基于Labveiw的试验设备集中监控系统设计

黄 伟，陈臻科

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

基于Labveiw的试验设备集中监控系统设计

黄 伟，陈臻科

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

中央集中监控系统对于中大型试验场地或试验中心的统一管理、及时响应紧急状况、减少工作强度及人员具有现实而重要的意义。基于LabView的试验设备的集中监控系统，通过对不同试验设备的适应性改造，以上位机为控制核心。通过以太网主干网络，构成环形以太网，其主要功能为采集试验设备的温度或湿度信号。

试验；LabView；集中监控

概述

长期以来，大型试验中心存在试验设备种类繁多、功能不一、设备供应商多及设备技术构成现代化程度差别大的现象，这种情况，一方面对于操作人员或值班人员而言，劳动强度较大，需要的人员也较多；另一方面对于一些落后设备，不能及时发现故障，从而导致试验中出现故障或严重时造成被试设备损坏。为解决大型试验中心存在的这种问题，需研制出一套集中监控系统，实现对各种实验设备的温度、湿度信号的采集，同时具有对温度超限报警、数据记录、曲线显示及报表打印等功能，亦可减少值班人员。

本文给出了基于LabView的试验设备集中监控系统的详细设计方案。LabView是美国NI公司实现虚拟仪器技术的图形化的计算机语言语言，基于通用计算机等标准软硬件资源平台可实现构建灵活、层次体系明晰、功能强大，因此在国内外许多监控系统中被广泛采用。本文介绍了该系统的方案设计，包括集中监控方案、各类设备控制系统的改造设计及上位机监控技术方案。

1 系统设计

1.1 系统主要功能

集中监控系统主要采集试验设备的温度或湿度信号，通过网络传送到中央控制室监控计算机实现集中监控。集中监控系统主要功能：

1）实时监测所有试验设备的温度及湿度；

2）具有温度超限报警功能；

3）数据记录、曲线显示、报表打印等功能；

4）集成视频监控功能。

1.2 系统方案设计

1.2.1 软件架构

集中监控系统软件以Labview架构核心，通过硬件建立通信信道，其组网方式简单，采用以太网环网结构，硬件数量少，成本较低，通用性强。

由于各个试验设备接口不一，对于具有通信接口并且通信协议已知的试验设备，可通过串口服务器接入主干网络。对于通信协议未知的设备，需要设备厂商将其通信协议转换为标准Modbus RTU协议，通过串口服务器接入主干网络。

集中监控软件界面拓扑结构如图1所示：进入界面包含整个设备的分布图，点击任意设备可以进入该设备的数据监控界面，显示实时数据和曲线。主界面实时显示所有设备的温（湿）度数据，并提示报警信息。曲线界面显示数据曲线如图2所示，可以根据实际需要选择某一设备的数据曲线，查看数据历史曲线，曲线坐标可以任意调整，曲线可以任意放大和缩小。报表界面可根据需要选择温（湿）度数据进行报表显示和存储。

图1 监控软件界面拓扑图

1.2.2 硬件架构

监控系统硬件以上位机为控制核心，其它主要组成有串口服务器、网络交换机、电源适配器、数据采集模块等。集中监控系统主干网络用以太网，由若干台10口百兆工业网络交换机互联构成环形以太网，具有通信故障自愈功能。每个房间安放一个监控柜，用于安放串口服务器、网络交换机、电源适配器、数据采集模块等设备。

无通信接口的老旧设备通过额外加装传感器，再通过数据采集模块经由串口服务器接入主干网络。每台串口服务器具有4个串口，每个串口均具有三种组态，可以连接RS-232、RS-485和RS-422。另外每个房间安装2台IP摄像机进行视频监控，该设备为数字式摄像机，可直接接入主干网络。

对于系统中关键设备需在试验现场进行本地数据存储，配置本地监控计算机直接读取现场试验数据，本地监控计算机通过以太网与监控站进行数据通信。

图2 曲线界面示意图

整个系统预留多个备用通信接口和通信带宽，可方便地进行系统扩展。该网络采用普通以太网方式组网，监控大厅与现场设备距离最远可达100m。若监控大厅距离超过100m，可在网络交换机上加装光纤通信转换模块，通信距离最远可达100km。网络拓扑图如图3所示。

监控大厅中的数据监控站和视频监控站通过以太网通信方式采集现场数据和数字视频信号。数据监控站实现现场设备温度、湿度数据的显示、报警、报表等功能。视频监控站实现现场设备的实时视频监控。当系统产生报警信号时，自动记录报警时间，并自动调出故障设备的监视画面。集中监控大厅的设备布局如图4所示。

2 集中监控系统的实现

现场设备根据通信协议和实际应用需要分为6种类型：①RS-232/RS485通信设备；②模拟量通信设备；③以太网通信设备；④控制系统改造设备；⑤热真空设备；⑥视频监视设备。每种类型设备都有多台。

2.1 RS-232/RS-485通信设备联网

该类型设备具有RS-232通信接口。对于通信协议已知的设备，可以直接连接串口服务器接入主干网络。对于通信协议未知的设备，将设备通信协议转换为Modbus RTU协议，通信接口为RS-485。网络结构如图5所示。

2.2 模拟量通信设备布置（见图6）

在一些试验设备中本身不具有通信接口或无法获取通信协议。对于无法通过与设备直接通信的方式采集数据（即无通讯接口或无通信协议）的试验设备，采用更换或加装双只热电阻PT100的方法进行温度数据采集。双只热电阻具有两路温度检测输出，一路接入现场试验设备，一路接入集中监控系统。对于因设备保修需要不能更换原有线路的设备，额外加装温湿度传感器。

根据试验设备指标要求温度范围为-70℃～+180℃、湿度0%～100%，指标要求每台设备配置合适的温湿度变送器，将现场信号变送成4～20mA信号。再通过模拟量数据采集模块将信号转换为数字量，通过通信方式将数据传送到监控系统。模拟量数据采集模块采用Modbus RTU串口通信协议，接口为RS-485，支持多主站通信。

图3 集中监控方案一网络拓扑图

图4 试验中心集中监控大厅效果图

图5 RS-232/RS-485通信设备联网结构图

由于新安装的检测元件与原检测元件可能存在一定的偏差，根据实际使用效果在上位机软件中进行适当的补偿，以减小测量偏差，提高准确度。

2.3 以太网通信设备入网（见图7）

试验设备中有些具有以太网通信接口，通过网络交换机接入主干网络。

2.4 控制系统改造设备

由于一些试验设备原控制系统过于陈旧，无法在原有系统的基础上实现监控，且无法添加通信模块。控制软件系统版本过低，存在许多不易解决的问题。根据实际应用需要，重新设计一套控制系统，本地采用触摸屏控制，采用监控计算机控制，并将温度湿度信号接入集中监控系统。控制系统改造设备联网结构图如图8所示。

新型控制系统采用以PLC为核心的系统架构，通过以太网通信模块实现多主站通信。根据实际需要，选择是否配置监控站。整套控制系统置于本地控制箱中，放置与试验箱附近。

2.5 热真空设备

热真空设备网络结构为工控机与所有仪表构成串行网络。真空系统控制核心PLC、温度巡检仪、各区域温控仪表之间相互独立，只能实现单一主站的本地控制，无法实现本地和的并行控制。由于仪表使用串口通信，只支持单主站通信方式。PLC为三菱低端控制器，不支持以太网通信方式。无法在原有系统不变的基础上实现监控功能，需对控制系统进行改造升级。改造后控制系统网络结构如图9所示。

改变控制系统网络结构，采用集散控制系统网络结构，以可靠性较高的西门子PLC为控制系统核心，本地采用触摸屏控制，采用普通计算机与PLC以太网通信模块进行通信实现监控。继续使用原系统仪表，使用自由口通信方式采集仪表数据。所有数据既可在本地触摸屏上进行监控，也可在监控站进行监控。由于该控制系统支持多主站以太网通信，可通过交换机接入集中监控网络。

2.6 视频监控系统

根据厂房视频监控的需要布置摄像头，采用高清摄像机构成视频监控系统。每个房间配置2台摄像头，视频信号通过上位机视频监控计算机显示，通过数字硬盘录像机进行视频存储。

图6 模拟量通信设备联网结构图

图7 以太网通信设备联网结构图

图8 控制系统改造设备联网结构图

图9 热真空设备监控网络结构图

2.7 本地数据存储

对于系统关键设备需在试验现场进行本地数据存储，配置本地监控计算机直接读取现场试验数据，本地监控计算机通过以太网与监控站进行数据通信。

本地数据采集软件在系统开机时自动运行，进行数据采集与存储，无需进行配置。当系统出现通信故障时，试验数据存储在本地数据采集软件中，不会丢失。

2.8 Labview软件设计

编写串口通信程序通过串口RS-232与高低温箱进行通信，使用OPC通信模块与S7-200 PLC进行通信，编写TCP/IP通信程序与UMD控制器进行以太网通信，编写数据库程序进行数据采集、报警、保存与报表。

3 总结

基于LabView的试验设备集中监控系统具有良好的人机交互能力和信息处理能力，其组网方式简单，采用环网结构，硬件数量少，硬件系统可靠性较高，具备通信阻塞处理功能成本较低；通用性强，数据“透明”传输，无需进行通信协议的转换，直接将现场设备数据传输到上位机监控站，扩展性强，同时系统预留多个通信接口可方便进行系统扩展。

[1] 马俊秀.基于虚拟仪器技术的远程温度测量系统[J] .科技信息, 2011.(21)：102-103.

[2] 陆强,戴文.基于LabVIEW的环境试验设备温湿度检定系统[J].电子测量技术, 2007, 30(7)：64-66.

[3] 谢辉力.涂装室温湿度的控制与监测系统[J].计算技术与自动化, 2006, 25(4).

[4] 刘庆纲,杨勇,胡小唐,等. 基于虚拟测试技术的高精度温度测控系统[J].仪器仪表学报 ,2001, 22(z2)：315-316.

Design of Centralized Monitoring System of Test Device Based on Labveiw

HUANG Wei, CHEN Zhen-ke
（Shanghai Institute of Electronic Technique for Aeronautics, Shanghai 201109）

Centralized monitoring system plays a significant role in unified management, emergency response timely, workload reduction, and working personnel of middle-large size test site and test center. Based on Labveiw, through the adaptability improvement for different equipment device, the centralized monitoring system of test device takes upper computer as the control core. Through the Ethernet backbone network, the loop Ethernet is composed. Its main function is to collect the information of temperature and humidity signal for test device.

experiment; LabView; centralized monitoring

TP277

A

1004-7204（2015）02-0040-05

黄伟（1982-），男，工程师 ，学士，研究方向为远程控制技术。