UPS 集中监控系统的研发与应用
发布时间：2019-10-15
在大规模分布式工业控制系统中，特别是化工、电力等行业的 DCS 控制系统，供电系统的稳定性和可靠性将直接影响整个控制运行的稳定性[1].不间断电源（ uninterruptable power system,UPS） 作为电力供应设备[2],往往会分布在工业现场的多个位置。如无法实现对这些 UPS 电源的有效、集中监控，将会给工业控制系统的稳定性带来很大的隐患。
本文采用串口服务器联网技术，实现了企业 UPS电源联网，使用 C#语言开发了 UPS 监控系统，集中监控系统中分布的 UPS 电源运行状况。
1 UPS 电源在工业控制系统中的重要性。
我国的电网发电及用电情况比较复杂，设备建设相对滞后、管理不善等问题造成企业使用的交流电质量较差、电压波动范围大。同时，由于企业工业设备会带来大量严重的电磁和谐波干扰，也会破坏我国电网环境。
在工业现场中，供电系统出现严重问题时，会发生设备断电、损坏、误操作、工作性能变差、软件数据丢失或错误、网络数据传输率降低、计算机网络不能正常运行等状况。例如工业供电电压波动过大会造成 DCS不能正常运行，电力系统除了遭受一定的经济损失外，也产生了电厂锅炉安全性的巨大危机。UPS 作为保护性的电源设备，可有效解决电源安全性问题。稳定、可靠的 UPS 电源对工业控制系统非常重要[3].
2 总体方案与关键技术。
基于 C#语言的 UPS 监控系统主要包括两个部分：
底层为使用串口服务器连接 UPS,核心为 C#语言开发的 UPS 监控系统。
当前，UPS 电源大量应用了控制技术、计算机技术进行各种异常保护、信号检测、电池管理等操作，可以通过 UPS 电源通信接口（ RS - 232/RS - 485/SNMP卡） ,对交流输入电压、电流、频率、直流输出电压、总负载电流、蓄电池充放电电流、整流模块状态、逆变模块状态、静态开关模块状态等信息进行集中监控。
由于 UPS 电源主机都支持 RS - 232 通信，本系统中使用串口服务器将 UPS 的 RS - 232 串口转换为TCP / IP 网络接口，使得 UPS 电源设备能够立即具备TCP / IP 网络接口功能，以便连接到就近的以太网中，从而实现多个 UPS 电源的快速组网。系统架构如图 1 所示。
2. 1 UPS 电源串口通信。
UPS 电源都预留有 RS - 232 接口，而其他类型通信则需要另外购买相关硬件。此外，在工业控制系统中会出现多个不同品牌的 UPS 设备，虽然其通信协议不同，但在硬件上都是基于 RS - 232 接口的，只是在命令格式和数据报文上有所差异[4].例如厦门科华电子的 UPS,串口通信传输速率为 2 400 bit/s,设备通信采用主从式的工作方式，上位机呼叫机内监控单元下发命令，等待下位机应答； 若无应答或应答无效，则进行下一次呼叫； 若连续 10 s 无应答，则认为通信链路中断； UPS 内的监控单元在接收到上位机的请求命令后，对命令进行判断并作出正确响应。
系统通过 RS -232 接口采集 UPS 电源运行信息，可以最大程度地集成工厂中的 UPS 设备。在系统硬件安装之前，需要根据 UPS 设备通信手册，使用串口调试工具检测 UPS 设备串口硬件状况。
2. 2 串口转以太网设备。
串口 服 务 器 提 供 串 口 转 网 络 功 能，能 够 将RS - 232 /485 /422串口转换成 TCP / IP 网络接口，实现这些串口与 TCP/IP 网络接口的数据双向、透明传输。
串口设备具备 TCP/IP 网络接口功能，可连接网络进行数据通信，极大程度地扩展了串口设备的通信距离。
串口联网服务器产品提供了直接通过网络访问工业设备的解决方案。传统串口设备因此可以被转换为通过局域网甚至互联网实现监测和控制的以太网设备。常见的串口联网服务器工作模式包括协议转换、Real COM（ 实时串口） 驱动、TCP 操作模式。本系统选用了 MOXA NPort 系列串口设备联网服务器，可根据现场的实际情况，灵活地选择支持 1 个或多个串口的设备。
2. 3 基于 C#的 OPC 数据通信。
用于过程控制的对象连接嵌入（ object linking andembedding for process cortrol,OPC ） 以 OLE / COM /DCOM 技术为基础，采用客户 / 服务器模式，为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一的标准。
这个标准定义了应用 Microsoft 操作系统在基于PC 的客户机之间交换自动化实时数据的方法。OPC主要包含自定义接口和自动化接口，自定义接口是服务商必须提供的，而自动化接口则是可选的。同时，OPC 基金会提供了 OpcRcw 动态链接库、OPC NETCOM 包装器和 OPC NET API,将 OPC 复杂的规范封装成简单易用的 C# 类，从而可以比较容易地实现 OPC数据访问。
在运行的过程中，组态软件本身也可以作为 OPCServer,为其他 OPC 客户端提供运行数据。其他软件可以通过 OPC 技术与组态软件系统实现数据交互，例如 SIEMENS WinCC 组态软件在运行的时候，提供OPCServer. WinCC 服务器，作为数据外部访问接口。
本文在基于 C# 实现 UPS 监控系统的过程中，系统内置了 OPC 客户端，可以通过 OPC 配置实现和其他组态软件的互连。
3 基于 C# 的 UPS 监控系统的实现。
3. 1 串口服务器配置。
MOXA NPort 系 列 串 口 服 务 器 驱 动 程 序 支 持Windows 的 Real COM 和 Linux 的终端设备通信。串口服务器可通过 IP 映射，建立主机和串行设备之间的透明传输。其中，Real COM 模式最多支持 4 个设备同时连接，以便多台主机连接同一个串行设备并从中收发数据。使用 Real COM 模式的最大益处是，可以像真实存在的串口一样，使用串口通信软件通过以太网和串口设备进行通信。
MOXA 针对串口联网服务器，开发了软件 NPort Administrator,便于用户配置。在 NPort Administrator 管理界面内，点击 COM Mapping 项，进入串口映射界面，在右边的列表内会列出所有的串口及相关设置，点击应用当前的设置。在列表内双击某一项可以修改其配置（ 例如修改 port1映射 COM1） ,修改完毕后，点击应用当前的配置。此时，需记住 Nport 设备的串口名所映射的 COM Port 的对应关系，例如 port1映射 COM1、port2映射 COM2,依次类推，以便在软件中使用 COM口将数据发送到显示屏。
3. 2 程序设计。
串口服务器配置完成后，UPS 监控系统才能稳定运行。UPS 监控系统的程序设计主要由串口数据处理、报警数据分析、OPC 数据传输这三个方面组成。
程序流程图如图 3 所示。
C#语言支持通过多线程并行地执行代码，每个线程都有它独立的执行路径，能够与其他线程同时运行，适当使用多线程能提高系统性能[5].程序启动后，完成数据库配置、系统设置、数据库初始化等任务，以串口数据读取线程为主线程，再创建报警处理线程与OPC 数据传输线程，由这三个线程协同完成 UPS 监控系统任务。
串口数据读取线程的主要任务是从命令缓冲区读取命令[6],并将相关命令发送到 UPS 设备； 然后接收UPS 设备信息并写入数据库中。报警处理线程首先从数据库读取报警设置信息和设备运行信息，对 UPS 设备状况进行智能分析，判断是否需要报警； 如果需要，就通过短信模块联系相关责任人。OPC 数据传输线程根据所连接 OPC 服务器提供的变量信息，并通过读取数据库报警设置信息和设备运行信息，实现监控系统与组态软件数据的交互。
3. 3 程序界面。
UPS 监控系统程序包括运行总览、网络状态、报警信息、数据库设置、系统设置和 OPC 设置功能。运行总览能够快速查看所有的 UPS 设备运行信息，点击子菜单可以查看单个 UPS 电源的详细信息。网络状态是根据 NPort 串口服务器的联网运行数据显示整个网络信息。报警信息功能可及时查看最新和历史故障及报警信息。数据库设置功能可便于用户备份和恢复监控系统的数据。系统配置用于串口型号设置、报警参数设置、用户及权限设置、蓄电池设置、短信模块配置等相关配置。OPC 配置可以与组态软件及其他 OPC服务器建立连接[7].
4 结束语。
在工业控制系统中，使用 UPS 电源可以为安装有组态软件的服务器和计算机以及现场设备提供稳定、不间断的电力供应，从而有效保护工业控制系统中的精密电子仪器，维持生产线持续运行，减少工业安全事故发生。
本文基于串口服务器联网技术，使用串口服务器将 UPS 的 RS - 232 串口转换为 TCP/IP 网络接口，实现了 UPS 电源快速组网。同时，使用 C#语言开发了UPS 监控系统，可集中监控企业中多个 UPS 电源的运行信息，并提供了短信报警功能； 采用 OPC 技术与组态软件进行数据交互，实现了与企业监控系统项目集成。
参考文献：
[1] 郝伟。 DCS 系统设计及在电厂热工控制系统的应用[J]. 科技创新与应用，2014（ 31） : 140 -140.
[2] 周波，刘春玉，王毅。 UPS 实时监控系统的设计[J]. 武汉理工大学学报（ 信息与管理工程版） ,2013,35（ 1） : 32 -35.
[3] 郭亚杰，相有桓，韩慧奇。 UPS 网络集中监控系统设计与实现[J]. 电子技术，2013（ 10） : 26 -28.
[4] 王天夫，侯春杰，关俊武，等。 基于云终端的 UPS 电池远程监测系统软件设计[J]. 信息技术，2015（ 9） : 184 -186.
[5] 王小科。 C#开发实战1200 例[M]. 北京： 清华大学出版社，2011.
[6] 冯庆东，杨丽。 C#项目开发全程实录[M]. 3 版。 北京： 清华大学出版社，2013.
[7] 陆会明。 OPC 服务器开发设计与应用[M]. 北京： 机械工业出版社，2010.
本文采用串口服务器联网技术，实现了企业 UPS电源联网，使用 C#语言开发了 UPS 监控系统，集中监控系统中分布的 UPS 电源运行状况。
1 UPS 电源在工业控制系统中的重要性。
我国的电网发电及用电情况比较复杂，设备建设相对滞后、管理不善等问题造成企业使用的交流电质量较差、电压波动范围大。同时，由于企业工业设备会带来大量严重的电磁和谐波干扰，也会破坏我国电网环境。
在工业现场中，供电系统出现严重问题时，会发生设备断电、损坏、误操作、工作性能变差、软件数据丢失或错误、网络数据传输率降低、计算机网络不能正常运行等状况。例如工业供电电压波动过大会造成 DCS不能正常运行，电力系统除了遭受一定的经济损失外，也产生了电厂锅炉安全性的巨大危机。UPS 作为保护性的电源设备，可有效解决电源安全性问题。稳定、可靠的 UPS 电源对工业控制系统非常重要[3].
2 总体方案与关键技术。
基于 C#语言的 UPS 监控系统主要包括两个部分：
底层为使用串口服务器连接 UPS,核心为 C#语言开发的 UPS 监控系统。
当前，UPS 电源大量应用了控制技术、计算机技术进行各种异常保护、信号检测、电池管理等操作，可以通过 UPS 电源通信接口（ RS - 232/RS - 485/SNMP卡） ,对交流输入电压、电流、频率、直流输出电压、总负载电流、蓄电池充放电电流、整流模块状态、逆变模块状态、静态开关模块状态等信息进行集中监控。
由于 UPS 电源主机都支持 RS - 232 通信，本系统中使用串口服务器将 UPS 的 RS - 232 串口转换为TCP / IP 网络接口，使得 UPS 电源设备能够立即具备TCP / IP 网络接口功能，以便连接到就近的以太网中，从而实现多个 UPS 电源的快速组网。系统架构如图 1 所示。
2. 1 UPS 电源串口通信。
UPS 电源都预留有 RS - 232 接口，而其他类型通信则需要另外购买相关硬件。此外，在工业控制系统中会出现多个不同品牌的 UPS 设备，虽然其通信协议不同，但在硬件上都是基于 RS - 232 接口的，只是在命令格式和数据报文上有所差异[4].例如厦门科华电子的 UPS,串口通信传输速率为 2 400 bit/s,设备通信采用主从式的工作方式，上位机呼叫机内监控单元下发命令，等待下位机应答； 若无应答或应答无效，则进行下一次呼叫； 若连续 10 s 无应答，则认为通信链路中断； UPS 内的监控单元在接收到上位机的请求命令后，对命令进行判断并作出正确响应。
系统通过 RS -232 接口采集 UPS 电源运行信息，可以最大程度地集成工厂中的 UPS 设备。在系统硬件安装之前，需要根据 UPS 设备通信手册，使用串口调试工具检测 UPS 设备串口硬件状况。
2. 2 串口转以太网设备。
串口 服 务 器 提 供 串 口 转 网 络 功 能，能 够 将RS - 232 /485 /422串口转换成 TCP / IP 网络接口，实现这些串口与 TCP/IP 网络接口的数据双向、透明传输。
串口设备具备 TCP/IP 网络接口功能，可连接网络进行数据通信，极大程度地扩展了串口设备的通信距离。
串口联网服务器产品提供了直接通过网络访问工业设备的解决方案。传统串口设备因此可以被转换为通过局域网甚至互联网实现监测和控制的以太网设备。常见的串口联网服务器工作模式包括协议转换、Real COM（ 实时串口） 驱动、TCP 操作模式。本系统选用了 MOXA NPort 系列串口设备联网服务器，可根据现场的实际情况，灵活地选择支持 1 个或多个串口的设备。
2. 3 基于 C#的 OPC 数据通信。
用于过程控制的对象连接嵌入（ object linking andembedding for process cortrol,OPC ） 以 OLE / COM /DCOM 技术为基础，采用客户 / 服务器模式，为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一的标准。
这个标准定义了应用 Microsoft 操作系统在基于PC 的客户机之间交换自动化实时数据的方法。OPC主要包含自定义接口和自动化接口，自定义接口是服务商必须提供的，而自动化接口则是可选的。同时，OPC 基金会提供了 OpcRcw 动态链接库、OPC NETCOM 包装器和 OPC NET API,将 OPC 复杂的规范封装成简单易用的 C# 类，从而可以比较容易地实现 OPC数据访问。
在运行的过程中，组态软件本身也可以作为 OPCServer,为其他 OPC 客户端提供运行数据。其他软件可以通过 OPC 技术与组态软件系统实现数据交互，例如 SIEMENS WinCC 组态软件在运行的时候，提供OPCServer. WinCC 服务器，作为数据外部访问接口。
本文在基于 C# 实现 UPS 监控系统的过程中，系统内置了 OPC 客户端，可以通过 OPC 配置实现和其他组态软件的互连。
3 基于 C# 的 UPS 监控系统的实现。
3. 1 串口服务器配置。
MOXA NPort 系 列 串 口 服 务 器 驱 动 程 序 支 持Windows 的 Real COM 和 Linux 的终端设备通信。串口服务器可通过 IP 映射，建立主机和串行设备之间的透明传输。其中，Real COM 模式最多支持 4 个设备同时连接，以便多台主机连接同一个串行设备并从中收发数据。使用 Real COM 模式的最大益处是，可以像真实存在的串口一样，使用串口通信软件通过以太网和串口设备进行通信。
MOXA 针对串口联网服务器，开发了软件 NPort Administrator,便于用户配置。在 NPort Administrator 管理界面内，点击 COM Mapping 项，进入串口映射界面，在右边的列表内会列出所有的串口及相关设置，点击应用当前的设置。在列表内双击某一项可以修改其配置（ 例如修改 port1映射 COM1） ,修改完毕后，点击应用当前的配置。此时，需记住 Nport 设备的串口名所映射的 COM Port 的对应关系，例如 port1映射 COM1、port2映射 COM2,依次类推，以便在软件中使用 COM口将数据发送到显示屏。
3. 2 程序设计。
串口服务器配置完成后，UPS 监控系统才能稳定运行。UPS 监控系统的程序设计主要由串口数据处理、报警数据分析、OPC 数据传输这三个方面组成。
程序流程图如图 3 所示。
C#语言支持通过多线程并行地执行代码，每个线程都有它独立的执行路径，能够与其他线程同时运行，适当使用多线程能提高系统性能[5].程序启动后，完成数据库配置、系统设置、数据库初始化等任务，以串口数据读取线程为主线程，再创建报警处理线程与OPC 数据传输线程，由这三个线程协同完成 UPS 监控系统任务。
串口数据读取线程的主要任务是从命令缓冲区读取命令[6],并将相关命令发送到 UPS 设备； 然后接收UPS 设备信息并写入数据库中。报警处理线程首先从数据库读取报警设置信息和设备运行信息，对 UPS 设备状况进行智能分析，判断是否需要报警； 如果需要，就通过短信模块联系相关责任人。OPC 数据传输线程根据所连接 OPC 服务器提供的变量信息，并通过读取数据库报警设置信息和设备运行信息，实现监控系统与组态软件数据的交互。
3. 3 程序界面。
UPS 监控系统程序包括运行总览、网络状态、报警信息、数据库设置、系统设置和 OPC 设置功能。运行总览能够快速查看所有的 UPS 设备运行信息，点击子菜单可以查看单个 UPS 电源的详细信息。网络状态是根据 NPort 串口服务器的联网运行数据显示整个网络信息。报警信息功能可及时查看最新和历史故障及报警信息。数据库设置功能可便于用户备份和恢复监控系统的数据。系统配置用于串口型号设置、报警参数设置、用户及权限设置、蓄电池设置、短信模块配置等相关配置。OPC 配置可以与组态软件及其他 OPC服务器建立连接[7].
4 结束语。
在工业控制系统中，使用 UPS 电源可以为安装有组态软件的服务器和计算机以及现场设备提供稳定、不间断的电力供应，从而有效保护工业控制系统中的精密电子仪器，维持生产线持续运行，减少工业安全事故发生。
本文基于串口服务器联网技术，使用串口服务器将 UPS 的 RS - 232 串口转换为 TCP/IP 网络接口，实现了 UPS 电源快速组网。同时，使用 C#语言开发了UPS 监控系统，可集中监控企业中多个 UPS 电源的运行信息，并提供了短信报警功能； 采用 OPC 技术与组态软件进行数据交互，实现了与企业监控系统项目集成。
参考文献：
[1] 郝伟。 DCS 系统设计及在电厂热工控制系统的应用[J]. 科技创新与应用，2014（ 31） : 140 -140.
[2] 周波，刘春玉，王毅。 UPS 实时监控系统的设计[J]. 武汉理工大学学报（ 信息与管理工程版） ,2013,35（ 1） : 32 -35.
[3] 郭亚杰，相有桓，韩慧奇。 UPS 网络集中监控系统设计与实现[J]. 电子技术，2013（ 10） : 26 -28.
[4] 王天夫，侯春杰，关俊武，等。 基于云终端的 UPS 电池远程监测系统软件设计[J]. 信息技术，2015（ 9） : 184 -186.
[5] 王小科。 C#开发实战1200 例[M]. 北京： 清华大学出版社，2011.
[6] 冯庆东，杨丽。 C#项目开发全程实录[M]. 3 版。 北京： 清华大学出版社，2013.
[7] 陆会明。 OPC 服务器开发设计与应用[M]. 北京： 机械工业出版社，2010.