--石家庄奥森自动化仪表有限公司 王英妹
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摘要：提出了一种利用光纤组成总线式通讯模式实现一般工作站与DCS系统的通信方法，并详细介绍了软件实现方法和通信过程。经实践证明具有通信可靠、抗干扰能力强、运行费用低、免维护等特点。
关键词：光纤、总线技术；API函数；事件
ABSTRACT: Proposed one kind of use optical fiber composition main line type communication pattern realization general workstation and the DCS system means of communication, and introduced the software realization method and the course of communications in detail.Has the correspondence reliably after the practice proof, antijamming ability strong, the operating cost low, exempts characteristics and so on maintenance.
KEY WORDS:Serial communication; API function; event
一、 引言
随着计算机数字技术的发展，越来越多的生产过程工艺融进了计算机控制系统。在通讯距离一定范围内（理论距离1.2千米），工业上广泛地采用RS485收发器和RS485总线构成DCS分布式数据采集和控制系统。但是在过去几年中，由于通信介质的限制这种传统的工业总线囿于传输距离、传输速度、容量以及整体抗干扰能力的不足等诸多因素，似乎被各大设备提供商所摒弃。但其低廉的运行成本对于需求商来说只能忍痛割舍。
近年来，数字技术的发展可以用光速来描述。大约在20年前，美国康宁（Corning）玻璃公司首度研发成功光纤产品， 可将激光通过玻璃纤维的细线，传送到任何想要传送的地方，而且可以用超级高速即光速来传送信息，光纤通信产业因此而诞生。光纤通信经过20年的不断发展与技术突破，如今已是一个非常成熟的商业化通信技术、市场与应用正值快速增长的阶段。目前的光纤通信技术，在所有现行的通信技术之中，已经证明是速度最快、容量最大与品质最高的通信技术。它可以最快的速度提供最清脆的音质与最清晰的影像，这就是光纤的魅力。许多人也都寄望它将是解决“高速宽频”问题的最终方案。
当前随着光纤铺设成本费用的降低，设备种类的不断完善，我们越来越能够将通信技术与计算机数字技术相结合应用于工业控制领域，提高产能的同时来降低系统能耗。光纤通信具有通信容量大，衰减小，不怕雷击，抗电磁干扰、抗腐蚀、保密性好、可靠性高、敷设方便等优点。配网自动化设备大多暴露在室外，环境恶劣，光纤一般直埋于地下，因此能够抵御高温、低温、日晒、雨淋、风雪、冰雹和雷电等自然环境的侵袭。同时，由于光纤传输靠光信号进行，能够避免各种电磁干扰，保证长期稳定可靠地工作。光纤铺设费用日益降低，配合485总线结构这种经济型的传统的工业总线方式可以更高效的达到需求商的运行需要，性价比优势突出。特别在一些工业管网流量监测系统中把新增加的节点以及PC工作站集成到分布式数据采集系统控制系统即DCS系统中更能体现出光纤的优势。
为此我们提供了一套基于利用光纤通信实现的RS485工业蒸汽管网分布式数据采集系统控制系统方案。
二、 系统简介
2.1 RS485系统简述
RS485是一个电气接口规范，属于7层开放系统互连模型中物理层的一种协议标准。它只规定了平衡驱动器和接受器的电特性，没有规定插接件、传输线缆、通讯协议的要求。它支持全双工和半双工模式，网络拓扑通常采用终端匹配的总线型结构，是一种简单成熟的工业总线结构，用于设备联网具有通信可靠、一次性投资成本较低等优点，适用于节点到主站距离1.2km范围的工业环境。在线路能够铺设的地方或分布距离不太远的地方（一个厂区之内），运行费用少，使用有线数据通信方式达到经济运行的效果。
2.2光纤功能特点
由于RS485规范对传输线缆并没有明确规定，所以个工程项目采用的类型各不相同，但从抗干扰、传输带宽等各方面来看光纤是目前最理想的传输介质。从技术角度上讲，光纤目前敷设的多为四次群系统，五次群（565Mb/s)系统也已开始应用。采用光强度调制/直接检波门(IM/DD）模式，最普通的光纤传输距离就可以达到约40km，节点处采用“光─电─光”方式。今后光纤通信的主要发展方向是长中继距离及高速率传输技术，并最终实现无中继通信。光纤组网架构采用无源分光器进行点对多点的组网，更增加了RS485网络的组网灵活性以及优异的扩展性能；系统中各用户节点共享光纤介质，大大提高光接口资源和光缆资源利用率；系统远端节点可以分步按需建设，非常适合地理位置分散的组网需求；网络建设成本低，是光纤主干网络向边缘端延伸的最佳选择。这也无疑使传统485总线的距离问题得到很好的解决。
2.3网络配置
典型系统有一个主机、多个从机，每个从机分配唯一地址。工作时采用命令/应答的通信方式每个命令桢都对应着一种应答桢，主机向要访问的从机发送命令桢，地址匹配从机进行相应并向主机发出应答桢，其它从机对对命令桢不予理睬。图1是典型RS485网络组成结构。
图1
系统中各个节点设备之间都是并联关系，在光纤链路上通过连接RS485/光纤转换设备实现了挂灯笼模式的安装方式，系统节点的扩展能力很强，安装和维护更简单。但在接入节点时需要关注以下几点：
1）接入节点数 接入网络的节点数需要有一定限制。这根所选用的RS485芯片驱动能力和接收器阻抗有一定关系。通常推荐的节点数按RS485芯片最大值的70%进行选取，传输速率在1200~9600bps之间选取，通信距离根据光纤性能不同1km以内为佳。
2） 节点与主干距离 理论上讲节点与主干的距离越短越好，而且尽量避免将主机安插在主干中间，应该将其置于一端。
3） 网络节点介入要求 从机设备是要具有RS485接口同时保证电气性能一致方能保证接入网络内部后通讯效果良好。
三、 软件设计
在WINDOWS中实现串口通信编程，有两种方法：1、采用MISCROSOFT公司提供的通信MSCOMM控件进行编程。该方法简单，但不够灵活；2、调用WINDOWS API函数进行开发。我们讨论第二种方法。
1） 打开串口 调用CreateFile()函数打开串口成功，返回一个操作句柄。
2） 初始化设置串口参数 串口打开成功后接下来可以配置串行口通信参数如波特率、数据唯书、停止位、校验位等，串口设置时要注意主、从机一致。修改参数时要利用设备控制快DCB结构体。
3） 设置串口监视时间及超时设置 一般串口通信驱动事件有两种，即查询方式和监视事件驱动I/O方式。编写通信应用程序的一个很关键的问题就是如何处理通信中的不可预测事件，比如接收数据过程突然被中断，或者发送数据突然停止等，这些情况可能会引起I/O线程挂起或者线程被无限阻塞。这些问题我们都通过超时设置来决定通信是否异常并作相应处理。其过程分为两步，首先设置COMMTIMEOUTS结构中的5个变量，然后调用SetCommTimeouts()函数设置超时值。
4） 读、写串口 串口设置完成之后调用ReadFile()和WriteFile()函数对他进行读写操作，即接收和发送数据。工作站接收到主机发来的消息帧后，首先读取帧首字节，对从机地址进行判断，在对消息进行CRC校验，如果校验无误，执行所要求的操作（功能码），并按照仪表协议写回送报文帧，发送给DCS系统的主机；如校验错误，则进行发送错误码。
5） 关闭串口 调用CLOSEHANDLE()函数将串口关闭，释放资源。
四、 系统组成
1、 软件组成
本系统的核心是流量远程监测系统软件，它是应用管理业务的平台，分为网络版和单机版。数据通过传输网络（包括RS485/232、以太网、GPRS无线网络等传输方式）传送到主站，实现远程数据采集、传输、动态监测、动态管理，为方便工程技术人员随时掌握资源使用情况，以及管网运行变化情况提供灵活多样的查询、统计报表/图表，为合理规划利用、管理资源提供有效的、及时的信息。
系统包括五个子系统：智能综合管理系统，收费管理系统，办公自动化系统，门户网站，管理决策支持系统。从模块构成上，系统软件由实时信息动态监控模块、信息查询与维护模块、报警模块、数据库与管理模块、远程参数设置模块组成。系统主要包括了实时数据召测、历史数据报表、实时曲线、历史曲线以及维护等功能模块，可以设定定时自动入库，巡检时间间隔等参数。
1）参数测量
主要完成管网现场过程的模拟量（如压力、流量等）的测量、并完成相应的物理量的上下限比较以及全网数据显示等功能，可以方便地看到换热站的最新数据。
2) 曲线分析
在显示数据的同时可以由曲线来直观、形象地实时显示现场数据走势，分析趋势，从而获取信息。同时还可以方便自如地调取历史趋势曲线，方便掌握、追踪历史运行情况。
3） 报警分析
可以查看与规定的筛选条件相匹配的报警信息，并可以通过窗口输出。
4） 查看历史数据
用户根据需要可以检索查看管网所有模拟量（如压力、流量等）的历史数据，便于了解现场的运行状况。
5）信息维护
用户可以方便的对系统进行维护，掌握登录情况和设备运行情况。
该系统可以对监测站点进行连续24小时实时自动监控，可进行多通道模拟量、开关量采集检测，多种数据运算及多通道模拟量、开关量交互式输出功能。具有大容量数据存储记录功能，具备多种显示方式，具有多种通讯方式，可组成计算机测控网络系统；可广泛应用于供热、环保、石油、化工、冶金、轻工、纺织等领域的流量、热量的检测及控制，尤其适用于近年逐步发展扩大的集中供热系统和水资源监测系统。操作人员在主站可以看到系统当前运行的各项实时数据，并对所监测站点进行控制，实现自动化运行。
主站采用PC计算机，通过通讯线路（GPRS网络、RS485/232专线、以太网、电话拨号等）向子站发送命令，并接收从子站反馈回来的数据。主站接收到子站传来的各种信号，处理后在上位机系统中显示输出，如果有异常情况发生，可进行报警，提醒操作人员采取措施，防止事故发生。
对于历史数据，系统本身具有庞大的记录功能，能够通过历史曲线，以及历史数据报表两种形式来方便的追踪，回溯，有效的辅助整个系统的安全运行。另外历史曲线使用图形化的显示风格，工作时可以方便的显示指定某些点的数值，更加准确、直观、快捷。
2、 硬件组成
从设备构成上分，流量监测管理系统由传感器（包括：流量计、压力变送器、温度测量仪等），二次仪表（带485的通讯功能），通讯网络（包括RS485/232或者光纤网络等），系统管理中心（包括软件平台、打印机等外围设备）四部分组成。
从功能定位上分，本系统由数据采集/控制中心,传输网络(RS485/232、光纤网等)以及数据管理中心三个部分组成。系统由主站以及子站组成。其中，系列远程计量测控终端实现数据采集、存储、控制及上传。
监控系统作为主站，可与分散在各个地区的子站通讯及实时监控。实现一（主）对多（从）模式的监控网络。
3、系统特点
◆数据分析功能强大，查询统计功能丰富。可以全面的反映监控系统中各站点的运行效果，数据存储量大，检索速度快。数据管理功能汇总功能，存储能力强大。
系统可通过历史数据生成历史数据曲线,用户可任意选择时间段的数据然后进行观察.系统可以针对某一站点或者整个系统自动做出日用水量曲线，月用水量曲线和年用水量曲线。直观的反映出各个用户的用水情况。
用户也可以对数据库直接操作,查看某一时间段内历史数据.查询累积流量等参数。
◆ 数据传输系统高效安全可靠。采用目前工业、民用广泛应用的各种总线、移动无线平台，结合高效的纠错和安全机制进行远程数据采集、传输和管理，信息传输及时误码率低。监控中心的数据几乎与现场数据保持同步，这是以往运行中投入多大的人力及物力都不可能实现的。通过对进行水力、热力计算，控制运行分析，使达到最优化运行，了解管网保温、阻力损失情况，设备的使用效率，使的管损达到最小值，以达到最经济运行，通过历史数据和实时数据的比较，分析管网是否存在泄露，设备是否需要维修，以达到最安全运行。
由于24小时在线运行，杜绝了用户偷汽、水的想法，现场计量出现故障可以在最短的时间内发现，并将故障时间记录备案。避免计量方面的损失。
◆系统基于最新的VS技术和多层体系架构，具有高性能、易扩展的特点；采用B/S、C/S的灵活结构，操作简单、维护方便、集中管理、支持异地和移动办公，提高工作效率、减少费用。
◆方便远程集中管理和控制。
◆完备的安全和权限管理。
◆友好、简洁的操作界面，方便的联机帮助。
五、综述
当通信数据量小且对通信可靠性要求较高时，使用光纤通讯介质搭建RS485网络体系结构实现PC机与电厂DCS控制系统串口通信，其对硬件要求简单经济，软件编程容易，不失为一种较好的选择。我们在多家工业企业蒸汽管网监测系统上利用光网络RS485系统编写了串口通信软件系统模块，实现了工作站与DCS系统的通信功能，通信正确可靠，得到用户一致好评，经实践证明此方法在中小工业企业技术改造中是有效可行的。
参考文献
《软件工程导论 修订版》 作者 张海藩 清华大学出版社
《操作系统原理及应用》作者 刘乃琦 经济科学出版社
《80i88微型计算机系统原理、接口与组装》作者 曲伯涛 大连理工大学出版社
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