梅會儒, 許維東, 李福祥, 陳煥

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海200093)

上海白龍港污水處理廠專用RTU設計

梅會儒, 許維東*, 李福祥, 陳煥

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海200093)

針對上海白龍港污水處理廠廠外閘門井信號采集改造項目要求提出一種專用遠程終端控制系統(tǒng)(RTU)設計方案。該RTU在硬件上以Cortex-M3微處理器為核心,采用一系列的隔離抗干擾措施,保證系統(tǒng)的高性能低成本以及運行的穩(wěn)定性;軟件上采用ModBus TCP/IP協(xié)議通過工業(yè)以太網將現場采集到的數據傳輸給上位機,實現了遠程監(jiān)控。詳細描述了RTU的硬件設計方法及軟件實現原理,最后給出了通信的測試結果。

遠程終端控制系統(tǒng);隔離;ModBus TCP/IP協(xié)議;遠程監(jiān)控

在環(huán)境保護和環(huán)境治理的大環(huán)境下,我國各水域對水質達標都有嚴格的規(guī)定,作為上海市污水治理二期工程的一個重要組成部分上海白龍港污水處理廠更是發(fā)揮著極其重要的作用。上海白龍港污水處理廠充分利用現有的污水處理構筑物,一部分污水進入高效沉淀池處理,另一部分進入新建多模式生物反應池處理,兩部分尾水達標后通過出口泵房、高位井深水排放到長江[1]。在此過程中實時監(jiān)測污水排放的水流總量及瞬時流量,并通過閘門的開和關控制污水的排放極為關鍵。文中針對該項目特點設計了一款遠程終端控制系統(tǒng)(RTU),實現遠程監(jiān)控功能,使得技術人員無須親臨現場就可以監(jiān)視到現場所有信息并控制現場設備的運行狀態(tài)。

1 項目要求分析

根據白龍港污水處理廠廠外閘門井信號采集改造項目要求,每個閘門井房所需采集的信號為兩臺電動閘門的狀態(tài)信號和兩臺流量計的流量信號,需要測量流量計的累積脈沖信號和瞬時模擬信號。使用RTU對現場的各項數據進行采集,各站點RTU模塊與中控室之間通過3G設備連接至運營商3G網絡,各節(jié)點連接采用3G無線交換機?，F場控制層則采用ModBus TCP/IP工業(yè)以太網通信?，F場數據采集后將統(tǒng)一傳輸至中控室操作電腦,并通過OPC通信將現場數據轉發(fā)至相關數據庫,為監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面及報表系統(tǒng)提供數據源。

考慮到閘門井房現場為無人值守狀態(tài),除了要保證RTU自身更加穩(wěn)定、可靠地運行,還要求RTU可控制無線設備的供電,在無線設備出現異常死機的情況下可對該無線設備電源進行斷電后再通電,達到重啟的要求。

因此根據以上設計要求,文中針對項目特點定制一套RTU的設計方案,并從系統(tǒng)的體積、可靠性及成本上進行綜合考慮,在電路上采用多項隔離措施并將所有功能都集成到一塊主板上,降低產品的成本,減小系統(tǒng)體積,增加系統(tǒng)可靠性。

2 硬件設計方案

2.1 系統(tǒng)模型

RTU與現場儀表通過有線方式連接采集數據。上位機作為主機利用ModBus TCP/IP協(xié)議與現場RTU進行通信。在通信過程中,上位機對所有掛接在以太網上的RTU采用輪詢方式采集數據。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System m odu le

為達到功能需求,RTU需要能夠采集4～20 mA模擬電流量、數字脈沖量、數字開關量,控制繼電器輸出,提供本地顯示功能,通過ModBus TCP/IP協(xié)議與上位機進行通信。

2.2 硬件電路設計

硬件總體結構如圖2所示。其中,CPU選取了NXP公司推出的基于ARM Cortex-M3內核的微控制器LPC1768,該芯片內部集成了豐富的外設,而且運算速度快,適用于低功耗及處理要求高度集成的嵌入式應用[2-3]。另外,硬件上還包括了8路4～20 mA模擬信號采集模塊;2路脈沖計數模塊;6路數字開關量測量模塊;4路繼電器輸出模塊;以太網通信模塊。

圖2 硬件電路結構框架Fig.2 Diagram of the hardware structure

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力及穩(wěn)定性能,所有與RTU板子相接的外部接口都采取隔離措施。數字信號測量電路的數據傳輸速度要求不高,使用光電隔離技術;模擬信號采集電路與CPU之間采用SPI接口通信,因此利用磁耦隔離技術[4];以太網接口采用隔離變壓器進行以太網信號隔離;繼電器輸出電路采用機械繼電器實現直接隔離;電源模塊運用隔離式DC/DC轉換器實現電源隔離。

2.2.1 電源模塊 電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、連續(xù)的電流,是確保系統(tǒng)正常工作的核心部件。同時電源部分是系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán),系統(tǒng)出問題時的大部分因素都是由電源部分引起的,因此電源部分的設計至關重要。電源電路如圖3所示。

在系統(tǒng)功耗方面,采用最大功耗方式進行計算。其中:采用5 V電源電路的最大耗電電流為124. 76 mA;采用3.3 V電源電路的最大電流為190.19 mA。而電源電路上采用一塊2 W的隔離式DC/DC電源芯片PWB2405及一塊1.5W的PWB2403電源芯片,完全滿足系統(tǒng)需求。

2.2.2 模擬信號采集電路 根據設計要求,系統(tǒng)需要能夠采集8路4～20 mA電流,測量精度要求達到千分之一,測量速度要求每秒鐘可完成8個通道的轉換,因此文中直接將100Ω的精密電阻串連到被測電流回路中,實現電流到電壓的簡單轉換。由于系統(tǒng)要求的轉換速度較低,因此采用一個多路復用器芯片ADG508通過8選1的方式,在任意時刻只將一路被測電路接入A/D轉換芯片,然后將運放及濾波電路放在通道選擇電路之后,大大節(jié)省了電路成本。通道選擇電路如圖4所示。其中,電流輸入端二極管D3主要作用是防止輸入電流過大時, ADG508發(fā)生閂鎖效應[5],保證電路的安全性。

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit

圖4 通道選擇電路Fig.4 Channel-selecting circuit

2.2.3 數字信號測量電路 脈沖量與數字開關量的測量電路相同,數字量測量僅需測出開關狀態(tài),脈沖量則需測出脈沖個數。在實際應用中,脈沖輸入量分為有源和無源兩種方式,為了同時適用于這兩種接入方式,文中在電路上為每個通道設計了一個模式選擇的接口,如圖5所示。這樣當J5的1,2短接時,可測量無源的脈沖信號;當2,3短接時,則用于測量有源脈沖信號。

圖5 脈沖及數字量輸入模塊Fig.5 Pulse and digital inputmodule

根據設計要求,脈沖計數功能要求最大能夠測出10 kHz的脈沖,因此文中采用高速光耦PS2801,經過實際測試其開關速度可達40 kHz。R33可有效防止光耦的誤導通,R29主要起限流的作用;肖特基二極管D14導通管壓降極低,可有效防止輸入信號接反時損壞光耦的作用。

2.2.4 繼電器輸出電路 繼電器輸出模塊采用達林頓管驅動機械繼電器的方式進行輸出控制,具體電路如圖6所示。

CPU輸出的控制信號經過光耦隔離后傳給驅動芯片ULN2803,ULN2803每個通道都具有最高500 mA電流的輸出能力,輸出電壓最大達50 V,非常適合邏輯接口電平的數字電路和需要較高的電流/電壓的應用場合。繼電器選用PCN105D3MHZ,輸出最大可控制277 V/3 A的交流電,輸入電壓5 V,功耗達120 mW。

圖6 繼電器輸出模塊Fig.6 Relay outputm odu le

2.2.5 ModBus TCP/IP通信接口 使用ModBus TCP/IP協(xié)議進行通信時需要借助以太網接口。以太網控制器一般由以太網媒體接入控制器(MAC)和物理接口收發(fā)器(PHY)組成,這兩個組成部分對應OSI模型的兩個層——物理層和數據鏈路層。系統(tǒng)的控制器LPC1768以太網模塊僅包含一個功能齊全的10或100 Mbit/s以太網MAC(媒體訪問控制器),而不包含PHY物理層。因此,文中外擴了一個PHY物理層芯片KSZ8041,再通過隔離式變壓器RJ45插座實現系統(tǒng)的以太網通信功能。RJ45為隔離式變壓器,具有信號增強、阻抗匹配、波形修復、信號雜波抑制和高電壓隔離等作用。

2.2.6 液晶顯示模塊 系統(tǒng)顯示部分采用圖形型液晶顯示模塊SHZJ-A19264B5,顯示像素為192*64 dots,具有接口簡單,容易操作以及低能耗等眾多優(yōu)點。顯示模塊可動態(tài)顯示系統(tǒng)的測量結果,不僅為RTU的現場安裝及調試提供數據參考,方便安裝人員的安裝與調試,同時也便于后期的現場視查和檢修工作。

3 軟件設計方案

RTU的核心軟件是一個典型的實時多任務系統(tǒng),包括通信、數據采集及控制等軟件部分。因此,系統(tǒng)采用開放源代碼的實時操作系統(tǒng)μC/OS-II作為軟件的運行平臺,可明顯簡化實時任務的組織與調度,提高CPU資源的利用率,充分保證軟件系統(tǒng)的可靠性,并縮短開發(fā)周期。

3.1 系統(tǒng)任務劃分

μC/OS-II屬于搶占式實時系統(tǒng)內核,即任何時候具有最高優(yōu)先級且已就緒的任務先執(zhí)行[6]。RTU系統(tǒng)軟件完成的主要功能有實時數據采集、A/D校準、繼電器控制、數據通信以及液晶顯示等。根據系統(tǒng)完成的功能,劃分出系統(tǒng)各大任務,有數據采集、通信、A/D校準、顯示及輸出控制。從實時性要求來看,比較以上幾個工作的優(yōu)先級,其優(yōu)先處理的順序為數據采集 ＞以太網通信＞A/D校準 ＞液晶顯示 ＞繼電器控制。詳細配置情況見表1。

表1 任務表Tab.1 Task table

3.2 應用層軟件邏輯設計

從數據傳遞和加工角度出發(fā),使用數據流圖的方式表達系統(tǒng)的邏輯功能、數據在系統(tǒng)內部的邏輯流向和邏輯變換過程,數據流圖描述輸入數據流到輸出數據流的變換,能夠非常清晰地表現系統(tǒng)的數據模型[7],系統(tǒng)數據流的頂層結構如圖7所示。

圖7 頂層數據流結構Fig.7 Top data flow diagram

3.2.1 輸入測量 包含了模擬量輸入、脈沖輸入及數字開關量的輸入,其中模擬電流測量部分首先需要通過組態(tài)文件確定即將測量的通道,在進行A/D采樣后,還要經過一階滯后數字濾波,線性化,最后再計算出流量值。

3.2.2 校準 設備在出廠前需要對A/D進行校準,校準過程中仍需要外部通過通信端口發(fā)送置零電流和置滿電流時的準確電流值等各數據,最后將計算后的數據存于CPU內Flash中永久保存下來。當設備出廠后不允許再次校準。

3.2.3 組態(tài) 組態(tài)包括:①選擇模擬量采集的通道數;②設置液晶顯示的內容;③配置以太網通信端口的參數。

3.2.4 通信 采用ModBus TCP/IP協(xié)議,RTU作為從機不斷監(jiān)聽上位機發(fā)來的數據包,并對符合要求的請求給予應答。

3.2.5 輸出控制 根據通信任務確定每10 min的時間內是否接收到數據包,如果在連續(xù)30 min的時間段內沒有接收到數據包則由RTU輸出控制3G無線交換機的電源,使其斷電后再上電,達到恢復故障的目的。

3.2.6 液晶顯示 根據系統(tǒng)采集到的數據及采集的通道數,顯示各個測量值。

3.3 數據通信

為使分布在現場的所有RTU能夠可靠地與上位機進行通信,且同時所有設備可以方便互聯(lián),采用標準的通信規(guī)約十分重要。采用工業(yè)中較為流行的ModBus TCP通信協(xié)議是其最佳選擇。

ModBus TCP結合了以太網物理網絡、網絡標準TCP/IP協(xié)議以及以ModBus為應用協(xié)議標準的數據表示方法。ModBus TCP數據幀格式如圖8所示。

圖8 M odBus TCP數據幀格式Fig.8 M odBus TCP data frame form at

ModBus TCP數據幀中MBAP報文頭主要包含事務處理標識符以及數據長度等有效信息,其中事務處理標識符用于事務處理配對,標識ModBus幀的次序。功能碼與數據部分共同組成ModBus協(xié)議數據單元(PDU),系統(tǒng)根據PDU內容,通知系統(tǒng)要執(zhí)行的操作及內容,實現系統(tǒng)間的數據交換[8]。

為實現ModBus TCP的通信協(xié)議,系統(tǒng)除了能夠識別和響應ModBus TCP數據幀外,同時還需要依賴TCP/IP協(xié)議實現幀的傳輸。因此,文中在系統(tǒng)軟件中移植了u IP 1.0以及Free ModBus V1.5兩種開源協(xié)議代碼,其中u IP 1.0主要提供TCP,IP, ICMP,ARP等協(xié)議,實現應用數據的組幀和傳輸; Free ModBus協(xié)議主要定義了數據的模式和功能,并實現底層寄存器的讀寫操作。

進行通信時,系統(tǒng)首先需要與上位機建立連接,實現TCP協(xié)議的三次握手。握手成功后,系統(tǒng)開始監(jiān)聽502端口的數據,并使用中斷方式進行數據接收,ModBus TCP通信處理過程如圖9所示。

圖9 M odBus TCP通信流程圖Fig.9 Flow chart of M odBus TCP communication

4 RTU系統(tǒng)測試

文中設計的RTU系統(tǒng)實物如圖10所示。

圖10 RTU系統(tǒng)圖Fig.10 RTU system

文中使用C++編寫上位機測試軟件,最后將RTU與電腦接入同一網絡中并測試,上位機測試界面如圖11所示。

由圖11可以看出,在測試過程中,設置RTU的本地IP為132.120.137.10,上位機端口號為40000,然后在RTU的8路模擬的輸入端口上共同串入了一路非標準的4 mA電流進行測量,最后將上位機的訪問地址和端口號與RTU設置成一致。從上位機觀察到的實驗結果可看出,8路測量數據中最大為5.760 2 m3/h,最小為5.690 4 m3/h,換算成相應的電流值分別為4.092 mA和4.091 mA,達到了非常高的測量分辨率。

圖11 上位機測試界面Fig.11 Testing interface of upper com puter

5 結 語

文中對所研發(fā)的RTU系統(tǒng)的硬件及軟件的實現方法進行了論述,本著高性能、低功耗、低成本的理念去進行設計,采用多種隔離技術、防護措施,有效地保障系統(tǒng)安全可靠的運行。最后對設計出來的實物作品進行了EMC測試,電源也達到了典型B類產品要求,其他各項參數也均滿足設計要求;同時通過實際的長時間正常運行,表明本系統(tǒng)的可行性。

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(責任編輯:邢寶妹)

Shanghai Bailonggang Sewage Treatment Plant Design of Specific RTU

MEIHuiru, XUWeidong*, LIFuxiang, CHEN Huan
(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

The design originates from the reconstruction of Shanghai Bailonggang sewage treatment plant.According to the requirements of the project,we put forward a design scheme of RTU dedicated to this project.The RTU utilizes a Cortex-M3 microprocessor as the core component in the hardware and includes a series of anti-interferencemeasures in order to ensure the system stability and high performance at a low cost.For the software,ModBus TCP/IP is employed as communication protocol.The upper computer obtains the field data through industrial ethernet to realize remote monitoring.This paper describes the principle of hardware design and software implementation about the RTU in detail, and gives the test results of the communication.

RTU,isolation,ModBus TCP/IP communication protocol,remotemonitoring

TP 216

A

1671-7147(2015)01-0069-06

2014-06-10;

2014-07-15。

梅會儒(1988—),男,湖北咸寧人,控制理論與控制工程專業(yè)碩士研究生。

*通信作者:許維東(1968—),女,河南開封人,講師,碩士生導師。主要從事電力系統(tǒng)的非線性控制等研究。

Email:stxwfcwfd@163.com