發布日期：2022-07-20 點擊率：81
1、引言
在工業自動化程度日益提高的今天，人們對自動化監控系統的人性化互動與系統定義要求越來越高。要求人機對話界面簡單明了，宜于操作，實時性好，開發周期短，便于修改、擴充、升級。因此，使得工控組態軟件成為開發工業自動化及其系統的一件有力武器。
組態(configuration)是指通過專用的軟件定義系統的過程。工控組態軟件(industrial control configuration software)是利用系統軟件提供的工具，通過簡單形象的組態工作，構成系統所需的軟件。國外軟件商推出了各種工業控制軟件包，如美國Wonderware公司的InTouch，美國Intellution公司的FIX，德國西門子公司的WinCC；國產工控組態軟件則以組態王、力控為代表，由于其具有中文界面，性價比較高，售后服務好，因此獲得了一定的市場份額。
廣東某鉛鋅礦運轉工區的空氣壓縮機組是采礦生產中的關鍵設備，共有六臺進口的英格索蘭CENTAC空氣壓縮機，它的運行穩定與否直接關系到整個礦區的安全生產和經濟效益。因此一個功能完善、操作方便的自動化系統對其整個運行過程進行監控就顯得十分重要。在該系統中，采用了三維力控組態軟件提供的完善的開發工具，形成了能夠保障空氣壓縮機安全穩定運行的礦區壓風機房計算機監控系統。實現了壓縮機組振動和溫度信號的報警、歷史運行數據的查詢、工況的自動切換、設備的遠程操作和管理以及系統運行情況的動態顯示等功能。
2、監控系統的構成
2.1 空氣壓縮機的工作原理
礦區的六臺空氣壓縮機皆為離心式，單臺空氣壓縮機分三級壓縮，電機帶動葉輪不停旋轉，空氣經濾網過濾之后進入一級壓縮腔，空氣由于離心力的作用被甩向一級壓縮腔壁經腔壁孔進入二級壓縮腔，一級壓縮腔中央產生負壓，源源不斷地吸引空氣進入一級壓縮腔。空氣在一級、二級、三級壓縮腔中壓縮之后壓力不斷升高，由三級壓縮腔流入儲氣罐，供礦井風鉆設備采礦用。每級壓縮腔中都安裝有溫度、壓力、振動信號傳感器，以及潤滑油溫度、壓力傳感器，對溫度、壓力、振動進行實時監測。
2.2 硬件系統
硬件框圖如圖1所示。考慮到運行速度和可靠性，主機采用聯想奔騰4處理機，通訊協議為標準的Modbus協議，現場控制機為英格索蘭公司的單片機。由于通訊距離較長，現場數據采用RS485總線送到中控室，經ADAM轉換器轉換后，由RS232總線進入主機。
圖1 監控系統組成圖
2.3 軟件系統
軟件平臺采用WindowsXP，選用三維科技有限公司的力控組態軟件。使用力控，用戶可以方便快速地構造不同需求的數據采集與監控系統，力控組態軟件的特點為：
（1） 具有實時開放數據庫系統。實時數據庫是力控軟件系統的數據處理核心，構建分布應用系統系統的基礎，負責實時數據處理、歷史數據存儲、統計數據處理、報警處理、數據服務請求處理等，用戶可以很容易地從實時數據庫系統獲取信息和將實時數據傳送到整個公司的信息系統中去，控制系統運行。
（2） 力控可以與多種I/O設備進行通信。目前支持的I/O設備包括：可編程控制器、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等。力控與I/O設備之間通過以下幾種方式進行數據交換：串行通訊方式（支持Modem遠程通信）、板卡方式、網絡結點方式、適配器方式、DDE方式、OPC方式等。
（3） 提供報警和事件。及時將控制過程和系統的運行情況通知操作人員，力控系統支持“過程報警”“系統報警”和“事件記錄”的顯示、記錄和打印。過程報警是指過程情況的報警；系統報警是有關系統運行錯誤報警以及I/O設備運行錯誤或故障報警等；而事件記錄則是系統對各種系統狀態以及用戶操作等信息的記錄。報警產生時首先由實時數據庫處理和保存，然后可由界面系統顯示和確認。
（4） 提供動畫連接。動畫連接是指畫面中圖形對象與變量或表達式的對應關系。建立動畫連接后，在界面運行系統中，圖形對象將根據變量或表達式的數據變化，改變其顏色、大小等外觀。
（5） 提供動作腳本。力控提供動作腳本以增強對應用程序控制的靈活性。
（6） 提供完備的安全保護機制，以保證生產過程的安全可靠。用戶管理將用戶分為操作工、班長、工程師、系統管理員等多個級別，并可根據級別限制當前用戶的行為，以有效避免生產過程中的誤操作。
此外還提供趨勢曲線、報表、分布式應用、配方、各種圖形、外部通訊、各種控件、內置數據表、I/O設備驅動等各種功能。在設計過程中，“子圖”提供了許多復雜圖片可以直接調用，“工具箱”中提供了許多繪圖工具可供使用，外部設備連接容易，編程簡單，使得整個設計過程十分容易，畫面生動形象，使用起來十分方便。
2.4 監控系統的功能
（1） 顯示功能 監控系統以圖形方式顯示空氣壓縮機的流程，動態的顯示當前的工況和運行狀態，相應的參數顯示在對應的位置上，如圖2所示，使運行管理人員能及時了解空氣壓縮機的運行情況。
圖2 實時數據顯示圖
（2） 實時報警功能 監控系統對空氣壓縮機的振動、溫度、油溫、油壓超過報警限值時，實現聲音報警和指示燈閃爍報警，進行故障判斷，報警記錄。
（3） 數據庫功能監控系統建立實時數據庫作為整個系統的數據處理、組織和管理的核心,記錄實時過程的歷史數據，用于過程存檔、歷史數據查詢、事故分析、經驗學習等。
（4） 工況自動切換功能 當系統壓力超過用戶設定壓力時，設備由加載工況轉為卸載工況；當系統壓力小于用戶設定壓力的84%時，設備由卸載工況轉為加載工況。使得系統壓力維持在一定的壓力區間，確保礦井風鉆設備有穩定的壓力。
（5） 設備遠程操作與管理用戶可通過監控系統對空氣壓縮機進行遠程啟/停控制（設備的遠程控制開關必須置為有效狀態），數據庫記錄設備的累計運行時間，使長期運行的設備交替運行，避免某臺設備長期運行，提高設備使用壽命。
3、組態設計
利用力控組態軟件的圖形開發環境Draw、圖形界面運行系統View、分布式實時數據庫DB，I/O驅動程序I/Oserver等組件，可方便地開發出監控系統的上述功能。
3.1 畫面組態
Draw中提供了大量的圖形對象，利用這些基本圖形對象以及插入外部位圖組態得出空氣壓縮機組的總流程圖畫面和各單臺壓縮機的畫面，畫面組成如圖3所示，總流程圖用不同顏色變化指示六臺壓縮機的運轉、停止工況，以及顯示幾個關鍵監控數據點的實時值。如需查看單臺壓縮機的數據，可鼠標單擊切換到對應的壓縮機畫面。
圖3 監控畫面組成圖
單臺壓縮機畫面由下拉式菜單和流程圖組成。流程圖顯示的是壓縮機的設備、管道、閥門的連接情況和運行原理，當系統沒有啟動時，整個畫面為靜態。一旦系統進入運行，畫面上將顯示當前設備的啟停和閥門開度，管道內的介質不停地流動，同時從現場檢測的溫度、壓力、振動、潤滑油溫度和壓力顯示在對應位置，振動數據采用實時趨勢曲線來表示。當有報警產生時，有聲音和指示燈閃爍報警，并且彈出報警提示框和故障類型判別框，對當前報警進行確認后，進行故障的排除。
管道內的介質不停地流動的動畫和報警時指示燈閃爍動畫是通過Draw中的動畫連接功能實現的。當在Draw中創建了圖形對象以后，就可以根據需要將圖形對象與數據變量或表達式建立聯系，進入圖形界面運行環境View后，圖形對象就可以根據數據變量或表達式的變化按動畫連接的要求進行改變，如顏色變化、尺寸及位置的變化、顯現與隱藏變化、數值顯示等。聲音的發出是根據數據變量或表達式的變化啟動一種系統聲音或者用戶自定義的一段聲音。
在監控畫面的頂端設計了具有Windows風格的下拉式菜單，這可以通過Draw中的自定義菜單工具完成。選擇各菜單項或子菜單項，可以執行切換窗口、報警記錄查詢、顯示歷史曲線和歷史數據、打印窗口等動作或其它自定義動作。
3.2 數據庫組態
在Draw的導航器中單擊“實時數據庫組態”，啟動實時數據庫組態程序，開始創建監控系統的數據庫。力控實時數據庫是以“點”為數據對象來索引數據的，一個點由若干參數組成，系統以點參數為單位存放各種信息，即點相當于關系數據庫中的關鍵字，點參數相當于字段。系統中各檢測點的振動、溫度、壓力、油溫、油壓、閥門開度等都需要保存在數據庫中。在建立數據庫時，首先按照點類型(模擬點、數字點、累計點、控制點或運算點)創建新點，對其參數進行設置，包括基本參數和報警參數，并且進行量程轉換，然后把已創建的點和點參數與現場的I/O設備檢測到的某一具體數據項建立映射關系，當這一關系建立以后，數據庫中的點和點參數才與來自I/O設備的數據源建立了一個數據鏈路。當然，數據庫與現場設備的數據通信必須通過力控提供的這類設備的I/O驅動程序來完成。當數據庫需保存點參數值的變化過程形成歷史數據時，就必須進行歷史數據組態，指定哪些點需要保存歷史數據，以及歷史數據的記錄精度(即當數據的變化超過多少比例時，才記錄這一變化)和保存時間。
數據庫創建好之后，則可將點參數與趨勢或歷史報表建立聯系，使系統可以以曲線或表格的形式向用戶顯示實時數據的變化過程。力控中的趨勢、歷史報表都是以標準圖形的形式給出的，開發者需要對相應的參數進行設置.。趨勢中的參數包括時間范圍、掃描周期、數值范圍、數據源等，歷史報表中的參數則包括報表的起始時刻、時間范圍、時間間隔、數據源、變量等。
3.3 工況自動切換
為了自動實現設備的加載工況和卸載工況的互相切換，使用力控組態時運用條件動作，當系統壓力超過用戶設定壓力時，遠程加載離散量置0，遠程卸載離散量置1，設備由加載工況轉為卸載工況；當系統壓力小于用戶設定壓力的84%時，遠程卸載離散量置0，遠程加載離散量置1，設備由卸載工況轉為加載工況。使得系統壓力維持在一定的壓力區間，確保礦井風鉆設備壓力穩定。
3.4 設備遠程操作與管理
為了減輕運行管理人員的勞動量，系統能通過上位機對設備的啟停進行遠程控制，組態設計時，首先要定義設備啟停狀態和加載卸載狀態的開關型變量，通過通信接口將這些變量與現場控制單片機相應的地址連接。系統運行時，根據不同的工況要求，當現場控制機的遠程控制開關置為有效時，用腳本對設備啟停和加載卸載的變量賦值1或0，就可以完成遠程啟?？刂坪图虞d卸載工況切換。當設備檢修時，系統則關閉此功能，由維修人員直接在現場控制。為了延長設備的使用壽命，通過累計各設備的運行時間，進行選擇性地啟動或停機，加載時，啟動累計運行時間最短的設備；卸載時，關閉累計運行時間最長的設備，則使各設備的運行時間平衡。
3.5 通訊接口設計
下位機為單片機，通訊協議為標準的Modbus協議，對基本通訊模塊編址和通信參數設置后，由于力控支持標準的Modbus協議，在力控導航器“I/O設備驅動”項目下找到相應的Modbus協議驅動程序，雙擊激活設備配置對話框，進行設備地址及相應通訊參數的設置（通訊參數必須和基本通訊模塊一致），以及合適的數據掃描周期和故障查詢時間的設置，然后利用數據庫中的數據連接組態工具將點參數與單片機中的需采集的過程數據的地址相連接，建立數據庫點參數與現場數據的通信鏈路。讀取模擬量時使用Modbus協議的三、四號指令，進行遠程啟停和加載卸載等離散量賦值操作時使用Modbus協議的一、五號指令。這樣，當系統運行時，會自動啟動驅動程序，按照接口協議的規定完成上位機與下位機之間的數據通信。
4、結束語
本文的創新點為：利用力控組態軟件實現了六臺空壓機的實時監測，工況自動切換，遠程操作與智能管理，使六臺空壓機運轉達到最優狀態，延長使用壽命。該監控系統已在礦區投入使用，兩個多月來的運行情況表明，該系統運行可靠，維護方便，監控過程顯示形象直觀，不但滿足了這些關鍵設備的監控要求，而且也保證了礦區的安全生產，具有直接的經濟效益。
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