基于ADAM-5510HC的智能大厦的设计与开发
研华科技 黄雪锋
摘要： 自动化系统是智能楼宇中的重要组成部分，本设计以研华公司最新推出的PC-BASE 的智能可编程控制器为硬件平台，结合TRACE MODE 组态软件，完成对研华办公大楼的照明和环境温度的自动监测，并通过WEB方式实现远程控制，达到楼宇高度智能化统一管理的目的。
关键词：PC-BASE 智能可编程控制器，组态软件
Abstract： Automation is an important part of building automation ,this designer use ADAM-5510HC which is PC-BASE PLC and TRACE MODE application software to control the lamps system and Air control system ,it also can be controlled remotely by the way of WEB .
Keywords: PC-BASE PLC Application software
1 项目简介
自动化系统是智能楼宇的重要重要组成部分，而照明灯和空调的自动化控制又是楼宇自动化的基本组成部分。研华北京办公大楼原来的照明系统和空调系统的开关都是分散的，需要物业管理人员每天人工巡检，效率低下，而且消耗大量的人力和物力，为了提高整个大楼的智能化统一管理水平，研华公司决定使用自己的产品开发出一套能够自动监测和整个大楼的照明系统和空调系统，实现整个大楼的统一管理。系统的主要功能总结如下：
1、 每天早上7：00自动打开所有的照明灯；
2、 每天晚上9：00自动关闭所有的照明灯；
3、 通过监测计算机可以监测所有照明灯和空调风机的开关状态，并且可以直接控制所有照明灯和空调风机的开关。
4、 获得权限的远端客户机只需要通过浏览IE方式就可以获得照明灯和空调风机的监控权利。
5、 温度控制功能，通过相应的控制逻辑，可以把室内的温度保持在一个设定的范围内，这样可以为大楼里的员工创造一个舒适的环境。
2 系统总体设计
2．1 系统设备简介
2．1．1 ADAM-5510HC
ADAM-5510HC 是研华公司最新推出的一款PC-BASE的智能控制器，它是目前全世界广泛应用的ADAM-5510的改进产品，扩充了原来的存储空间，能够满足控制比较复杂，数据存储量较大的应用场合的需要，同时它还拓展了原有的编程模式，不仅可以使用C语言编程，还可以采用TRACE MODE 组态软件符合IEC61131-3标准的FBD语言编程，这为不熟悉C语言的用户或习惯了使用传统PLC的用户提供了非常方便的手段。ADAM-5510HC的系统结构如图1，主要系统规格特点如下：
（1）16位的80188CPU；1M的FLASH DISK（500K用户可用） ；1M的SRAM（其中512K供用户使用）
（2）4个输入输出扩展槽，每一个I/O插槽都可以插一块数据采集或控制模块，这些模块包括模拟量输入输出、数字量输入输出、继电器输出、计数/计频输入模块等。
（3）内置的ROM-DOS操作系统，它兼容MS-DOS操作系统，提供了除BIOS之外的基本MS-DOS功能调用，允许运行用C或C++等高级语言编译的应用程序。除此之外，ADAM-5510HC还提供ROM及RAM空间，供程序下载及程序运行。任何程序在下载之前，应转化为80186或80188兼容性代码，下载使用程序内附通信软件。
（4）内置RS232/485通信口,ADAM-5510M/HC设置四个两个串行通信口COM1、COM2、COM3和COM4。COM1固定在RS232方式，COM2固定于RS485方式，COM3固定为编程口，COM4即可以RS-232也可以是RS-485方式通信。这种独特而强大的通信扩展能力，使得ADAM-5510HC适用于多种应用场合。
（5）内置三路隔离保护功能， ADAM-5510HC提供输入/输出（3000VDC）、通信（2500VDC）、电源（3000VDC）隔离功能，可阻绝地线电流，减少电气躁声对系统的影响，保护系统不受高压和放电所引起的浪涌电流冲击。
（6）内置实时钟和看门狗定时器，ADAM-5510HC具有实时时钟和看门狗定时器功能。实时时钟可实时记录事件发生的时刻；而当系统死机时看门狗定时器可重置处理器，这不仅减少了系统维护工作，而且使ADAM-5510HC可应用于系统稳定性要求较高的场合。
(7）完整的I/O模块及库函数支持，为便于I/O模块的拆装，ADAM-5510M/HC采纳了底板结构。ADAM-5510HC具有完整的I/O模块供用户选择：所有数字模块均支持10~30VDC电压输出和继电器输出；所有模拟量模块均提供16位分辨率模入和模出，同时可编程设定输入范围。
在这个项目中，之所以选用ADAM-5510HC ，其主要优势是在于：
1、 强大的串口通信扩展能力。
2、 存储空间大，可以存放更大的控制程序和中间数据
3、 除了能够可以使用高级语言（C语言）编程之外，它还与TRACE MODE组态软件合作，提供了FBD编程接口。
2．1．2 ADAM-4015
ADAM-4015 是研华ADAM-4000系列模块的一种，内置式微控制器，传感器到计算机接口的智能设备。这些模块通过发出ASCII码格式的简单命令集并以RS-485通讯协议发送予以遥控。此系列模块还提供信号调理、隔离、调整量程、A/D转换、数据比较及数据通讯功能，某些模块还可以数字量I/O控制继电器及TTL器件。
ADAM-4015是一个六通道的热电阻温度采集模块，它可以直接采集六路三线制的热电阻温度信号，其主要技术规格特点如下：
（1） A/D分辨率：16位
（2） 通道6路差分
（3） 输入类型：Pt、BalXO 和NiRTD 热电阻
（4） 隔离电压： 3000Vdc
（5） 采样速率：12采样点/秒
（6） 输入阻抗：10M
之所以选用ADAM-4015作为研华智能大厦的的测温模块，主要是它有如下优势：
1、 它提供标准的RS-485通信方式，可以非常方便地与ADAM-5510HC通信。
2、 所支持的温度采集通道数比较多，一块就可以满足此项目的采集路数要求。
3、 它能支持多种类型的热电阻，其中所支持的热电阻的测温范围也满足此项目的测温范围。
4、 ADAM-4015 提供了线路监测功能，可以很方便地解决接线方面的问题。
5、 TRACE MODE 组态软件提供了ADAM-4015的驱动，在这个软件中可以直接来驱动ADAM-4015的模块，这样就减少了系统的编程负担。
2．1．3 TRACE MODE 组态软件
TRACE MODE®适用于分布式控制系统的开发，是俄罗斯最畅销的工业控制组态软件，在市场上占有绝对垄断地位，也是独联体国家、东欧各国、印度、意大利等国最畅销的工控组态软件之一，TRACE MODE®由AdAstrA Research Group, Ltd公司于1992年开发成功。广泛应用于各种重要的工业领域，包括能源、冶金、石油、天然气、化工、食品以及其它工业领域和市政公共设施。
TRACE MODE®建立在多种独一无二的创新技术基础之上，其中包括：分布式控制系统整体开发解决方案、方案自动建立、提供信号处理和控制的原始算法、立体矢量图形、统一网络时间和独创的管理工作站图表数据回放技术。TRACE MODE®是世界上第一个将SCADA和Softlogic集成为一体的工控软件。
在此项目之所以选用TRACE MODE 组态软件作为研华智能大厦的编程工具软件，它主要有如下特点：
1、 它提供了非常方便的开发基础版本软件可以非常方便和没有时间限制的供用户进行前期的变成开发。
2、 整个组态软件采用通道的概念来计算系统的输入输出点，这样可以节省点数，从而达到节省成本的目的。
3、 TRACE MODE 组态软件提供了ADAM-5510HC 的FBD编程接口，只需使用TRACE MODE 组态软件就可以实现上下位机一体化编程，从而达到简化编程，缩短开发周期的目的。
4、 TRACE MODE 组态软件内置了一个WEB SERVER ，通过它，可以很方便的实现基于WEB方式的远程监控功能。
2．1．4 系统上位操作站-AWS-8248V
在系统的HMI硬件部分此系统选用了在国内广泛应用的AWS-8248V工作站。AWS是一款专为工厂和其他恶劣工业环境下应用而设计的基于 PC的工业级工作站，它带有14.1寸的低辐射高分辨率LCD显示屏全功能键盘。
之所以选用AWS-8248V作为此系统的上位工作站，它主要有如下技术优势：
1、宽敞的高质量LCD 显示
2、完全的工业化等级设计，系统稳定可靠，抗干扰能力强。
3、可定义的键盘板，可以简化操作程序。
2．2 系统架构
整个系统的架构如图2：
图2 系统架构图
整个系统分层设备级，控制层、管理层和远端客户访问层。设备层主要是整个系统的被控对象和数据采集传感器，主要是照明灯的开关，空调风机开关和测量室内环境温度的热电阻传感器。本工程的第一期一共有7路灯开关，2路空调开关和两路温度传感器，分别测试控制研华大楼一层大会议室和两个小会议室的照明系统和空调系统，并且采集两个小会议室的环境温度。 控制层是以ADAM-5510HC为核心，配合两个数字量输入模块（ADAM-5051D）和两个数字量输出模块（ADAM-5056D）。ADAM-5051主要是为整个系统扩展出28路手动开关按钮，用户可以通过手动方式可以直接来控制所有照明灯和空调风机的开关；ADAM-5056D模块主要是用来输出开关信号控制所有照明灯和空调风机的开关，ADAM-5056的开关信号由于是直流的24V的开关信号，无法直接控制照明灯和空调风机的交流220V开关信号，所以在系统的控制柜扩展了28路继电器，作为交直流的隔离层，这样5056的开关信号首先是控制继电器的开关，再由继电器去控制照明灯和空调风机的开关；环境温度的采集通过ADAM-4015采集，ADAM-4015的RS-485串行通信口与ADAM-5510HC的COM2口相连，ADAM-5510HC的程序按照ADAM-4015的协议把4015的温度信号数据采集过来，进行温度控制逻辑的运算，从而达到温度控制的目的； 管理层主要是由AWS-8248V工作站和运行的TRACE MODE 组态软件组成，它通过RS-232串行通信方式与ADAM-5510HC相连，主要监视和软件控制整个大楼照明系统和空调系统的运行状态，同时还配置了一个WEB SERVER ，把监测的主界面发布成网页，从而供远程客户端来进行远程监控。
3 系统软件功能分析
本系统的软件主要分两部分：通道库编程和数据描述器编程。
通道库编程主要是针对ADAM5510HC的输入输出通道，编写整个系统的控制逻辑，TRACE MODE 组态软件可以采用FBD方式对ADAM-5510HC编程。TRACE MODE 提供的FBD编程接口是符合IEC1131-3国际标准的图形编辑器，用户采用功能块连接方式来完成所需的控制逻辑。 TRACE MODE 组态软件包含有150多种FDB模块，由工控领域的资深专家编制而成，如：滤波、PID、PDD、模糊逻辑、位置控制、统计、算术、代数、三角函数、设备（闸门、电机、泵等）控制模块以及以及自适应和数学模型优化控制算法。
在此系统中，软件的逻辑主要有下面两个技术难点：
（1） 在整个智能大厦系统中，要实现四种方式完全独立地来控制每一盏照明灯的开关。也就是硬件手动按钮开关，软件按钮开关，定时自动开关和远程网络控制开关每一路照明灯的亮灭，所谓的完全独立，就是没一种开关方式都可以完全的控制每一路灯的亮灭，而不需要受制于其他控制方式所处的状态。要实现这个功能，通过硬件方式来实现，非常困难，但通过软件方式，却可以很方便的实现，程序的逻辑图如图3：
图3 开关控制程序逻辑图
在这个项目中，整个需要控制的照明灯开关通道为13路，空调风机开关的通道数为15路，整个开关控制逻辑程序都选用TRACE MODE FBD编程库的功能函数模块来实现，一共使用了900个功能模块，完成了四种方式同时完全独立控制每一路开关的目的。
（2）在整个大厦中，要使室内的环境温度保持在一定的范围内，而且这个温度范围要动态可设定。要实现这个功能需要有一个温度控制逻辑程序，而且由于整个研华大楼的中央空调在不同的季节，所输送的气体是不一样的，在夏季，空调风机产生的是冷风，风机开通起的作用是降温作用；在冬天，空调风机产生的是暖风，风机开通所起的作用是升温作用，所以在程序中必须根据当前所处的不同季节，选用不同的控制逻辑，来达到温度控制的目的，整个程序的逻辑图如图4：
图图4 温度控制程序逻辑图
整个温度控制系统可以根据系统当前所处的时间，自动的切换冬季和夏季两套不同的控制逻辑
而判断温度高低的上限值和下限值可以由操作者根据具体情况来设定，这样就可以室内温度控制在一个特定的范围内，达到了营造一个舒适工作环境的功能要求。
3 结束语
目前此套系统的一期工程安装已经全部安装完毕，系统运行稳定，效果明显，赢得了使用者好评，目前正准备二期的工程安装，而且在三期工程，还准备采用研华公司的VBOX视频服务器和UNO系统嵌入式控制器，实现整个大楼的视频监控系统和门禁控制系统，使整个研华大楼达到真正高度智能化管理。
整个通道库程序都在TRACE MODE 通道库编辑器里通过一个控制通道来与外部所有的I/O口相连，形成一个整体的输出输出控制系统。编程界面如图5所示：
图5 通道库编程界面
上位机监控程序的界面设计是通过TRACE MODE 软件的数据描述器来完成的，它提供了非常丰富的图库供使用者使用，用户只需要把所要监测的通道链接到相应的动态图形上即可动态监测整个系统。整个智能大厦的上位机界面窗口一共5个：主界面，灯光监测界面，空调风机动态监测界面和系统事件记录界面。图6 为温度监测界面的外观：
图6 温度监测界面
参考文献：
1、 研华ADAM-5510HC Manual
2、 TRACE MODE 组态软件应用手册
3、 刘国林. 建筑物自动化系统. 北京:机械工业出版社,2002