基于光纤网络的皮带秤联网系统的设计与实现

李晓林，邢桂甲

（1．太原理工大学信息工程学院，山西太原030024；2.太原理工大学控制理论与控制工程，山西太原030024）

Design and implementation of belt scale networking system based on optical fiber network

山西汾西矿业集团下属某有限公司属国有大型煤炭生产销售企业，该公司共有8套基于51系列单片机的智能皮带秤计量称重系统。这些皮带秤的地理位置距离调度中心都在800 m左右，皮带秤计量仪表为智能型仪表，它可以实时显示当前的皮带瞬时产量、班产量、日产量和总累计量，但是这些数据必须有专人来定时的记录到产量报表中，因为除了总累计量外的数据都只保存24 h。这种方式容易造成数据的人为误差或者漏记产量，既浪费大量的人力又得不到好的工作成效。基于上述情况，建立了基于光纤网络的皮带秤称重联网远程监控系统，重新设计了基于可视化编程语言VB的可与现场皮带秤称重仪表进行数据交换的远程皮带秤计量系统，全面解决了上述存在的问题[1]。

1 联网方案

1.1 仪表通讯的必备知识

EIA RS-232C是由美国电子工业协会在1969年颁布的一种串行物理接口标准。RS（Recommended Standard）是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232C标准规定的数据传输速率为每秒150、300、600、1 200、2 400、4 800、9 600、19 200波特。

RS-232是个人计算机上的通讯接口之一，是由电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）所制定的异步传输标准接口。通常RS-232接口以9个引脚（DB-9）或是25个引脚（DB-25）的形态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为COM1和COM2。

RS-232C标准规定，驱动器允许有2 500 pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150 pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15 m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20 m以内的通信[2]。

智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS-232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种不能实现联网功能。RS－485总线的出现恰好解决了这个问题，不仅可以实现智能仪表的联网问题，而且通信距离可达几十米到上千米，满足数据联网远程传输的要求。

RS－485的电气特性如下：逻辑“0”以两线间的电压差为+（2－6）V表示；逻辑“1”以两线间的电压差为－（2－6）V表示。接口信号电平比RS－232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

RS－485的数据最高传输速率为10 Mb/s；RS－485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复；RS－485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS－485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS－485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器[3]。

1.2 光纤收发器的相关知识

光纤收发器，是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器（Fiber Converter）。产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，且通常定位于宽带城域网的接入层应用；同时在帮助把光纤最后1 km线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。

光纤收发器的基本特点如下：提供超低延时的数据传输；对网络协议完全透明；采用专用ASIC芯片实现数据线速转发；机架型设备可提供热插拔功能，便于维护和无间断升级；可网管设备能提供网络诊断、升级、状态报告、异常情况报告及控制等功能，能提供完整的操作日志和报警日志；设备多采用1+1的电源设计，支持超宽电源电压，实现电源保护和自动切换；支持超宽的工作温度范围；支持齐全的传输距离（0～120 km）。

信息化建设的突飞猛进，人们对于数据、语音、图像等多媒体通信的需求日益旺盛，以太网宽带接入方式因此被提到了越来越重要的位置。但是传统的5类线电缆只能将以太网电信号传输100 m，在传输距离和覆盖范围方面已不能适应实际网络环境的需要。与此同时，光纤通信以其信息容量大、保密性好、重量轻、体积小、无中继、传输距离长等优点得到了广泛的应用，光纤收发器正是利用了光纤这一高速传播介质很好地解决了以太网在传输方面的问题。光纤收发器的出现，将双绞线电信号和光信号进行相互转换，确保了数据包在两个网络间顺畅传输，同时它将网络的传输距离极限从铜线的100 m扩展到100 km（单模光纤）[4]。

1.3 仪表联网硬件的设计与实现

从计量逻辑角度讲，整个系统可以分为两层：现场的计量称重设备级、调度中心业务级，属于典型的C/S结构。另外，现场各皮带秤所使用的智能仪表均为ICS－XF型皮带秤专用仪表，此类型的仪表可以通过串口进行数据的传输与交换。该仪表支持串行通讯的传输方式有RS－232C和RS－485两种。如果传输距离在15 m以内，则可以用RS－232C传输方式；否则，如果传输距离在1 000 m以内，则采用RS－485传输方式。现场的各皮带秤布局情况如下：8套皮带秤的计量仪表分别集中布置在两个现场控制室内，两个控制室之间的距离约800 m；而两个控制室中距离调度室的最小距离约2 000 m。而客户的要求是将现场各皮带秤计量仪表的数据准确地实时地传输到调度室的服务器电脑上。

根据现场各皮带秤地理位置的分布特点及客户现有的传输线路硬件条件，本着先进实用、高性价比的原则，选择了以光纤为主要传输载体、光纤收发器和ADAM4520通讯转换模块为数据传输处理设备的远程数据传输局域网系统，系统的组成框图如图1所示。

图1 仪表联网系统简图Fig.1Simplified diagram of instrument cluster system

本系统的设计思路如下：首先，分别将现场两控制室内的四台称重仪表通过四芯通讯电缆并联，再将两控制室并联接至以太网光纤发射机；然后，光纤发射机将传输数据由电信号转换为光信号通过光纤传输至光纤接收机，光纤接收机将接收数据由光信号转换为电信号，并发送给485转232的转换模块ADAM4520；最后，ADAM4520完成与工控机之间的数据通讯工作。

仪表及相关通讯设备的设置过程如下：首先，设置各称重仪表的地址编号，设置仪表通讯模式为485方式，数据传输方式设置为命令方式（即工控机按仪表地址分时读取不同仪表的计量数据时，仪表才会上传数据）；然后，对光纤网络收发器进行相关设置，如通讯方式、波特率等；最后，对485－232转换模块ADAM4520进行设置，调整其工作状态为最佳。

2 系统软件的实现

本系统采用可视化编程语言VB来设计工控机的前台界面及数据的接收、处理和显示等功能；考虑到本系统是一个中小型数据库的应用，并且有管理的网络化要求，所以选择微软公司的SQL Server2000作为系统的后台数据库管理系统。

本系统中由于有8台称重仪表，如采用自动实时将各自数据通过串口上传至服务器工控机，则会出现数据的混乱、产生大量的乱码，无效数据太多以至上位机无法正常显示各皮带秤的称量数据。经过现场多次调试，最终采用了按仪表地址编程定时读取各称重仪表数据的方法，即某一时刻，工控机发送一条带有地址信息的数据读取指令，这条指令各仪表都能收到，但是只有地址相匹配的仪表才会有响应，向上位机发送它的测量数据。

本系统的数据接收是采用了可视化编程环境VB的串行通信组件来实现的。当工控机的串口接收到数据时，VB串行通信控件会自动产生OnComm事件，此事件可用来处理所有与通信相关的事件，不管是何种事件发生，通信控件只用一个CommEvent的属性予以代表。使用事件程序的好处是不需要一直让程序处于检测的状态下，只要事先将程序代码写好，一有事件发生，就会直接执行相对应的程序代码[5]。本系统中通信控件的OnComm事件触发后，要实现的功能为根据称重仪表的通讯协议从接收的数据帧中取出相应的称重信息，并实时地显示和存储到SQL Server2000的数据表中。

3 应用结果

随着我国信息产业的飞速发展，智能工程、工业过程测控也正在朝着电子化、信息化、网络化方向发展。本系统正是根据客户对数据管理、生产监控的网络化和远程化的要求而进行设计的，由于采用了485串行通讯总线进行通讯，并采用光纤收发器通过光纤将数据进行远距离传输，所以保证了计量数据的全双工、远距离、高速度的传输；传输线采用带屏蔽的通讯电缆，并增加485-232数据转换模块ADAM4520进行通讯方式的转换和数据的抗干扰，确保了联网设备安全。本系统运行可靠，操作简单，抗干扰能力强，提高了客户的工作效率与质量[6]。

[1]张显明，王建才.轨道衡计量称重系统的联网和应用[J].煤矿机械,2004（9）:66-67.ZHANG Xian-ming,WANG Jian-cai.The network connection and application of railway track scale measuring system[J].Coal Mine Machinery,2004（9）:66-67.

[2]马忠梅，籍顺心，张凯，等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]路易.单片机技术基础教程与实践[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4]徐公权，段鲲，廖光裕，等.光纤通信技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[5]范逸之，陈立元，孙德萱，等.利用Visual Basic实现串并行通信技术[M].北京：清华大学出版社，2003.

[6]李丽宏，王亚姣.燃料系统各衡器计算机的联网[J].电脑开发与应用，2001，14（1）:34-36.LI Li-hong,WANG Ya-jiao.Networking of weighing apparatus computers of fuel system[J].Computer Development&Applications,2001,14（1）:34-36.