基于rs-45的新型仿真仪表的设计

基于rs-45的新型仿真仪表的设计

1模拟仪表的数字信号和工控机的通讯随着计算机技术和自动化技术的发展，模拟培训技术得到了迅速发展和广泛应用。针对很多企业目前的操作界面还是使用仪表盘,因而产生了采用通用型仪表盘式仿真训练系统。早期的仪表盘式仿真系统多采用STBBUS工业控制机、指针式模拟仪表构成。工业控制计算机将计算机传递来的数字信号转换为相应的电压信号并送至各个模拟仪表或开关量输出装置上,完成系统的数据采集、处理,即模拟量转换为数字量(A/D),数字量转换为模拟量(D/A),开关量的输入(D/I)、输出(D/O)工作并与上位机通讯。随着通讯技术和其它相关技术的应用,上述的系统构造方式产生了越来越多的问题:●危险集中:仪表盘的工作完全依赖于工控机,一旦发生问题,系统将不能工作;●维护困难:由于系统是一个数字信号和模拟信号混合的系统,维护工作不易开展;●接线复杂:由于所有的模拟仪表都由若干的信号和工控机连接,在机柜内通常有几百根连线;●精度差:由于采用指针式仪表,表针的摆动通过机械装置实现,调整困难且精度低;●通讯:采用RS-232通讯接口,传输距离很短,且抗干扰性差,通讯不可靠;为了满足仿真培训系统的需要,我们开发了基于RS-485的仪表盘式仿真培训系统,有效地克服上述各种问题,取得了很好的效果。2基于斯-485的硬盘2.1硬件基础相结合本仿真系统为天津某职工大学设计,考虑到学校的应用特点,在仪表盘的设计过程中考虑到以下几个方面的问题:●通用性硬件系统应能作为石油化工仿真器通用硬件基础,既能满足单元操作培训又能满足全工艺流程的培训,同时还能满足石化各种工业装置的仿真培训要求。●扩展性系统的软件和硬件都应该采用模块化结构,这样可以方便地定制系统的规模,以满足不同规模流程模拟的需要。●相似性硬件系统中的仿真表盘在结构、尺寸、仪表布局和主要控制表的操作功能等方面应与企业控制室表盘相似,为创造逼真的仿真培训环境奠定基础。●标准化设计仪表盘的设计应满足有关设计规范,达到提高软件的移植性、互换性和通用性之目的。2.2真仪表操作盘站本系统(见图1)由一台教师指令台计算机和四个仿真仪表操作盘站组成,每个机柜安装两套仪表盘站。教师指令台和每个仿真仪表盘站通过RS-485连接,只用一条2芯电缆就可以连接所有的仿真仪表。3硬盘硬件组成3.1仪表器的布置安装在仪表盘上的仿真仪表,无论其类型、外观、布局和数量等都要求与真实的仪表盘基本一致。在本产品的设计过程中,我们在一个仪表盘站上布置的仪表有:8个报警指示灯,6个指示仪表,8个PID调节器,8个手操器和16个开关。这样的设计比实际的仪表盘容量稍大,可以满足一般的工业流程的需要。3.2仪表显示单元的选择和模拟的系统早期的仪表多为指针式,由于它的指示部分依靠机械结构,因此精度比较低,可靠性差,维修复杂,目前已经使用不多。光针光柱式的指示仪表采用数字显示模式,在工业系统中得到了越来越多的应用。在仿真系统使用的仿真光针光柱式的仪表通常也采用与实际的工业仪表相同的显示单元,其造价高,接口电路复杂。在本项目的研制过程中,我们选用了液晶显示单元仿真光针光柱式仪表,通过软件实现了真实仪表的各种功能。当现场仪表的形式发生变化后,重新设计新的显示单元软件,就可以实现对另外一种类型仪表的模拟。每个仿真仪表都是一个独立的单片机系统,采用的MCU为AT89C51单片机,RS-485通信收发芯片为SN75176B,为了提高系统的抗干扰能力,对系统通信子系统进行了光电隔离。系统的原理图如图2所示。3.3仿真系统的设计为了操作的方便,选择了带指示灯的按键开关。这种开关有两种类型:按下锁定和按下后弹起。在仿真系统中,一个重要的功能是从“快门”启动。在这种情况下,每个现场设备都有不同的状态,因此,在选择开关的时候,一定要选择按下后能够弹起的开关,通过指示灯标识开关当前的状态,这样就可以方便地实现“快门”功能。3.4仿真仪表地址开关在每个RS-485通讯端口上可以同时最多挂接32个设备,为了区分每个设备,应该给它们唯一的地址标识。考虑到系统维护的方便,我们给仪表盘上的每个仿真仪表都设计了一个8位的地址开关,通过它来设置每个仿真仪表的地址。实际应用表明,这种设计给系统维护带来了极大的方便。4数据输入教师指令台和仪表盘之间通讯的数据主要有以下几种结构:4.1正常数据教师指令台和仪表盘之间每2秒进行一次正常数据交换,需要传输的数据包括:4.1.1pid设备4.1.1.仪表号、数据引发的教育指令台也待教师指令台发送的PID初始化数据长度为7个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+自动/手动状态(1位)+过程数据(7位)+设定值(8位)+输出值(8位)+CRC校验码(16位)仪表盘将接收到的数据再返回给教师指令台。4.1.1.计算表1图2,即提出“自动”状态数据;自设体线7位、输出值2.在系统正常工作的过程中,教师指令台发送的PID表数据可能会有以下两种形式:●PID工作在“自动”状态数据长度为6个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+自动状态标记(1位,设定为1)+过程数据(7位)+输出值(8位)+CRC校验码(16位)●PID工作在“手动”状态数据长度为5个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+手动状态标记(1位,设定为0)+过程数据(7位)+CRC校验码(16位)仪表盘的回送数据可能会有以下的两种形式:●PID工作在“自动”状态数据长度为5个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+自动状态标记(1位,设定为1)+设定值(7位)CRC校验码(16位)●PID工作在“手动”状态数据长度为5个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+手动状态标记(1位,设定为0)+输出值(7位)+CRC校验码(16位)4.1.2校验码给教师指令台教师指令台发送的显示仪表数据长度为5个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+过程数据(8位)+CRC校验码(16位)仪表盘将接收到的数据回送给教师指令台。4.1.3手练习器同PID表相似,手操器同样存在数据初始化的问题。4.1.3.向教师指令台的内容指令台发送的数据长度为5个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+过程数据(7位)+CRC校验码(16位)仪表盘将接收到的数据回送给教师指令台。4.1.3.仪表号、数据长度、过程数据的计算指令台发送的数据长度为4个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+CRC校验码(16位)仪表盘回送的数据长度为5个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+过程数据(7位)+CRC校验码(16位)4.1.4《确定》第2句:灭灯。实行每个报警指示灯单元有8个报警指示灯,用两个字节表示每个灯的状态(1:亮灯;0:灭灯)。指令台发送的数据长度为6个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+指示灯状态1～2(16位,每字节的低4位有效)+CRC校验码(16位)仪表盘将接收到的数据回送给教师指令台。4.1.5号8位+数据长度8位+crc校验码开关单元同时检测16个开关的状态,将结果通知教师指令台。指令台发送的数据长度为4个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+CRC校验码(16位)仪表盘回送的数据长度为8个字节,格式为:仪表号(8位)+数据总长度(8位)+开关状态1～4(32位,每字节的低4位有效)+CRC校验码(16位)在4.1.4和4.1.5中,每个有效数据只占用了低4位,主要是考虑防止数据和4.2中所定义的数据发生冲突。4.2其他数据与系统运行相关的其它数据包括:4.2.1要求盘高度控制以保护盘当教师指令台的数学模型停止运行前或指令台关闭前,应该向仪表盘发出关机指令,通知仪表盘关闭所有的显示,并不再接受任何输入。指令台发送的数据长度为2个字节,格式为:0xFFH+0XFFH。4.2.2温度和湿度指示在仿真系统中,“冻结/解冻”是其中的一项重要功能。为了与教师指令台的该功能配合,在仪表盘上也要有同样的功能。4.2.2.1.冻结命令当指令台发出“冻结”指令后,系统处于暂停状态,不接收任何操作。指令台发送的数据长度为2个字节,格式为:0xFEH+0xFEH。4.2.2.2.解冻命令当指令台发出“解冻”指令后,系统恢复正常运行状态。指令台发送的数据长度为2个字节,格式为:0xFDH+0xFDH。4.2.3对于回送数据的错误不论什么原因,教师指令台在发出相关数据后的设定时间内没有接收到相关仪表的回送数据,则认为本次数据传输发生错误,通知所有的仪表丢弃已经接收到的数据,并准备下一次的数据传输。指令台发送的数据长度为2个字节,格式为:0xFCH+0xFCH5波特率和数据格式教师指令台和仪表盘之间通过RS-485接口完成数据交互,波特率设定为9600,数据格式设定为:1个开始位,8个数据位,1个奇偶校验位,1个停止位。5.1通讯部分功能通常情况下,培训系统的教师指令台软件包括的功能很多,在此仅讨论其中通讯部分软件。在该软件的设计过程中,应用到的关键技术包括以下几个方面:5.1.1通讯软件的结构。在一般教师指令台工作在WIN2000操作系统下,通讯软件采用线程结构,建立一个独立的串口通讯线程。当仪表盘发送数据时,该线程将自动接收数据。5.1.2指令台活性根据上述的4.1中的内容可以看出,指令台发出的每个数据帧,仪表盘都应该有回应。因此,当指令台发出数据后,就马上启动定时,可能有如下的两种情况发生:●接收到回送数据关闭定时,发送下一组数据;●定时时间到,没有接收到回送数据关闭定时,发送4.2.3中所述的数据错误代码,发送下一组数据。5.1.3利用windows消息响应机制解决通信难在WIN2000下进行程序设计的一个基本原则就是任何一个任务都不能长时间的独占CPU,以免造成系统的反应变慢。为了解决这个问题,需要充分利用Windows的消息响应机制。在实际的程序设计中,我们在每次通讯过程中只发送一个仪表的数据,待接收到回应信号后,不立即发送另外一组数据,而是发送“发送下一组数据”消息。在系统的消息循环中检查到该消息后,再发送下一组数据。程序如下:定义消息性响应:ONMESSAGE(WMSENDPI,OnSendPI)定义消息响应函数:5.2接收令台的数据由于所有的仿真仪表都挂接在通信线路上,所以无论是指令台发送给仿真仪表的数据还是仿真仪表回送给指令台的数据,所有的仿真仪表都可以接收到。仿真仪表接收完一个完整的数据帧后,首先要判断数据帧是否正确,然后检查地址是否与本机地址相符,如果是则进行相应的数据处理,否则丢弃该组数据。仿真仪表的通讯软件使用了MCU的串行中断,程序相对简单,在此给出该程序的流程图(见图3),其余不再赘述。6硬件设备状态测试模块因为仪表盘中包括大量的硬件设备,因此,在使用前需要对硬件设备的状态进行全