基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的臺架監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引言

物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用正在改變?nèi)藗兊纳罘绞?，共享單車、共享汽車等物?lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品已在日常生活中普及。未來，無人駕駛、智慧交通等的大力發(fā)展也離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

高等院校作為新技術(shù)應(yīng)用的前沿陣地之一，物聯(lián)網(wǎng)的理念己融入校園的信息化建設(shè)之中。高校實驗室已有大量研究投入到“物聯(lián)網(wǎng)+ 智慧”實驗室建設(shè)中[1]。西安電子科技大學(xué)為全校師生提供了一個集信息整合、采集、傳輸、發(fā)布于一體的綜合信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)了教學(xué)過程的全面信息化，提高了教學(xué)管理水平和教學(xué)效率[2]。杭州電子科技大學(xué)的林魯春以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)背景，針對實驗室存在的問題，以物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層為設(shè)計結(jié)構(gòu)，制定了系統(tǒng)方案并搭建了智慧實驗室系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)[3]。

汽車檢測試驗室在此領(lǐng)域研究較為滯后，物聯(lián)網(wǎng)+ 試驗室模式尚屬起步階段。以臺架試驗室為例，試驗涉及設(shè)備眾多，且包含大量老舊儀器設(shè)備。因此實現(xiàn)試驗室內(nèi)設(shè)備互聯(lián)互通以及臺架試驗的實時有效管控，需進(jìn)行合理布局和精心設(shè)計[4]。本文按照圖1 所示的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模式提出了傳統(tǒng)臺架試驗室搭建智能監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)方案，利用該系統(tǒng)降低試驗出錯概率，提高試驗運(yùn)行效率，并減少試驗值守人員數(shù)量[5]。

設(shè)備信息采集

臺架試驗室需進(jìn)行信息采集及遠(yuǎn)程控制的設(shè)備主要分為兩大類，一類為單臺架獨立使用設(shè)備，如：排氣背壓閥、進(jìn)氣壓力閥、進(jìn)氣空調(diào)、全室空調(diào)、風(fēng)機(jī)等；另一類為多臺架共同使用設(shè)備，如：冷卻水設(shè)備、冷凍水設(shè)備、供油裝置、壓縮空氣裝置、控制間空調(diào)等。

圖1 臺架監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

單臺架獨立使用設(shè)備

單臺架獨立使用設(shè)備特指某臺架獨享設(shè)備，采用就近臺架集成方式，便于使用與管理。試驗室所有臺架均預(yù)留了擴(kuò)展I/O 口，方便與小型儀器設(shè)備進(jìn)行模擬量/ 數(shù)字量信息交互。試驗室使用臺架主要品牌為HORIBA 與AVL，兩種臺架與設(shè)備通信的方式類似。

HORIBA 臺架通過LAM002 模塊進(jìn)行模擬量采集，通過臺架擴(kuò)展I/O 模塊進(jìn)行模擬量輸出控制和數(shù)字量輸出設(shè)置。

AVL 臺架利用F-FEM-AIS 模塊進(jìn)行模擬量信號采集，利用F-FEM-DAC 模塊實現(xiàn)模擬量信號輸出，利用F-FEM- DIO 模塊實現(xiàn)數(shù)字量輸出，進(jìn)而控制設(shè)備的開和關(guān)。

多臺架共同使用設(shè)備

多臺架共同使用設(shè)備涉及冷卻水設(shè)備、冷凍水設(shè)備、供油裝置、壓縮空氣裝置、控制間空調(diào)、控制間換氣設(shè)備等。上述設(shè)備具有位置分散、距離較遠(yuǎn)、所有臺架共同使用等特點，不便集成至某一臺架監(jiān)控，根據(jù)設(shè)備分布位置，設(shè)置了3 個數(shù)據(jù)采集點，利用數(shù)采模塊分別采集附近設(shè)備信息。3 個數(shù)據(jù)采集點的數(shù)采設(shè)備均使用NI cDAQ-9185 模塊。

采集點1 的數(shù)采模塊配備了NI9203 板卡，用于采集3 個油壓傳感器信號、壓縮空氣壓力和壓縮空氣濕度傳感器信號。

采集點2的數(shù)采模塊配備了NI9203和NI9219 兩塊板卡，NI9203用于采集冷卻水壓力和液位傳感器信號；NI9219 萬能型板卡用于采集冷卻水出水溫度傳感器信號。

采集點3的數(shù)采模塊配備了數(shù)字量輸出NI9472板卡，該板卡通過控制24V繼電器的通斷，進(jìn)一步控制冷凍水水冷機(jī)組水泵、控制間空調(diào)室外機(jī)水泵和控制間換氣設(shè)備的開與關(guān)。

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸

采集的設(shè)備信息，各臺架的試驗數(shù)據(jù)，以及視頻監(jiān)控信息，均需安全可靠地傳輸至主控系統(tǒng)。

通過開通各臺架的數(shù)據(jù)外傳與接收端口，利用串口或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將臺架與主控系統(tǒng)建立聯(lián)系，實現(xiàn)對所有臺架數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)控與管理。根據(jù)監(jiān)控預(yù)期效果和臺架當(dāng)前預(yù)留端口等條件，HOROBA臺架和水冷機(jī)組供應(yīng)商選擇Modbus-RTU 通信協(xié)議，AVL臺架供應(yīng)商使用UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，兩種通信協(xié)議均能夠?qū)崿F(xiàn)臺架與主控系統(tǒng)實時、穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)采模擬與視頻監(jiān)控采用常用的TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。臺架監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備組網(wǎng)布局如圖2 所示。

圖2 臺架監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備組網(wǎng)布局

ModbusRTU通信設(shè)備

HORIBA 臺架和水冷機(jī)組均選用Modbus RTU 通信方式。Modbus RTU 采用二進(jìn)制方式表示數(shù)據(jù)，具有傳輸效率高、傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點。HORIBA 臺架利用Test Schedule 模塊編寫腳本程序，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。水冷機(jī)組控制器為西門子S7-200 SN 型PLC，在原PLC 程序中添加Modbus RTU 通信模塊，選用RS 485 通信方式，可滿足長距離通信要求。

將3 個HORIBA 臺架和2 臺水冷設(shè)備設(shè)置為從機(jī)工作模

式，主控電腦設(shè)置為主機(jī)模式，從機(jī)按要求將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。主機(jī)利用OPC Sever 接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建與從機(jī)一一對應(yīng)的變量。LabVIEW 利用DataSocket進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，選擇OPC Sever 中變量對應(yīng)的URL 路徑即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取或發(fā)送。

TCP/IP通信設(shè)備

AVL 臺架、視頻監(jiān)控和數(shù)采模塊均采用了TCP/IP 傳輸協(xié)議，TCP/IP 傳輸協(xié)議具備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸及時和完整等特點。

AVL 臺架通過實時性和工作效率較好的UDP 協(xié)議，實現(xiàn)了AVL 臺架與主控系統(tǒng)的快速通信。AVL 臺架使用SCR 模塊編寫數(shù)據(jù)發(fā)送代碼，再利用TCC 模塊以一定頻率循環(huán)執(zhí)行SCR 模塊中的腳本。本監(jiān)控系統(tǒng)軟件LabVIEW 中自帶UDP 協(xié)議信息獲取模塊，在該模塊輸入端設(shè)置與臺架對應(yīng)的端口號，其輸出端將以一定的頻率輸出字符串格式的信息。

試驗室視頻監(jiān)控設(shè)備為?？低暰W(wǎng)絡(luò)攝像頭，視頻信號可使用TCP 協(xié)議輸出，將所有攝像頭IP 地址設(shè)置在同一網(wǎng)段，隨后利用交換機(jī)連接至主控系統(tǒng)。?？低暈榉奖汩_發(fā)者處理視頻信號，提供了SDK 開發(fā)包，該開發(fā)包包含了大量的案例以及程序庫文件，LabVIEW 通過調(diào)用DLL 庫文件中的DET_DVR_Login 和DET_DVR_RealPlay_ V40 函數(shù)，即可實現(xiàn)攝像頭圖像的實時預(yù)覽。

多臺架共同使用設(shè)備選用的信號采集模塊為NI cDAQ- 9185，該模塊與主控系統(tǒng)通過TCP 網(wǎng)絡(luò)通信。NI cDAQ-9185 與程序編寫軟件LabVIEW 均屬于NI 公司設(shè)計的產(chǎn)品，NI 提供了一個NI MAX 配置管理軟件，可檢查識別NI 數(shù)采模塊，快速便捷的將采集的數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW 中。

監(jiān)控應(yīng)用交互

在網(wǎng)絡(luò)層中，利用不同的協(xié)議實現(xiàn)設(shè)備與主控系統(tǒng)的通信，包含HORIBA 臺架、AVL 臺架、水冷機(jī)組、視頻監(jiān)控和數(shù)采模塊。利用編程效率極高的LabVIEW 軟件編寫臺架試驗監(jiān)控界面，實時監(jiān)控試驗運(yùn)行狀態(tài)，保證試驗高效進(jìn)行[6]。

為保證對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范劃分、合理顯示及高效操作，將監(jiān)控界面分為臺架數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控、外圍輔助設(shè)備監(jiān)控和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，監(jiān)控平臺主界面如圖3 所示。

圖3 試驗室監(jiān)控平臺主界面

臺架數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控

臺架試驗監(jiān)控系統(tǒng)將試驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)和樣件運(yùn)行狀態(tài)作為監(jiān)控重點。試驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控采用曲線與圖表顯示相結(jié)合的方式，曲線顯示可選取4 個變量，具有靈活選取變量、手動調(diào)節(jié)縱坐標(biāo)、更改曲線顏色等功能。圖表顯示的內(nèi)容包含數(shù)據(jù)名稱、上限報錯限值、上限報警限值、實時值、下限報警限值、下限報錯限值和單位。圖表具備自由選擇監(jiān)控數(shù)據(jù)、在線更改上下限值、實時值背景根據(jù)限值變色和發(fā)聲提醒等功能。

視頻畫面可實時監(jiān)測樣件狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)漏水、漏油或著火等異常狀況時，利用視覺主動識別技術(shù)監(jiān)控試驗異常狀態(tài)，并報警通知值守人員，使得監(jiān)控系統(tǒng)更加智能高效。

監(jiān)控系統(tǒng)主界面中放置了2 個臺架的監(jiān)控信息，若需同時監(jiān)控更多臺架試驗，可通過分屏的方式顯示其他臺架的監(jiān)控信息。圖4 所示為單臺架監(jiān)控界面。

圖4 單臺架數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控界面

外圍輔助設(shè)備監(jiān)控

外圍輔助設(shè)備為所有臺架共同使用，公用設(shè)備適合集中監(jiān)控。外圍輔助設(shè)備包括冷凍水設(shè)備、冷卻水設(shè)備、供油裝置、壓縮空氣裝置、控制間空調(diào)、控制間換氣設(shè)備和氣瓶間裝置。設(shè)備左上角名稱的背景色將隨設(shè)備狀態(tài)不同而變化，設(shè)備未開啟時，背景顏色為暗綠；正常運(yùn)行時，背景顏色為亮綠；報警時，背景顏色為黃色并閃爍；報錯時，背景顏色為紅色并閃爍。設(shè)備的數(shù)據(jù)由PLC 或數(shù)采模塊采集，數(shù)據(jù)正常時，使用黑色字體顯示，數(shù)值超過報警限值時，使用黃色字體顯示，數(shù)值超過報錯限值時，使用紅色字體顯示。同時，數(shù)值超出報警或報錯限值時，將發(fā)出聲音報警。

外圍輔助設(shè)備的開關(guān)變量隱藏在“控制”按鍵下方，點擊“控制”按鍵，彈出操作對話框，其中包含2 臺水冷機(jī)組的啟動、停止、故障復(fù)位、水溫設(shè)置、新風(fēng)換氣開關(guān)、冷凍水泵、空調(diào)水冷等控制變量，所有控制變量集中此對話框放置，既方便管理，又節(jié)省主界面空間，精簡了監(jiān)控系統(tǒng)主界面。外圍輔助設(shè)備監(jiān)控界面如圖5 所示。

3.3 故障信息監(jiān)管

設(shè)備故障信息的監(jiān)控分為2 部分，分別是設(shè)備工作狀態(tài)和設(shè)備報警/ 報錯信息。設(shè)備工作狀態(tài)采用設(shè)備名稱列表加背景顏色變化的方式顯示，設(shè)備開啟與否、正常運(yùn)行或報警/報錯與否，背景將通過顯示不同的顏色進(jìn)行提醒。當(dāng)設(shè)備開啟且發(fā)生報警或報錯時，時間、設(shè)備以及報警或報錯信息將顯示在設(shè)備報警/ 報錯信息表中，同時發(fā)出報警聲音提醒使用者。

圖5 外圍輔助設(shè)備監(jiān)控界面

通過顏色變化的視覺提醒，報警聲音的聽覺提醒以及詳細(xì)的報警/ 報錯信息，能夠輔助試驗值守人員第一時間發(fā)現(xiàn)異常狀況，并及時處置，避免造成試驗失敗或設(shè)備損壞等事故。故障信息監(jiān)控界面如圖6 所示。

圖6 故障信息監(jiān)控界面

結(jié)語

文中利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了一個臺架試驗監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了“物聯(lián)網(wǎng)+ 試驗室”的融合。首先，通過單臺架獨立使用設(shè)備就近臺架集成，多臺架共同使用設(shè)備設(shè)置3 處采集點集中采集，完成感知層信息采集。其次，利用Modbus RTU、UDP、TCP 等協(xié)議，實現(xiàn)臺架、PLC、視頻監(jiān)控和數(shù)采模塊的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸。最后，對于應(yīng)用層，使用高效的編程軟件LabVIEW 編程搭建包含臺架數(shù)據(jù)與視頻、外圍輔助設(shè)備和故障信息的試驗室全方位監(jiān)控系統(tǒng)。

該監(jiān)控系統(tǒng)已能夠輔助試驗高效運(yùn)行，與臺架監(jiān)控形成雙重保護(hù)，并減少試驗值守人員。同時，初步利用視頻監(jiān)控圖像和視覺識別技術(shù)，智能識別試驗異常狀況，為臺架試驗順利安全進(jìn)行保駕護(hù)航，也為將來試驗室少人值守，甚至無人值守做好技術(shù)鋪墊。

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