基于Niagara平臺(tái)的工廠監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u13316基于Niagara平臺(tái)的工廠監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例 1161001.1控制柜的設(shè)計(jì) 1177711.2整體硬件架構(gòu) 2222891.2.1感知層 387981.2.2網(wǎng)絡(luò)層 4122661.2.3控制層 5103271.3公共生產(chǎn)線 7本系統(tǒng)主要采用的是基于Niagara的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器和NiagaraFrameworkTM開放式軟件框架平臺(tái)。Niagara能夠提供多種硬件架構(gòu)，一種用于設(shè)備連接應(yīng)用程序的軟件框架平臺(tái)技術(shù)，控制器中有兩根網(wǎng)線，一根通過網(wǎng)線連接到PC設(shè)備，并且PC上安裝了NiagaraN4軟件，另一根網(wǎng)絡(luò)可以連接到路由器。通過網(wǎng)絡(luò)，然后連接到外部Internet，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的訪問和控制功能。控制柜的設(shè)計(jì)為了更便捷地對(duì)PC服務(wù)器中的現(xiàn)場設(shè)施進(jìn)行控制，控制智能工廠系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，基于硬件設(shè)計(jì)并構(gòu)建了基于Niagara的智能工廠監(jiān)控系統(tǒng)的控制箱。包括。為了更好地實(shí)現(xiàn)PC服務(wù)器對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，掌握智慧工廠系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此在硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)基于Niagara的智慧工廠監(jiān)控系統(tǒng)控制柜。系統(tǒng)控制柜包括了硬件架構(gòu)的主要設(shè)備：一臺(tái)JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器、一臺(tái)IO-22U輸入/輸出模塊、各類傳感器、報(bào)警器、一臺(tái)PC機(jī)、四個(gè)排風(fēng)扇和照明燈以及線槽REF_Ref1249\r\h[4]等。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理通信主機(jī)設(shè)計(jì)了一臺(tái)PLC，對(duì)安裝在現(xiàn)場相應(yīng)設(shè)備部件上的各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存，并通過屏蔽雙絞線RS-485通訊線纜的數(shù)據(jù)線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)；同時(shí)，排風(fēng)扇、燈泡、溫度傳感器還發(fā)送RS-485信號(hào)以形成RS-485網(wǎng)絡(luò)，并將其連接到一起?？刂乒裎恢脠D如REF_Ref27106\h圖3-1所示。圖3-SEQ圖\*ARABIC\s11控制柜位置圖整體硬件架構(gòu)在前期系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器和儀器類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在對(duì)系統(tǒng)硬件框架按層次進(jìn)行分類，依照現(xiàn)場設(shè)備及各種協(xié)議大致整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大致可分為感知層，網(wǎng)絡(luò)層，控制層三個(gè)層次。感知層主要是溫濕度、噪聲傳感器、報(bào)警器、變送器等一些檢測裝置；網(wǎng)絡(luò)層主要是部分工業(yè)控制常用協(xié)議，包括MODBUS協(xié)議和TCP/IP通訊協(xié)議，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸；控制層主要為JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器、IO-22U輸入/輸出以及PLC，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到統(tǒng)籌控制作用。感知層感知層位于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，作為數(shù)據(jù)收集的重要組成部分，它通過特定的傳感網(wǎng)絡(luò)獲取周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，其主要功能可概述為識(shí)別周邊環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)、并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采取某種特殊的方式將測量值轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)指定的直流電壓（0-10V）或直流電流（4-20mA）信號(hào)后，該信號(hào)再通過相應(yīng)的處理設(shè)備進(jìn)行處理使其產(chǎn)生與系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)和反應(yīng)動(dòng)作。感知層由各種現(xiàn)場設(shè)備組成，主要包括噪聲傳感器、溫濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、PM2.5傳感器、PIR人感開關(guān)、煙感探測器、聲光報(bào)警器、三色報(bào)警器、光電開關(guān)等。1.部分傳感器介紹與選型（1）溫濕度傳感器溫度濕度變送器是一種可以通過安裝可濕性和溫度敏感部件來測量和顯示溫度和濕度的傳輸設(shè)備，溫度濕度傳感器是指可以測量溫度和濕度并將其轉(zhuǎn)換為易于操作的設(shè)備或裝置，來處理電磁波信號(hào)。溫度和濕度傳感器是一種在直接或間接接觸被測介質(zhì)后將信號(hào)發(fā)送到變速器的設(shè)備。由于溫濕度傳感器擁有比溫濕度變送器精度高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，更加適用于工廠環(huán)境的要求，因此我們應(yīng)該選擇溫濕度傳感器作為此項(xiàng)目的溫濕度傳感設(shè)備，溫濕度傳感器如REF_Ref27616\h圖3-2所示。圖3-SEQ圖\*ARABIC\s12溫濕度傳感器溫濕度傳感器包含一個(gè)電阻式感濕元件和NTC測溫元件，它應(yīng)用專門的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。四線制接法連接方便，使系統(tǒng)集成變得更清晰(接線如REF_Ref27694\h圖3-3所示)。超小的體積、較低的功耗，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。圖3-SEQ圖\*ARABIC\s13四線制接法示意圖優(yōu)勢：這款溫濕度傳感器相對(duì)于其他品牌同類的產(chǎn)品相比監(jiān)測更精準(zhǔn)，配送平臺(tái)&軟件使用，擁有遠(yuǎn)低于行業(yè)平均的故障率。對(duì)于施工安裝后，設(shè)備經(jīng)久耐用、故障率低客戶省心又省錢，綜合性價(jià)比更好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境24小時(shí)監(jiān)測的目的。（2）煙感探測器煙感探測器就是發(fā)現(xiàn)一定濃度的煙霧，把信號(hào)傳遞給消防主機(jī)，并由特定報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，而煙感報(bào)警器就是感受到就發(fā)出警報(bào)。根據(jù)工廠對(duì)探測器的要求，系統(tǒng)應(yīng)該選擇具有3級(jí)靈敏度的煙感探測器，3級(jí)靈敏度的探測器是紅色，用于可以抽煙的地方，如走廊、樓梯間、吸煙室等。檢查人員可以使用較輕的空氣釋放測試方法來檢查檢測器是否可以達(dá)到氣體流量檢測并對(duì)其進(jìn)行多次測量。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層是OSI中最重要和最關(guān)鍵的層，并且是唯一負(fù)責(zé)整體數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)控制的層。監(jiān)視和管理平臺(tái)負(fù)責(zé)上載和傳遞數(shù)據(jù)，并且作為連接到物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中心，也是在信息傳輸過程中確保信息傳輸質(zhì)量的主要通信手段。本項(xiàng)目中使用的通訊協(xié)議主要有兩種，一種是TCP/IP協(xié)議，主要負(fù)責(zé)JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器與PC上位機(jī)進(jìn)行通訊，另一種為MODBUS協(xié)議，負(fù)責(zé)JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器與監(jiān)控裝置以及IO-22U與傳感器之間進(jìn)行通訊。網(wǎng)絡(luò)層的架構(gòu)方式為：通過JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器的PRI口，使用TCP/IP通信協(xié)議，并通過RS-485接口對(duì)PC上位機(jī)進(jìn)行通訊；JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器同感知層中器件的接線方式和IO-22U模塊都是通過COM口進(jìn)行連接的，使用MODBUS通信協(xié)議與和傳感器進(jìn)行通訊，并獲取傳感器相應(yīng)數(shù)據(jù)；與IO-22U模塊相連接，通過對(duì)模塊上的輸入輸出點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)控可方便直觀的觀測硬件系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還可以傳輸并采集其它各傳感器及報(bào)警器上的模擬量數(shù)值。1.通信協(xié)議（1）TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議是一種可信的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，主要用于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸并以網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，有三次連接握手的過程，同時(shí)具有差錯(cuò)檢驗(yàn)功能，因而是一種可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。該協(xié)議是目前Internet上通信協(xié)議應(yīng)用最為廣泛的協(xié)議，用于從應(yīng)用程序到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸控制。MODBUS協(xié)議MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器的通用語言。通過此協(xié)議，控制器可以通過網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）彼此通信，也可以與其他設(shè)備通信。它已成為通用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。借助它，可以將不同制造商生產(chǎn)的控制設(shè)備鏈接到一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，以進(jìn)行集中監(jiān)控?？刂破魍ㄐ攀褂弥鲝募夹g(shù)，其中只有一個(gè)設(shè)備（主設(shè)備）可以初始化傳輸（查詢）。主設(shè)備可以通過廣播與從設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)通信，也可以與所有從設(shè)備進(jìn)行通信。在應(yīng)用期間，可以將控制器設(shè)置為兩種傳輸模式（RTU或ASCII）之一，以在標(biāo)準(zhǔn)MODBUS網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信。在配置每個(gè)控制器時(shí)，MODBUS網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備必須選擇相同的傳輸模式和串行端口參數(shù)，通訊地址如REF_Ref27387\h圖3-4所示。圖3-SEQ圖\*ARABIC\s14MODBUS通訊地址控制層控制層位于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的最高層，相當(dāng)于硬件系統(tǒng)的大腦，起著統(tǒng)籌全局的作用，對(duì)來自感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析?？刂茖拥脑O(shè)備主要由JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器IO-22U模塊組成。圖3-SEQ圖\*ARABIC\s15JACE-22U接線圖1.JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器之前的JACE:要求工具去安裝通訊卡；如果引腳錯(cuò)位，就容易出錯(cuò)；僅限于兩張通訊卡；每種協(xié)議授權(quán)單獨(dú)購買驅(qū)動(dòng)包；通訊點(diǎn)位增多導(dǎo)致容量不夠還涉及到內(nèi)存升級(jí)。因此根據(jù)實(shí)際需要，并能夠克服上述JACE不足的地方，選用更高級(jí)別的控制器——JACE-8000。JACE-8000:更少的安裝工作量；熱插拔的擴(kuò)張；允許最多四個(gè)通訊卡；改進(jìn)的導(dǎo)軌夾；僅按照所連設(shè)備購買授權(quán)。JACE-8000嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器，可使用于通訊不同的儀表以及各控制系統(tǒng)，通過上位機(jī)設(shè)置出的Niagara4站點(diǎn)與JACE8000進(jìn)行通信，可以上傳實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)記錄管理，圖形界面顯示和監(jiān)視警報(bào)。圖3-SEQ圖\*ARABIC\s16JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器2.模塊IO-22UVYKONIO-22U?模塊是一種輸入/輸出功能模塊，使用IO-22U可以通過現(xiàn)場總線連接方式，對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行控制以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，能滿足于一般或特殊的應(yīng)用。IO-22U既適合作為簡易的輸入輸出監(jiān)控模塊使用，也適合作為具備特定功能的現(xiàn)場控制。圖3-SEQ圖\*ARABIC\s17IO-22U作為本監(jiān)控系統(tǒng)主要組成設(shè)備，IO-22U具有以下特點(diǎn)：獨(dú)有的標(biāo)準(zhǔn)形式的開放式協(xié)議；提供多種輸入/輸出模塊；高精度模擬輸入/輸出點(diǎn)；在線固件升級(jí)/配置；高穩(wěn)定性的操作系統(tǒng)。公共生產(chǎn)線圖3-SEQ圖\*ARABIC\s18傳送帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)功能在直流馬達(dá)的作用下，傳送帶開始運(yùn)行。首先通過無觸點(diǎn)接近開關(guān)，當(dāng)物體到達(dá)接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)域時(shí)，能夠檢測與判斷金屬物質(zhì)的位置以及行程，并迅速發(fā)出電氣指令使開關(guān)閉合；經(jīng)過電容式傳感器檢測是否有物體（導(dǎo)電物體和非導(dǎo)電物體）通過，由此便可控制電容式傳感器開關(guān)的通斷；接著就是對(duì)傳送帶上物體標(biāo)簽進(jìn)行檢測了，這就需要色標(biāo)傳感器發(fā)揮其作用了，色標(biāo)傳感器的應(yīng)用范圍極廣，就算物體背景有很小不一樣的顏色也可以用其檢測到；最后通過帶背景抑制功能漫反射光電傳感器，當(dāng)被測物體到達(dá)接收機(jī)設(shè)定的檢測距離時(shí)，輸出切換。它根據(jù)測角法原理工作，對(duì)物體的顏色，形狀和表面特性的檢測距離不應(yīng)有影