǎng)絡(luò)通信層用于中心和遠(yuǎn)程控制終端信息傳輸。第三層為主控中心，主要由計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、HMI（人機(jī)交互界面）監(jiān)控軟件等組成。主控中心通過網(wǎng)絡(luò)層與遠(yuǎn)控控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場溫濕度、氣體組分等模擬量數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)。并通過HMI對(duì)遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送命令實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行操作。主控中心將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理、打印，為生產(chǎn)調(diào)度提供決策支持。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，本地計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)程分布式網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)施進(jìn)行監(jiān)視和控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程分布式網(wǎng)絡(luò)中設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)視、診斷和維護(hù)。采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分布于不同區(qū)域的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)連接起來，把已存在的分散的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)融合成為一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控體系構(gòu)架，如REF_Ref26705\h圖2-4所示。圖2-SEQ圖\*ARABIC4遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成傳感器節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)關(guān)，連接指示燈根據(jù)智能節(jié)點(diǎn)檢測到的信息（溫度，濕度），將網(wǎng)絡(luò)本身傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)關(guān)，并通過網(wǎng)絡(luò)層處理網(wǎng)關(guān)收集的敏感信息，并發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行部門。機(jī)構(gòu)調(diào)整控制對(duì)象/測量對(duì)象的控制編號(hào)或發(fā)送一種指令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本項(xiàng)目中的監(jiān)視平臺(tái)包括連接到該生產(chǎn)線的所有傳感器與報(bào)警器裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)以及每個(gè)設(shè)備的操作狀態(tài)，硬件框架如REF_Ref26613\h圖2-5所示。圖2-SEQ圖\*ARABIC5監(jiān)控裝置硬件框圖根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)控目標(biāo)情況，在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同對(duì)象對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分做出了相應(yīng)調(diào)整，提高了信息采集的準(zhǔn)確性，提高了控制命令傳輸?shù)陌踩?，?shù)據(jù)采集器采集環(huán)境信息，例如：例如溫度，濕度和噪聲通過幾個(gè)傳感器，數(shù)據(jù)通過MODBUS協(xié)議技術(shù)發(fā)送到主控制器，控制器可以接收和查看數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以通過路由器發(fā)送到終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。上位用戶通過RS-485端口將其傳輸?shù)絇C來繪制一個(gè)圖。在監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信程序，以實(shí)時(shí)測量輸送機(jī)設(shè)備的狀態(tài)值，并使用Niagara平臺(tái)開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)的用戶界面（UI）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題及解決方案本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控操作，但是需要滿足功能要求的設(shè)施相對(duì)較多，在設(shè)計(jì)過程中內(nèi)部控制程序的創(chuàng)建比較復(fù)雜，因此每個(gè)單元之間必須相互控制。主要解決以下幾個(gè)問題：1.軟硬件同時(shí)啟動(dòng)，如何解決服務(wù)器負(fù)載量過大不能正常運(yùn)行？在運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的視頻文件，如果服務(wù)器接收的負(fù)載特別大，首先要檢查服務(wù)器硬件內(nèi)存是否不足以覆蓋當(dāng)前負(fù)載，如果內(nèi)存不足，則可以增加通過增加服務(wù)器硬盤的存儲(chǔ)量，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)庫可訪問性并降低服務(wù)器CPU的負(fù)載，可以將生成的動(dòng)態(tài)視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部緩存中，并且在使用時(shí)可以直接從服務(wù)器