摘  要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)智能立交橋融雪噴灑遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。以WinCC為上位機(jī)監(jiān)控核心，由研華模塊ADAM4068、ADAM4117為下位機(jī)的控制和采集模塊，由以太網(wǎng)轉(zhuǎn)485模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的連接。西門(mén)子S7-200作為循環(huán)控制裝置，控制電磁閥的循環(huán)開(kāi)閉。通過(guò)VPN技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。通過(guò)WinCC監(jiān)控界面來(lái)監(jiān)視下位機(jī)的數(shù)據(jù)情況并且實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)電磁閥的控制，從而控制融雪劑的噴灑。

　　關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程監(jiān)控；WinCC；ADAM4068；ADAM1117；S7-200；VPN

0 引言

　　由于氣候原因，北方的絕大多數(shù)城市冬季易下雪，積雪堆積在公路、立交橋等路面，給行車(chē)安全帶來(lái)極大的隱患。立交橋路段特殊，人員清理不便，給車(chē)輛的行駛帶來(lái)了極大的不便和不安全。在立交橋上安裝噴灑融雪裝置噴灑融雪劑是一種保證交通行駛的安全、便捷、節(jié)省人力成本的有效除雪方法。本文所設(shè)計(jì)的智能立交橋融雪噴灑遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)控制能力，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，有效執(zhí)行噴灑動(dòng)作，并采集現(xiàn)場(chǎng)溫度、液位、流量等數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)視。

1 結(jié)構(gòu)和功能介紹

　　圖1為整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖。整個(gè)智能融雪系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器、VPN網(wǎng)絡(luò)通道、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的工控機(jī)、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)485模塊、延時(shí)模塊、電磁閥控制器、信號(hào)采集模塊和電磁閥。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器可以在遠(yuǎn)端監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；VPN通道可以連接遠(yuǎn)端與現(xiàn)場(chǎng)，并且保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?，?shí)現(xiàn)了企業(yè)級(jí)的組網(wǎng)；現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)利用WinCC界面通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)485模塊對(duì)電磁閥控制器發(fā)出指令，監(jiān)控電磁閥的開(kāi)關(guān)，從而監(jiān)控融雪劑的噴灑狀況；信號(hào)采集模塊將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、流量、液位等數(shù)據(jù)發(fā)送到WinCC上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀況的監(jiān)控；電磁閥是噴灑融雪劑的裝置，電磁閥打開(kāi)則噴灑融雪劑，關(guān)閉則停止噴灑。

　　1.1 VPN網(wǎng)絡(luò)通道

　　虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）不是真正的專用網(wǎng)絡(luò)，卻能夠?qū)崿F(xiàn)專用網(wǎng)絡(luò)的功能。VPN是一種通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行封包和加密，在公網(wǎng)上傳輸私有數(shù)據(jù)，同時(shí)保證私有網(wǎng)絡(luò)安全性的技術(shù)。它兼?zhèn)淞斯W(wǎng)的便捷和專用網(wǎng)的安全，實(shí)現(xiàn)了利用公網(wǎng)通過(guò)加密等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)單位組織的“專用網(wǎng)”。

　　本文利用juniper ssg 20路由和InRouter+600路由其中自帶的VPN功能實(shí)現(xiàn)IPSec隧道的組成，完成了在公共Internet中虛擬專用網(wǎng)的通道。網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。

　　WinCC自帶了Web發(fā)布器，可以將畫(huà)面發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，從而利用IE瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。但是，Web Navigator發(fā)布的頁(yè)面只能在局域網(wǎng)中進(jìn)行瀏覽。VPN的IPSec隧道功能很好地解決這一問(wèn)題。當(dāng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)建立后，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于建立了一個(gè)私有的局域網(wǎng)，這樣就可以很方便地監(jiān)控遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)。在WinCC的用戶管理中設(shè)置用戶名及密碼，當(dāng)遠(yuǎn)端的服務(wù)器在IE中登錄現(xiàn)場(chǎng)的InRouter+600路由器的IP地址后就會(huì)出現(xiàn)圖3所示的登錄對(duì)話框，輸入用戶名和密碼后就可以看到現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)和控制畫(huà)面，如圖4所示。

　　1.2 基于WinCC的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　WinCC的基本組件是組態(tài)軟件（CS）和運(yùn)行系統(tǒng)軟件（RT）組態(tài)軟件，WinCC項(xiàng)目管理器構(gòu)成了組態(tài)軟件的核心，整個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)將顯示在WinCC項(xiàng)目管理器中[2]。此時(shí)，也可對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理。從WinCC項(xiàng)目管理器中調(diào)用的特定編輯器用于組態(tài)用途。每個(gè)編輯器用于組態(tài)一個(gè)特定的WinCC子系統(tǒng)。本文用到了WinCC的子系統(tǒng)有圖形系統(tǒng)、用戶管理、全局腳本編輯、通信系統(tǒng)和Web Navigator組件等。

　　整個(gè)系統(tǒng)的硬件配置為：PC、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)485模塊、ADAM4068、ADAM4117、西門(mén)子S7-200、12 V電源模塊、路由器、溫度傳感器、液位傳感器和流量傳感器。

　　1.3 研華模塊ADAM4068和ADAM4117

　　ADAM4068是一款繼電器輸出模塊，提供8個(gè)繼電器通道，其中4個(gè)A型，4個(gè)C型。此模塊可以方便地使用Modbus協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。開(kāi)關(guān)可靠穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)電磁閥的通斷[3]。

　　ADAM4117是一款16位、8通道的模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬量信號(hào)，并且為所有的通道都提供了獨(dú)立的可編程輸入范圍。它支持8路差分信號(hào)，還支持Modbus協(xié)議。它還具有4 mA~20 mA、0~20 mA、 -20 mA~±20 mA等電流量程，當(dāng)測(cè)量電流時(shí)，不需外接電阻，只需打開(kāi)盒蓋，按照電路板上的標(biāo)識(shí)來(lái)設(shè)置跳線即可。在工業(yè)測(cè)量和監(jiān)控中，它能夠用于惡劣環(huán)境中，工作可靠。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　2.1 S7-200的編程以及與WinCC通信

　　S7-200的作用是實(shí)現(xiàn)電磁閥的循環(huán)開(kāi)閉，用PLC實(shí)現(xiàn)循環(huán)可以減少WinCC系統(tǒng)的資源占用，使監(jiān)控系統(tǒng)反應(yīng)更加快速。在STEP 7中編寫(xiě)梯形圖并建立變量表，將工程文件與變量表導(dǎo)入到PC Access中，然后在WinCC中添加OPC組態(tài)變量驅(qū)動(dòng)連接，將PC Access中的變量添加到WinCC中。在WinCC中添加動(dòng)作程序，周期觸發(fā)時(shí)間為500 ms。在組態(tài)畫(huà)面中添加按鈕，當(dāng)觸發(fā)按鈕ON時(shí)，循環(huán)開(kāi)始啟動(dòng)；當(dāng)觸發(fā)按鈕OFF時(shí)，循環(huán)停止。全局腳本程序流程圖如圖5所示。在STEP 7中編寫(xiě)梯形圖，控制電磁閥循環(huán)開(kāi)閉的時(shí)間。開(kāi)閉時(shí)間分為3種，分別以大雪、中雪、小雪進(jìn)行區(qū)分，雪的大小決定了電磁閥開(kāi)閉的時(shí)間長(zhǎng)短。工作人員可以根據(jù)雪的大小來(lái)決定電磁閥開(kāi)關(guān)的循環(huán)時(shí)間。電磁閥開(kāi)通循環(huán)后，如果工作人員想中途停止，可以點(diǎn)擊OFF按鈕。

　　2.2 WinCC組態(tài)

　　打開(kāi)WinCC Explorer，新建一個(gè)單用戶系統(tǒng)，在項(xiàng)目管理器的變量管理中添加一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)，新的驅(qū)動(dòng)程序選擇SIMATIC S7 Protocol Suit.chn和OPC.chn[4]。創(chuàng)建過(guò)程變量，將60個(gè)電磁閥的二進(jìn)制變量添加進(jìn)去。在OPC的驅(qū)動(dòng)程序中添加系統(tǒng)參數(shù)，將PC Access中的變量導(dǎo)入到WinCC中。用WinCC的圖形編輯器創(chuàng)建過(guò)程畫(huà)面、組態(tài)動(dòng)態(tài)畫(huà)面，將現(xiàn)場(chǎng)圖添加到組態(tài)畫(huà)面中，添加按鈕實(shí)現(xiàn)電磁閥的點(diǎn)控和循環(huán)控制，添加輸入輸出域來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、流量等物理值。主控機(jī)監(jiān)控畫(huà)面如圖6所示。

　　2.3 研華模塊調(diào)試

　　在使用研華ADAM4068時(shí)需調(diào)節(jié)地址號(hào)和通信協(xié)議，地址號(hào)與WinCC中設(shè)定相對(duì)應(yīng)，通信協(xié)議選擇Modbus通信協(xié)議。ADAM4117選擇電流檢測(cè)模式，與相應(yīng)的儀表輸出信號(hào)相對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論

　　智能立交橋融雪遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以改善冬天下雪后立交橋上的路面狀況，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了工人和駕駛?cè)藛T的安全。監(jiān)控人員可以在自己辦公的地方遠(yuǎn)程操控融雪裝置的噴灑，節(jié)省了成本、提高了效率。目前該系統(tǒng)在試驗(yàn)階段使用效果良好、運(yùn)行穩(wěn)定。

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