摘要：重点说明了力控组态软件作为上位机在柴油发电机组监控系统中的应用，并对柴油机ECU的CAN总线数据传输方式及上位机的数据转换进行了理论研究，对监控系统的结构进行了分析与设计。结合玉柴YC6K系列发动机，力控组态软件，数据采集卡开发了一个界面直观，功能齐全的柴油发电机组运行参数的监控系统，并实现了通过Web平台构建的使用IE浏览器远程监控。
关键词：CAN总线； 柴油机； 力控； 监控系统
中图分类号：TP391 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2013）02-0092-05
0引言
随着计算机及智能仪表技术的不断发展，已经研制获得了多种工程用途的柴油发动机监控系统，如智能型柴油机监控箱、数字式柴油机电子控制器等。但这些控制装置只能进行现场的
实时监控，并未提供必要的上位机监控系统与远程监控实现，因此开发一种集成远程监控和现场视频监控的柴油机监控系统就具有重要的研究意义和实用价值[1]。
本文介绍了一种内驱为玉柴YC6K系列发动机，应用高速数据采集卡，并结合组态软件设计的功能强大系统。该系统除了具有界面直观，数据库和报表齐全、报警系统完善的优点外，更重要的是还可以实现系统远程监控功能。
1实验平台介绍
1.1实验发动机平台简介
本实验是基于玉柴YC6K系列发动机为基础平台而展开和进行的。玉柴YC6K系列发动机是玉柴推出的定位于世界级水准的先进发动机，该系统采用了高压共轨+SCR+美国JOCOBS缸内制动系统，四气门顶置凸轮轴设计，整体式缸盖，先冷却缸盖再冷却缸体的全新冷却概念。因而，吸引了学界各方的广泛关注，同时也赢得高度赞誉。
玉柴YC6K系列发动机的电控系统采用博世（Bosch）公司的ECU模块，这一模块，也就是柴油机电控单元的主要任务是通过压力、温度、转速等多部传感器来采集柴油机的各种
工作参数，再根据这些参数对燃油喷射系统进行微计算机实时控制，实现喷油量、喷油率和喷油压力随着柴油机的工况变化而发生相应改变。图1为玉柴YC6K系列发动机采用的博世（Bosch）公司的电控系统示意图。
1.2SAE J1939协议简介
博世（Bosch）公司的电控系统ECU采用CAN总线通讯方式的J1939协议。SAE J1939协议是由美国汽车工程师协会（SAE）—卡车和公共汽车电气电子委员会下属的卡车和公共汽车控制和通讯网络分委员会指定的高层CAN网络通讯协议。该协议主要用于为重型道路车辆上电子部件间的通讯提供标准的体系结构，并通过采用多路复用技术为汽车及车载设备的各传感器、执行器与控制器提供基于CAN 总线技术的、标准化且高速率的网络数据连接[2]。
SAE J1939协议是基于CAN总线技术的通讯网络，主要是在基于CAN2.0B协议的基础上定义了网络管理层与应用层。该协议的有效目标是构建一个开放互联的电子通讯系统，即提供一个标准的系统结构框架使电控单元（ECU）之间实现交互式通信。SAE J1939协议是高速网络通讯协议，其传输波特率可达250Kbps。通常，在汽车电子系统中ECU一般都是物
理分布的，SAE J1939协议还可以实现ECU之间的实时闭路控制功能。SAE J1939协议的参考模型如图2所示。
第2期高庆文：基于组态软件的柴油发电机组远程监控系统设计智能计算机与应用第3卷 SAE J1939协议包括多个子标准协议，这些协议分别是[3]：
（1） SAE J1939-11—物理层，250Kbps/s，传输介质为带屏蔽层的双绞线。
（2） SAE J1939-13—物理层，场外诊断连接器。
（3） SAE J1939-21—数据链路层。
（4） SAE J1939-31—网络层。
（5） SAE J1939-71—车辆应用层。该层提供大部分消息和数据元件的定义。
（6） SAE J1939-73—应用诊断层。
（7） SAE J1939-81—网络管理协议。
2整体监控设计
2.1监控系统的结构设计
监控系统主要包括四部分：数据采集部分、现场视频采集部分、上位机监控部分和远程监控部分。系统原理则如图3所示。图3 柴油机发电机组监控系统构成原理图
2.2数据采集部分设计
数据采集部分主要包括数据采集卡与发动机ECU的数据连接与传输、现场各类传感器与数据采集卡的连接以及数据采集卡与PC机的连接。文中，数据采集卡选用中泰研创的USB7660系列数据采集卡。该款采集卡除了提供即插即用的USB数据采集模块，也整合了RS232/485通讯方式的数据采集模块。同时，还配备了48路单端模拟输入和24路差分模拟输入、4路模拟输出、3路计数器、16路数字量输入以及16路数字量输出。
玉柴6K发动机的ECU模块采用CAN总线方式进行数据传输，并且预留CAN总线传输方式的外接数据端口。而且，数据采集卡使用的是RS232/485的通讯方式，因此，还需利用CAN转RS232/485的装置实现数据传输协议转换。
文中，选用CAN RS232/485智能协议转换器来进行协议转换，全部过程采用了“透明转换”方式。这种方式就是，转换器只是将总线数据从一种格式原样转换成另一种总线的数据格式，转换过程并不附加数据，对数据也不做任何修改。这样既实现了数据格式的交换，又没有改变数据内容，对于两端的总线来说，转换器即如同透明一样。透明转换不会增加用户通讯负担，又能将数据实时原样转换，能承担较大流量的数据传输。对于CAN总线的报文，也是即时收到、即刻就予以转发。相应数据格式如图4所示。
protocol conversion由图4可知，进行转换时，CAN报文数据域中的数据将全部依序转换到串行帧中。配置时，若将“帧信息转换使能”项选择了“转换”，转换器会将CAN报文的“帧信息”字节直接填充至串行帧。若将“帧ID转换使能”项选择了“转换”，则CAN报文的“帧ID”字节也将全部填充至串口帧[4]。
传感器部分主要包括压力和温度传感器，输出均是DC 0～5V标准信号，可以直接连接数据采集卡的模拟量输入端子。
2.3上位机监控系统设计
文中，采用力控组态软件来实现上位机的系统监控。力控工业监控组态软件是北京三维力控科技有限公司根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的自动化设备开发和实践经验而设计改进的高端自动化软件产品。
力控组态软件与采集控制设备通信要进行I/O设备组态，本实验中力控组态软件的I/O设备主要确定为中泰研创的USB7660数据采集卡，力控组态软件与I/O设备之间经常通过以下几种方式实现数据交换：串口通信方式（RS232/485）、板卡方式、网络节点（支持TCP/IP协议）方式、OPC方式以及网桥方式等。力控可以与多种类型控制设备进行通信，力控的I/O设备驱动程序支持容错、离线、在线诊断功能，支持故障自动恢复、模块组态功能。I/O设备完成组态后，便可以进行系统的组态。
2.3.1系统主界面
文中，根据发电机组和发动机的各个参数，及控制系统的要求来对监控系统的各个界面进行逻辑设计，设计效果力求简洁明了、控制操作方便，并需提供主要的报警提示等现实功能。系统部分主界面如图5、图6所示。
.3.2数据库建立玉柴发动机
建立数据库、并制作数据库报表，主要用于记录监控系统中各个参数的变化，将其保存在数据库中。除此之外，还提供了历史数据库查询、报表打印、外部数据导入及内部数据导出等各项实用性功能。此处，仅将数据查询和打印功能界面做以代表性呈现，详情如图7所示。
3.3动态连接
动态连接是指将画面中的图像对象与变量或表达式之间建立一种映射关系。动态连接后，在监控系统运行过程中，就将根据变量或者表达式的数值变化而对图形对象的颜、大小等外观表象实施动态刷新，从而借助监控画面的动态更新，增强了监控的实际效果。
2.4视频监控
视频监控使得实验人员在控制室就可以看到现场的人员及设备状况，有利于更好地进行现场实情的处理。本文的视频监控采用数字摄像头与力控组态软件相结合的科学设计，可以实时观察现场各种情形，同时还可以进行视频捕捉和录像，较好的实现了对于现场实况的有力监控。
2.5远程监控系统设计
本实验的远程监控中，采用了IE浏览器，将其作为一个标准的瘦客户端（B/S）来进行远程的网络监控。其他用户可以借助各自IE浏览器远程访问力控的工程画面，其效果与在力控运行系统“视图观看”中直观得到的工程画面完全相同，而且客户端不需安装任何其他软件，只是使用浏览器即可。 实验中主要采用单机发布，单机发布就是指一台服务器既发布画面又发布数据库。力控的Web发布服务器既可以针对外部Internet网，也可以只提供给局域网内进行访问。其网络拓扑图如8图所示。
实验中，还需在Internet广域网上来观察实验的控制系统状况，这就需要把组态系统的实时数据库发布到广域网中。本实验的工作站只是局域网中的一台机器，无法在广域网中获得直接访问，因而对上网服务器采用端口映射方式来保证外网机器能够直接访问工作站的数据。其网络拓扑图如图9所示。
在网络服务器上，对IP地址为10.4.17.52的机器映射得到三个端口，分别为：9000，2006，2007。其中，9000为4WebServer程序使用的端口，2006和2007则均为NetServer使用的端口。这样，从外网发起访问进来的这三个端口的数据包就会自动转发到10.4.17.52的
机器上，外网就可以看到10.4.17.52的机器上发布的所有数据信息，由此而实现了系统的远程监控。
3结束语
本文基于玉柴YC6K系列柴油发动机，使用数据采集卡实现了柴油发动机参数的数据采集，同时采用力控组态软件设计完成了监控界面、报表数据库、报警记录、视频监控，在此基础上又实现了利用IE浏览器的远程监控。仿真设计实验在玉柴联合动力股份有限公司进行了初步的实验，取得良好效果，该系统较好地实现了柴油机参数的远程监控功能，并可以视频监控发动机试验场地的状况。同时，该系统预留了一部分端口，利于系统日后扩展。
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