2022年实验室智能监控系统设计 .pdf

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1、实验室智能监控系统设计摘要：设计了一种基于PLC+STM32 的智能实验室SCADA 系统。 RTU硬件采用分散式的结构，将原来由一个MCU 完成的复杂任务分散给多个MCU 共同完成，系统可靠性和数据处理速率得到大幅度提高。 RTU软件遵循可配置性原则，每个 GPIO可以针对不同的用途重新配置成，提高了软件的开发效率。调试结果表明，该系统运行稳定，保证实验室各环境参数满足设定要求。关键词： SCADA ； 实验室；监控系统；分散式实验室是进行各种实验工作的特殊环境。为了保证整个实验室系统安全可靠地运行，实时检测、监控实验室各项环境参数，保证实验室状态稳定，并在发生意外或者系统出现故障时，自动采

2、取一定的保护措施，设计一种智能实时监控系统是非常必要的。本文提出一种分散式结构的SCADA 智能实验室系统，将原本由一个MCU 处理的复杂任务分散给多个MCU共同处理，从而使系统的可靠性、稳定性及处理数据速度、系统效率大幅度提高，增强了系统的可扩展性和可改造性。数据采集与监控系统SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)是以计算机、通信网络为基础的生产过程控制与调度自动化系统。通过对现场的运行设备进行监视和控制，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节及各类信号报警等功能 1 。根据 SCADA 系统结构， 该智能实验室SCADA 系统由 RT

3、U 、HMI、TCOM 3 个层次构成。远程控制单元RTU(Remote Terminal Unit)(即传统的下位机), 主要负责实验室参数采集和控制；人机接口HMI(Human Machine Interface)，主要负责提供良好的人机接口；远程通信网TCOM(Telecommunication) ，用于 HMI与各 RTU之间的通信。 1 总体架构智能实验室总体架构由房间控制系统、气流控制系统( 即通风柜控制系统和阀控制系统) 、远程控制系统及人机接口部分组成。 。房间控制部分是实验室监控系统的核心，连接着PLC 、阀控制器、通风柜控制器以及触摸屏，主要负责采集房间参数，并发送命令给P

4、LC 、阀控制器、通风柜控制器，以控制整个实验室的正常运行。气流控制部分和阀控制器主要根据房间控制器发送参数和命令，PID 调节房间送 / 排风，在保证房间最小换气次数的前提下，保证房间的负压环境。远程控制部分由远程 PC和 PLC组成，用户可以通过PC机的上位机软件发送命令给PLC和房间控制器，从而达到远程控制整个系统的效果。人机接口除了远程PC外，每个房间控制器都配有一台7英寸液晶触摸屏， 用户可以通过触摸屏发送命令给房间控制器，控制整个系统的运行。此外，监控系统还包含报警装置，当房间参数超出设定值，或者出现毒气泄漏等危险情况时即刻发出报警信号。2 房间控制部分房间控制部分由房间控制器和传

5、感器组成。房间控制器以STM32F105RB 处理器为主控制MCU ，通过 AI 模块采集温度、湿度、压力、风量等信息，并通过 DI 模块采集开关量信息，通过AO模块调节系统的送/ 排风量和温度，通过DO模块改变系统各开关量的输出状态，房间控制部分结构。 STM32F105RB 是基于 ARM CORTEX-M3 核的 32 位 RISC处理器，相比ARM7 速率提高1/3 ，功耗降低3/4 ，最高运行频率可以达到72 MHz 。配备 CAN模块、 RS485串口模块、 电源模块、8 位 DI 及 6 位 DO模块。不仅涵盖了现有的STM32F103的功能，而且在此基础上增加了网络功能 2 。

6、温度检测模块采用瑞士伟拓Vector室内温度传感器SRA-T1，EEPROM 自动保存最值记录，具有掉电存储功能。SRA-T1室内温度变送器感温敏感元件是NTC电阻，变送器电路的微处理器每秒对温度采样一次。滤波时间计算信号平均值，并且根据湿度量程做线性变换，然后产生信号输出，保证外部干扰对此变送器影响最小。默认滤波平均时间10 s，测量范围 0+50(+32+122°F)。 本系统每个房间配置一个SRA-T1室内温度传感器， 采用 24 V直流供电， 输出 010 V电压， 接入房间控制器的AI 模块。 房间控制器将电压转换为温度，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

7、- - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 储存在 RAM 中，最后在上位机上显示。3 气流控制部分无论应用于何种行业，实验室气流控制系统对于实验室人员的人身安全都是至关重要的。必须确保实验室有毒气体从通风柜安全排放， 维持合适的温 / 湿度环境和实验室负压。因此实验室通风系统在智能实验室系统中具有很重要的作用。监控系统送排风采用全新风直流式装置及压差和温差控制，响应快速。送风空调机将室外风处理至送风状态，然后送入实验室内，补充实验室排风，维持实验室内温 / 湿度和负压环境3

8、。 送风机和排风机各2 台，一用一备。 由于实验室是全新风系统，实验室送风量较大，导致系统能耗和运行的电费较大，故将 PLC和变频器技术4-5 应用于实验室控制系统中，通过检测管道末端压力，调节变频器频率，在保证房间最小换气次数的前提下，降低送风量，从而达到节能、减少功耗的目的。各控制器通信图。气流控制中，通风柜控制器首先通过AO模块将调节门开度发送给排风文丘里阀控制器，并通过 485 总线将通风柜开关机状态、面风速、紧急排风等信息传输给排风文丘里阀控制器。然后排风文丘里阀控制器根据调节门开度，应用 PID 方法通过排风文丘里阀开度调节排风量，同时排风阀控制器会将阀开度反馈给通风柜控制器，通风

9、柜会将阀开度与调节门开度进行比较， 判断阀控制器是否正常运行。排风阀控制器还会通过AO模块将排风量发送给房间控制器，并通过 CAN总线将通风柜各种信息发送给房间控制器。房间控制器会将采集到的排风量发送给送风文丘里阀，送风文丘里阀会根据排风量调节送风阀开度，从而调节送风量，并且送风阀控制器会将实际送风量反馈给房间控制器。最后房间控制器会将通风柜信息、送/ 排风量、温/ 湿度及压力等信息显示在触摸屏上。由此得出监控系统气流控制部分的关键在于通风柜系统，只要调节门开度发生改变，则排风量发生改变，随之送风量也相应发生改变，而且在几毫秒内响应。 4 RTU 软件系统软件设计采用传统的无限循环方式，开发平

10、台采用KeilMDK，采用 STM32固件库 VER3.5 版本开发程序6 。按照灵活性和可重新配置原则，每个AI、AO 、DI、DO端口都可以配置成为不同的功能，如AI1 既可以作为温度传感器的输入, 也可以作为压力传感器的输入，同一时刻只能配置一个功能，可以通过上位机软件或者触摸屏设置7 。主程序运行流程，当系统上电后，首先进行设备初始化，然后系统会在每次循环的开始重启13 路 ADC通道，采集各AI 的输入，并通过DMA 保存到 RAM 中 8 。在中断函数中，系统时钟每 10 ms 产生一次中断，将c_taskTASK4.TaskStatus置“1”，因此主循环

11、中会首先执行TASK4 ：DisposalRoomEvent()，程序会进行手动模式和自动模式选择，默认情况下为自动模式。在手动模式下，风机以工频形式运行，系统会根据手动输入值改变各房间参数和系统参数。自动模式下，风机以变频模式运行，系统会根据房间温度和压力情况，自动调节水阀开度和通风柜风量大小。主循环是系统软件核心，主要负责数据的采集、存储以及与气流控制系统数据的交换。主循环共有5 个任务 1 ： (1)TASK1 执行的是串口1 接受数据处理任务、完成房间控制器与PLC之间的数据通信；(2)TASK2 执行的是串口2 接受数据处理任务，完成房间控制器与触摸屏之间的数据通信；(3)TASK3

12、 执行的是串口3 或者 CAN总线接受数据处理任务，完成房间控制器与通风柜之间的通信；(4)TASK4 的作用是处理房间参数和系统参数；(5)TASK5 用来保存房间参数和系统参数。基于 PLC+STM32 的智能实验室SCADA 系统，利用PLC和变频器技术调节风机频率， 节约能耗，提高了设备的稳定性和可靠性。利用 CAN 总线和串行总线将STM32 、PLC 、传感器、触摸屏组成网络，可方便地监控实验室设备的运行状态。另外，利用智能PID技术调节系统送/ 排风以及房间温度，提高了系统的动/ 稳态性和自适应性，保证了实验室温度、压力、湿度维持在一个极小的波动范围内，确保了实验室的正常工作环境

13、。通过以太网将多个PLC和中央控制室工控计算机联网，实现风机和实验室的远程监控以及手动模式名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 和自动模式的切换。该系统已在某海关运行，调试结果表明，系统运行稳定，各项参数都能满足安全控制要求，极大降低了系统的能耗，保证了实验室工作环境的安全性及舒适性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -