信息类开放共享仪器设备运行状态监测装置研制

崔家瑞， 许 震， 李 擎， 金仁东， 柯红岩， 李希胜

（北京科技大学a.自动化学院；b.资产管理处，北京100083）

0 引 言

2015 年1 月26 日，国务院发布了《国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》（国发〔2014〕70 号）［1］，要求：用3 年时间，基本建成覆盖各类科研设施与仪器、统一规范、功能强大的专业化、网络化管理服务体系，科研设施与仪器开放共享制度、标准和机制更加健全。

近几年各高校进行了大型仪器开放共享平台的建设，并取得了一系列的成绩［2-5］。我校在大型仪器开放共享方面也取得了一系列成果［6-9］，并在此基础上，依托“北京市高等教育学会技术物资研究分会学术研究课题”，针对作为高校实验教学的主体设备——信息类实验教学设备，探索了信息类设备开放共享新模式，形成了信息类设备基本管理制度，建立了信息类设备的新运行机制［10］。

目前信息类实验室管理还处在手工记录的阶段，信息化水平低，使用者每次使用设备前都要填写一系列重复信息，对于大量的使用记录，管理人员也难以分析统计。为了能更好地统计信息类设备运行状况，研制了信息类开放共享仪器设备的运行状态监测装置，该系统可以有效降低管理人员的工作量，提高管理效率。

1 监测装置总体方案设计

针对信息类实验设备具有数量庞大、功能多样、放置分散、模块化、定制性等特点，系统采用由上位机、集中器和监测装置组成的三级网络结构。系统的整体架构图如图1 所示。

图1 系统的整体架构图

由于仪器设备分布在不同的实验楼、实验室，因此，在监测装置中采用了电力线载波通信技术［11-12］。该技术以其便捷性、稳定性和快速性已经被运用于远程抄表、远程路灯监控等系统，与有线信号传输方式相比，具有成本低、无须二次布线；与无线信号传输方式相比，具有不需中继器、不受物理空间限制等优点。

监测装置是整个系统的数据来源也是系统的执行机构，主要有两个功能，①对设备进行控制和状态查询，②将数据发送到集中器。该部分包含微控制器、计量模块、RS-485 通信模块和载波通信模块，微控制器通过电力线载波接收集中器指令，并通过RS-485 与计量模块通信，实现查询和控制功能，最后再将计量模块返回的数据上传至集中器。硬件框图如图2 所示。

监测装置硬件采用模块化设计，以微控制器为核心，控制电能计量模块采集设备用电信息、控制载波模块与集中器通信、控制继电器模块完成对设备电源的打开与关断；微控制器采用ST公司的32 位Cortex-M3微控制器STM32F103。隔离模块用于保护微控制器不受电力线方面的噪声干扰，提高系统的稳定性和可靠性。AC/DC电源模块为载波通信模块和电能计量模块提供隔离的直流稳压电源，同时通过DC/DC电源模块为微控制器和外围电路供电。

2 监测装置硬件设计

2.1 最小系统设计

最小系统作为监测装置的核心，主要包括电源、时钟和程序下载接口几个部分。原理图如图3 所示。

2.2 RS-485 通信

RS-485 通信是一种工业上广泛使用的主从通信技术，其主要特点是主机发送指令，从机才能响应，主机如果不动作，从机不能擅自动作。该通信方式传输距离远，最长能到10.8 km，由于其利用差分方式来传输信号，所以抗干扰能力也较强，可在噪声大的环境下传输有效信号。RS-485 通信按接口类型可分为二线制和四线制，四线制只能实现点对点通信，故已经很少使用，二线制是目前使用比较多的接线方式，连接时只需要分别将A 端与A 端、B 端与B 端连接在一起便可。

由于电路板上电压信号复杂，为保证RS-485 通信的质量，本次RS-485 通信电路分为主通信电路和隔离电路，RS-485 通信电路与处理器的串口2 进行通信。主通信电路如图4 所示，匹配电阻为120 Ω。

2.3 电力线载波通信

电力线载波采用北京福星晓程公司的单相载波模块，载波中心频率为120 kHz，带宽15 kHz，采用DBPSK调制。载波模块与处理器的串口1 进行通信，根据该载波模块的外形参数和配置要求，设计了如图5 所示的载波通信及隔离电路。

2.4 电源设计

基准电压源模块主要为微控制器的A/D、D/A、温度控制模块和恒流控制模块提供参考电压，原理图见图5。

图3 最小系统原理图

图4 RS-485通信电路与隔离电路

图5 电力线载波通信及隔离电路

电源模块是电路板的基础部分，如果没有稳定的电压供给，电路就不能正常运作，也无法再谈系统功能的实现。考虑到电力线载波通信必须将信号耦合到220 V交流电的特殊性，所以将220 V 交流电作为电路板的输入电源，一方面可以给电路板提供工作电压，另一方面是为了实现电力线载波通信。由于220 V交流电是强电，既要考虑干扰还要考虑安全性，所以使用了MORNSUN 公司的电压转换模块，该模块可直接把220 V交流电输入转换成5 V和12 V直流输出，整个模块都被封装起来，既能起到隔离作用又能保证安全。直流输出经过滤波、稳压电路后输出质量较高的电压信号。电路原理图如图6 所示。

图6 电源模块电路

3 监测装置软件设计

3.1 软件流程设计

根据监测装置的主要功能，软件上采用了有限状态机模型［13］和模块化编程方法。任务主要有系统初始化、载波通信、设备信息采集、设备电源控制、系统状态监测与报警等。工作流程图如图7 所示。

3.2 通信协议设计

为了实现仪器设备的分布式监测与控制，必须设计满足特定要求的通信协议。因此，基于中国电力企业联合会提出的DL/T645 协议［14-15］，自定义了控制码，既保证了对原有系统的兼容，又能很好地实现与自定义装置的通信。具体的帧格式如表1 所示。

图7 软件流程图

表1 DL/T645 协议帧格式

帧起始符68H：标识一帧信息的开始，其值为01101000B。

地址域A0 ～A5：地址域由6 个字节组成，每字节2 位BCD码，地址长度可达12 bit 10 进制数。每个表具有唯一的通信地址，且与物理层信道无关，当使用的地址码长度不足6 Byte时，高位用“0”补足。

控制码C：以此确定通信方向和具体的功能。部分自定义控制码如表2 所示。

表2 部分自定义控制码命令说明

数据域长度L：L 是数据域的字节数，读数据时L≤200，写数据时L≤50，L ＝0 表示无数据域。

数据域DATA：数据域包括数据标识、密码、操作者代码、数据、帧序号等，其结构随控制码的功能而改变。传输时发送方按字节进行加33H 处理，接收方按字节进行减33H处理。

4 实验验证

该系统已应用到自动化学院的CDIO自动化实验室的A1000 小型水箱实训设备，系统连接见图8。

图8 运行统计系统与设备电气连接图

A1000 设备电源接到节点的输出电源插座、节点和智能网关接入到同一插排中。由LabVIEW 上位机对监测装置进行功能测试。监测装置登录到上位机界面如图9（a）所示。点击采集数据按钮，可得到当前运行设备的相关信息，如电压、电流、功率以及耗电量。测试结果如图9（b）所示。

5 结 论

根据我校自动化学院信息类实验教学设备的特点，设计了开放共享仪器设备运行状态监测装置，并在现有仪器设备上进行了功能验证。该监测装置可以准确记录仪器设备的电压、电流、功率、电量、开、关等运行状态信息，并上传至服务器。该装置的研制成功一方面为高校信息类设备开放共享效果评价提供了必要的数据支撑。减轻了实验室管理人员进行设备日志记录的工作量和设备运行日志的维护工作量。

该装置是北京市高等教育学会技术物资研究分会学术研究课题的部分成果。下一步，将进一步完善装置的可靠性和稳定性，进行装置的工程化设计，并在自动化学院的CDIO自动化实训实验室和电力电子及电机拖动实验室进行示范应用。

图9 A1000实训设备实时运行状态监测功能测试