基于組態(tài)軟件的柴油發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：重點(diǎn)說明了力控組態(tài)軟件作為上位機(jī)在柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)柴油機(jī)ECU的CAN總線數(shù)據(jù)傳輸方式及上位機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了理論研究，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。結(jié)合玉柴YC6K系列發(fā)動(dòng)機(jī)，力控組態(tài)軟件，數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)了一個(gè)界面直觀，功能齊全的柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了通過Web平臺(tái)構(gòu)建的使用IE瀏覽器遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：CAN總線； 柴油機(jī)； 力控； 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-2163（2013）02-0092-05

0引言

隨著計(jì)算機(jī)及智能儀表技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)研制獲得了多種工程用途的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，如智能型柴油機(jī)監(jiān)控箱、數(shù)字式柴油機(jī)電子控制器等。但這些控制裝置只能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并未提供必要的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)一種集成遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控的柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)就具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值[1]。

本文介紹了一種內(nèi)驅(qū)為玉柴YC6K系列發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用高速數(shù)據(jù)采集卡，并結(jié)合組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的功能強(qiáng)大系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了具有界面直觀，數(shù)據(jù)庫和報(bào)表齊全、報(bào)警系統(tǒng)完善的優(yōu)點(diǎn)外，更重要的是還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

1.1實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)簡介

本實(shí)驗(yàn)是基于玉柴YC6K系列發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)平臺(tái)而展開和進(jìn)行的。玉柴YC6K系列發(fā)動(dòng)機(jī)是玉柴推出的定位于世界級(jí)水準(zhǔn)的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)采用了高壓共軌+SCR+美國JOCOBS缸內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)，四氣門頂置凸輪軸設(shè)計(jì)，整體式缸蓋，先冷卻缸蓋再冷卻缸體的全新冷卻概念。因而，吸引了學(xué)界各方的廣泛關(guān)注，同時(shí)也贏得高度贊譽(yù)。

玉柴YC6K系列發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)采用博世（Bosch）公司的ECU模塊，這一模塊，也就是柴油機(jī)電控單元的主要任務(wù)是通過壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等多部傳感器來采集柴油機(jī)的各種工作參數(shù)，再根據(jù)這些參數(shù)對(duì)燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行微計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)噴油量、噴油率和噴油壓力隨著柴油機(jī)的工況變化而發(fā)生相應(yīng)改變。圖1為玉柴YC6K系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用的博世（Bosch）公司的電控系統(tǒng)示意圖。

1.2SAE J1939協(xié)議簡介

博世（Bosch）公司的電控系統(tǒng)ECU采用CAN總線通訊方式的J1939協(xié)議。SAE J1939協(xié)議是由美國汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）—卡車和公共汽車電氣電子委員會(huì)下屬的卡車和公共汽車控制和通訊網(wǎng)絡(luò)分委員會(huì)指定的高層CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。該協(xié)議主要用于為重型道路車輛上電子部件間的通訊提供標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)，并通過采用多路復(fù)用技術(shù)為汽車及車載設(shè)備的各傳感器、執(zhí)行器與控制器提供基于CAN總線技術(shù)的、標(biāo)準(zhǔn)化且高速率的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接[2]。

SAE J1939協(xié)議是基于CAN總線技術(shù)的通訊網(wǎng)絡(luò)，主要是在基于CAN2.0B協(xié)議的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)管理層與應(yīng)用層。該協(xié)議的有效目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)開放互聯(lián)的電子通訊系統(tǒng)，即提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架使電控單元（ECU）之間實(shí)現(xiàn)交互式通信。SAE J1939協(xié)議是高速網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，其傳輸波特率可達(dá)250Kbps。通常，在汽車電子系統(tǒng)中ECU一般都是物理分布的，SAE J1939協(xié)議還可以實(shí)現(xiàn)ECU之間的實(shí)時(shí)閉路控制功能。SAE J1939協(xié)議的參考模型如圖2所示。

第2期高慶文：基于組態(tài)軟件的柴油發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用第3卷 SAE J1939協(xié)議包括多個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，這些協(xié)議分別是[3]：

（1） SAE J1939-11—物理層，250Kbps/s，傳輸介質(zhì)為帶屏蔽層的雙絞線。

（2） SAE J1939-13—物理層，場(chǎng)外診斷連接器。

（3） SAE J1939-21—數(shù)據(jù)鏈路層。

（4） SAE J1939-31—網(wǎng)絡(luò)層。

（5） SAE J1939-71—車輛應(yīng)用層。該層提供大部分消息和數(shù)據(jù)元件的定義。

（6） SAE J1939-73—應(yīng)用診斷層。

（7） SAE J1939-81—網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。

2整體監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括四部分：數(shù)據(jù)采集部分、現(xiàn)場(chǎng)視頻采集部分、上位機(jī)監(jiān)控部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。系統(tǒng)原理則如圖3所示。圖3 柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

2.2數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分主要包括數(shù)據(jù)采集卡與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的數(shù)據(jù)連接與傳輸、現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器與數(shù)據(jù)采集卡的連接以及數(shù)據(jù)采集卡與PC機(jī)的連接。文中，數(shù)據(jù)采集卡選用中泰研創(chuàng)的USB7660系列數(shù)據(jù)采集卡。該款采集卡除了提供即插即用的USB數(shù)據(jù)采集模塊，也整合了RS232/485通訊方式的數(shù)據(jù)采集模塊。同時(shí)，還配備了48路單端模擬輸入和24路差分模擬輸入、4路模擬輸出、3路計(jì)數(shù)器、16路數(shù)字量輸入以及16路數(shù)字量輸出。

玉柴6K發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU模塊采用CAN總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且預(yù)留CAN總線傳輸方式的外接數(shù)據(jù)端口。而且，數(shù)據(jù)采集卡使用的是RS232/485的通訊方式，因此，還需利用CAN轉(zhuǎn)RS232/485的裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換。

文中，選用CAN RS232/485智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，全部過程采用了“透明轉(zhuǎn)換”方式。這種方式就是，轉(zhuǎn)換器只是將總線數(shù)據(jù)從一種格式原樣轉(zhuǎn)換成另一種總線的數(shù)據(jù)格式，轉(zhuǎn)換過程并不附加數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)也不做任何修改。這樣既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式的交換，又沒有改變數(shù)據(jù)內(nèi)容，對(duì)于兩端的總線來說，轉(zhuǎn)換器即如同透明一樣。透明轉(zhuǎn)換不會(huì)增加用戶通訊負(fù)擔(dān)，又能將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)原樣轉(zhuǎn)換，能承擔(dān)較大流量的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于CAN總線的報(bào)文，也是即時(shí)收到、即刻就予以轉(zhuǎn)發(fā)。相應(yīng)數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

protocol conversion由圖4可知，進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，CAN報(bào)文數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)將全部依序轉(zhuǎn)換到串行幀中。配置時(shí)，若將“幀信息轉(zhuǎn)換使能”項(xiàng)選擇了“轉(zhuǎn)換”，轉(zhuǎn)換器會(huì)將CAN報(bào)文的“幀信息”字節(jié)直接填充至串行幀。若將“幀ID轉(zhuǎn)換使能”項(xiàng)選擇了“轉(zhuǎn)換”，則CAN報(bào)文的“幀ID”字節(jié)也將全部填充至串口幀[4]。

傳感器部分主要包括壓力和溫度傳感器，輸出均是DC 0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可以直接連接數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端子。

2.3上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中，采用力控組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的系統(tǒng)監(jiān)控。力控工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件是北京三維力控科技有限公司根據(jù)當(dāng)前的自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)多年的自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)改進(jìn)的高端自動(dòng)化軟件產(chǎn)品。

力控組態(tài)軟件與采集控制設(shè)備通信要進(jìn)行I/O設(shè)備組態(tài)，本實(shí)驗(yàn)中力控組態(tài)軟件的I/O設(shè)備主要確定為中泰研創(chuàng)的USB7660數(shù)據(jù)采集卡，力控組態(tài)軟件與I/O設(shè)備之間經(jīng)常通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換：串口通信方式（RS232/485）、板卡方式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（支持TCP/IP協(xié)議）方式、OPC方式以及網(wǎng)橋方式等。力控可以與多種類型控制設(shè)備進(jìn)行通信，力控的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序支持容錯(cuò)、離線、在線診斷功能，支持故障自動(dòng)恢復(fù)、模塊組態(tài)功能。I/O設(shè)備完成組態(tài)后，便可以進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)。

2.3.1系統(tǒng)主界面

文中，根據(jù)發(fā)電機(jī)組和發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)，及控制系統(tǒng)的要求來對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)界面進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效果力求簡潔明了、控制操作方便，并需提供主要的報(bào)警提示等現(xiàn)實(shí)功能。系統(tǒng)部分主界面如圖5、圖6所示。

.3.2數(shù)據(jù)庫建立

建立數(shù)據(jù)庫、并制作數(shù)據(jù)庫報(bào)表，主要用于記錄監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的變化，將其保存在數(shù)據(jù)庫中。除此之外，還提供了歷史數(shù)據(jù)庫查詢、報(bào)表打印、外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入及內(nèi)部數(shù)據(jù)導(dǎo)出等各項(xiàng)實(shí)用性功能。此處，僅將數(shù)據(jù)查詢和打印功能界面做以代表性呈現(xiàn)，詳情如圖7所示。

3.3動(dòng)態(tài)連接

動(dòng)態(tài)連接是指將畫面中的圖像對(duì)象與變量或表達(dá)式之間建立一種映射關(guān)系。動(dòng)態(tài)連接后，在監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中，就將根據(jù)變量或者表達(dá)式的數(shù)值變化而對(duì)圖形對(duì)象的顏色、大小等外觀表象實(shí)施動(dòng)態(tài)刷新，從而借助監(jiān)控畫面的動(dòng)態(tài)更新，增強(qiáng)了監(jiān)控的實(shí)際效果。

2.4視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控使得實(shí)驗(yàn)人員在控制室就可以看到現(xiàn)場(chǎng)的人員及設(shè)備狀況，有利于更好地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)情的處理。本文的視頻監(jiān)控采用數(shù)字?jǐn)z像頭與力控組態(tài)軟件相結(jié)合的科學(xué)設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)各種情形，同時(shí)還可以進(jìn)行視頻捕捉和錄像，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況的有力監(jiān)控。

2.5遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中，采用了IE瀏覽器，將其作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的瘦客戶端（B/S）來進(jìn)行遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。其他用戶可以借助各自IE瀏覽器遠(yuǎn)程訪問力控的工程畫面，其效果與在力控運(yùn)行系統(tǒng)“視圖觀看”中直觀得到的工程畫面完全相同，而且客戶端不需安裝任何其他軟件，只是使用瀏覽器即可。 實(shí)驗(yàn)中主要采用單機(jī)發(fā)布，單機(jī)發(fā)布就是指一臺(tái)服務(wù)器既發(fā)布畫面又發(fā)布數(shù)據(jù)庫。力控的Web發(fā)布服務(wù)器既可以針對(duì)外部Internet網(wǎng)，也可以只提供給局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行訪問。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如8圖所示。

實(shí)驗(yàn)中，還需在Internet廣域網(wǎng)上來觀察實(shí)驗(yàn)的控制系統(tǒng)狀況，這就需要把組態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫發(fā)布到廣域網(wǎng)中。本實(shí)驗(yàn)的工作站只是局域網(wǎng)中的一臺(tái)機(jī)器，無法在廣域網(wǎng)中獲得直接訪問，因而對(duì)上網(wǎng)服務(wù)器采用端口映射方式來保證外網(wǎng)機(jī)器能夠直接訪問工作站的數(shù)據(jù)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖9所示。

在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，對(duì)IP地址為10.4.17.52的機(jī)器映射得到三個(gè)端口，分別為：9000，2006，2007。其中，9000為4WebServer程序使用的端口，2006和2007則均為NetServer使用的端口。這樣，從外網(wǎng)發(fā)起訪問進(jìn)來的這三個(gè)端口的數(shù)據(jù)包就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到10.4.17.52的機(jī)器上，外網(wǎng)就可以看到10.4.17.52的機(jī)器上發(fā)布的所有數(shù)據(jù)信息，由此而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3結(jié)束語

本文基于玉柴YC6K系列柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，使用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)采用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)完成了監(jiān)控界面、報(bào)表數(shù)據(jù)庫、報(bào)警記錄、視頻監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上又實(shí)現(xiàn)了利用IE瀏覽器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在玉柴聯(lián)合動(dòng)力股份有限公司進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)，取得良好效果，該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，并可以視頻監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)地的狀況。同時(shí)，該系統(tǒng)預(yù)留了一部分端口，利于系統(tǒng)日后擴(kuò)展。

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