基于iFIX和CAN总线分布式塔吊监测系统设计

邵国平，曹珊珊，王 刚，乔 爽，于浩洋，秦 杰

（黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050）

随着我国城镇化的不断发展，建筑行业长盛不衰，塔吊作为建筑业的重要工具在建筑业中起着至关重要的作用，因此，如何实现塔吊的安全生产、安全控制就变得尤为重要。本文介绍一种由iFIX组态软件开发的城市塔吊数据采集与监测系统，系统主要由现场智能传感器节点、CAN总线与串口转换器、SCADA服务器三部分组成。针对如何通过iFIX组态监控软件和CAN总线实现对塔吊的姿态数据进行采集的过程，实现了上位机iFIX组态软件对塔吊的实时运行状态监测以及塔吊工作循环记录等功能的设计。

1 塔吊数据采集与监测平台总体结构

本系统采用Freescale公司的MC9SI2DT512作为通用串口与CAN总线接口转换器的MCU，MC9SI2DT512是Freescale公司MC9S12系列中的一款高性能16位微控制器，有五路CAN控制器，符合CAN规范CAN2.0A／B，总线数据波特率可达1Mb／S。此外，还配以通用串口接收模块、CAN总线收发模块以及电源模块、复位模块和晶振模块等。iFIX组态监控平台通过RS232发送信息，然后通过转换器转换成CAN总线标准报文向CAN总线发送信息；而转换器接收CAN总线上的塔吊运行信息，将它转换后通过串口发送给iFIX组态监控系统。主控MCU上运行通信监测程序，监控串行接口和CAN总线状态变化，实现iFIX组态监控系统和CAN总线之间的可靠通信。系统中CAN总线接口电路由CAN总线收发器PCA82C250来实现，通用串口RS232通信由串口收发器ICL3232来实现。图1所示为通用串口与CAN总线接口转换器系统结构。

图1 基于iFIX的塔吊数据采集与监测系统结构

2 通用串口与CAN总线通信系统设计与实现

采用微处理器设计一独立接口板，该板接口实现了CAN总线接口与微处理器的通用串口相连，进而实现iFIX组态监控系统对CAN总线的数据收发功能。MC9S12DT512是一块资源丰富的高性能MCU内部集成CAN控制器，支持CAN2.0B规范，同时有多达6路串行通信接口，为通用串口到CAN总线接口转换的硬件设计提供了简单易行的方案。

2.1 总线收发器与微处理器 MC9S12DT512的连接

由于设计用的嵌入式微处理器MC9S12DT512集成了CAN总线控制器，所以硬件实现相对来说较为简单，主要包括两块：串口收发器ICL3232与MC9S12DT512的硬件连接，如图2所示；以及CAN总线收发器PCA82C250与MC9S12DT512的硬件连接，如图3所示。其中Tx D0，Rx D0为MC9S12DT512串口数据发送／接收管脚，Tx－CAN0、Rx CAN0为 MC9S12DT512CAN 总线 发送／接收管脚线，它们均为管脚复用。COM为标准RS232串行接口，通过串行线与PC机串口进行连接，CAN PORT作为CAN总线接口接入点。CANH与CANL之间有一个120Ω的电阻，这个电阻对于总线阻抗的匹配起着相当大的作用，去掉它会使数据通信的抗干扰性以及可靠性大大降低。

2.2 CAN总线通信软件设计与实现

图2 串口收发器ICL3232和MC9S12DT512的连接

图3 CAN总线收发器和MC9S12DT512的连接

CAN总线报文有两种不同的帧格式，不同之处在于标识符的长度，含有11位标识符的帧结构称为标准帧，而含有29位标识符的帧称为扩展帧。CAN总线数据帧由7个不同位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结束。基于MC9S12DT512的串口和CAN总线接口转换的程序实现，包括串口和CAN控制器模块初始化、串口收CAN口发数据处理及CAN口收串口发数据处理3个基本模块和对应的功能子程序。图4所示为串口与CAN总线接口转换程序结构图。

图4 串口与CAN总线接口转换程序结构

3 基于iFIX的监控系统设计

为了能对塔吊工作现场进行监视控制，选择iF－IX作为系统的组态软件，并画出其主要的监控系统图，共分为用户管理模块、塔吊虚拟运动模型及运行状态实时显示模块、工作记录及报警记录模块和运行策略模块等部分。通过计算机串口与CAN总线转换器与现场CAN总线各个传感器节点进行正确连接，采集上来的信号就可以在图形上通过动态图直观的反应出来。同时，iFIX监控系统在当塔吊现场发生警报事件时，通过与服务器串口上连接的GSM模块发送报警短信至预先设定的相关责任人手机号码中，实现了实时短消息报警。

3.1 上位机iFIX监控系统与主控单片机的通信

上位机iFIX与主控单片机之间通过串口进行数据通信。iFIX开发环境中插入2个OLE对象，MSComm控件和定时器Timer控件。编写VBA脚本语句对固定字符长度的串行数据帧进行数据处理，分解变量并赋值给iFIX用户自定义的全局变量。设计过程中通过MSComm串口通信控件来控制iFIX监控系统与主控单片机的串行口通信。MSComm控件是根据VBX的外部标准，为 Microsoft公司编写的用于 Windows95／98的32位串口通信控件。MSComm控件的初始化代码如下：

根据高精度数据采集的要求，塔吊的状态数据通过定时方式自动上传21个字节数据帧，其中头两个为引导识别码，其余3～18个字节为塔吊的幅度、高度、转角和吊重的数值，末尾3个字节为终止符。通信的RS232数据帧格式如图5所示。

图5 通信协议字符串结构

MSComm控件通信方法代码如下。

‘分解变量rstate，得到幅度fd1、角度jd1、吊高gd1和吊重dz1等变量数值

3.2 iFIX监测中心系统设计

3.2.1 塔吊实时监控画面

根据塔式起重机的运行情况，设计了塔吊虚拟运动模型的组态界面，用于查看塔机的实时运行状况，并以动态的形式显示出来。塔吊实时监控画面如图6所示。系统运行后，通过定时器控件对塔吊现场数据进行实时采集，更新用户自定义的全局变量数值。在监控画面中塔吊动态模拟图形会根据变量的数据的变化而运动，更加直观、准确的显示塔吊运行的幅度和高度数据。同时监控组态软件也会以文本形式实时显示塔吊小车的幅度、吊钩的高度、塔臂转角和重物质量等工作参数，使塔吊司机能直观地了解塔吊工作状态，作出正确操作，避免误操作和超载。在塔吊运行过程中，系统不断将实时数据与极限行程数据进行比较，当达到极限行程数据时，系统即发出报警信号，并停止塔吊继续运行，有效的预防误操作、违规操作以及超载等原因引起的安全事故，大大提高了塔吊的安全系数。在画面中添加多个按钮，使用打开画面专家实现切换用户、工作记录和报警记录界面和运行策略界面的切换。

3.2.2 塔机工作循环记录

图6 塔吊实时监控画面

塔机工作循环记录实现方法是在组态软件中建立事件调度，以1s为采样周期监测塔吊的运行状况，在塔机起重每次吊运工作开始时刻和结束的时刻分别判断吊重增量的变化方向和阀值，适时启动塔吊工作循环记录任务程序。每次的吊运工作开始时，在iFIX中通过VBA编程方法和ADO访问数据库方式，将塔机每次吊运工作循环的开始时间和此刻工作状态（包括幅度、高度、角度和吊重等数据）写入到Access数据库中，形成塔吊吊运开始数据记录。在塔吊每次吊运工作循环结束时，向Access数据库中写入对应的结束时间和工作状态等数据，即为塔吊吊运结束数据记录。最后通过Access数据库中的宏命令，将塔吊开始记录和结束记录合并成一个塔吊工作循环记录数据库，它记录了塔吊每次有效作业的上报数据记录，实现了将工作循环记录永久存储。一个工作循环记录数据库至少可以存储最近的几万条工作循环存储记录，供安全站等用户历史查询。在工作记录画面中插入OLE对象，选择 Microsoft Date and Time Picker Control，在画面上复制两个选择时间的控件。右键Visicon X数据控件选择动画，在高级动画配置里选择Query标签，将QP1和QP2的数据源设置为画面中的两个时间控件，数据转换为对象，完成了时间控件与Visicon X数据控件的关系连接。在工具箱中点击Visicon X网格控件，右键Visicon X网格控件选择动画，在高级动画配置里的行为标签下勾选ADORecords，数据源选择工作记录.vx Data1.ADORecords即Visicon X数据控件，数据转换选为对象。运行工作记录界面，在时间控件中选择时间段，Visicon X数据控件从Access数据库中调取数据并通过Visicon X网格控件显示出来。在图中添加打印报表功能选项和切换塔吊监控画面、运行策略画面和报警记录界面等按钮功能。塔吊实时监控画面如图7所示。

图7 塔吊工作循环记录查询界面

4 结束语

基于iFIX和CAN总线分布式塔吊监控系统经过设计和试运行，实现了最初的设计功能需求，达到了应用标准。通过iFIX组态监控软件能够实时显示塔吊现场参数和工作信息，使塔吊的运行状态直观而可靠。采用Access数据库完成了工作循环记录的存储，实现了工作数据永久保存，为事故调查提供依据。基于iFIX的塔吊监控系统将随着设计的进一步展开而更加完善，更加提高塔吊的运行监管效率，从而保障建筑工地的人员和财产的安全。

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