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基于力控组态软件的空压机监控系统

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1、引言

在工业自动化程度日益提高的今天，人们对自动化监控系统的人性化互动与系统定义要求越来越高。要求人机对话界面简单明了，宜于操作，实时性好，开发周期短，便于修改、扩充、升级。因此，使得工控组态软件成为开发工业自动化及其系统的一件有力武器。

组态(configuration)是指通过专用的软件定义系统的过程。工控组态软件(industrial control configuration software)是利用系统软件提供的工具，通过简单形象的组态工作，构成系统所需的软件。国外软件商推出了各种工业控制软件包，如美国Wonderware公司的InTouch，美国Intellution公司的FIX，德国西门子公司的WinCC；国产工控组态软件则以组态王、力控为代表，由于其具有中文界面，性价比较高，售后服务好，因此获得了一定的市场份额。

广东某铅锌矿运转工区的空气压缩机组是采矿生产中的关键设备，共有六台进口的英格索兰CENTAC空气压缩机，它的运行稳定与否直接关系到整个矿区的安全生产和经济效益。因此一个功能完善、操作方便的自动化系统对其整个运行过程进行监控就显得十分重要。在该系统中，采用了三维力控组态软件提供的完善的开发工具，形成了能够保障空气压缩机安全稳定运行的矿区压风机房计算机监控系统。实现了压缩机组振动和温度信号的报警、历史运行数据的查询、工况的自动切换、设备的远程操作和管理以及系统运行情况的动态显示等功能。

2、监控系统的构成

2.1 空气压缩机的工作原理

矿区的六台空气压缩机皆为离心式，单台空气压缩机分三级压缩，电机带动叶轮不停旋转，空气经滤网过滤之后进入一级压缩腔，空气由于离心力的作用被甩向一级压缩腔壁经腔壁孔进入二级压缩腔，一级压缩腔中央产生负压，源源不断地吸引空气进入一级压缩腔。空气在一级、二级、三级压缩腔中压缩之后压力不断升高，由三级压缩腔流入储气罐，供矿井风钻设备采矿用。每级压缩腔中都安装有温度、压力、振动信号传感器，以及润滑油温度、压力传感器，对温度、压力、振动进行实时监测。

2.2 硬件系统

硬件框图如图1所示。考虑到运行速度和可靠性，主机采用联想奔腾4处理机，通讯协议为标准的Modbus协议，现场控制机为英格索兰公司的单片机。由于通讯距离较长，现场数据采用RS485总线送到中控室，经ADAM转换器转换后，由RS232总线进入主机。

图1 监控系统组成图

2.3 软件系统

软件平台采用WindowsXP，选用三维科技有限公司的力控组态软件。使用力控，用户可以方便快速地构造不同需求的数据采集与监控系统，力控组态软件的特点为：

（1）具有实时开放数据库系统。实时数据库是力控软件系统的数据处理核心，构建分布应用系统系统的基础，负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等，用户可以很容易地从实时数据库系统获取信息和将实时数据传送到整个公司的信息系统中去，控制系统运行。

（2）力控可以与多种I/O设备进行通信。目前支持的I/O设备包括：可编程控制器、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等。力控与I/O设备之间通过以下几种方式进行数据交换：串行通讯方式（支持Modem远程通信）、板卡方式、网络结点方式、适配器方式、DDE方式、OPC方式等。

（3）提供报警和事件。及时将控制过程和系统的运行情况通知操作人员，力控系统支持“过程报警”“系统报警”和“事件记录”的显示、记录和打印。过程报警是指过程情况的报警；系统报警是有关系统运行错误报警以及I/O设备运行错误或故障报警等；而事件记录则是系统对各种系统状态以及用户操作等信息的记录。报警产生时首先由实时数据库处理和保存，然后可由界面系统显示和确认。

（4）提供动画连接。动画连接是指画面中图形对象与变量或表达式的对应关系。建立动画连接后，在界面运行系统中，图形对象将根据变量或表达式的数据变化，改变其颜色、大小等外观。

（5）提供动作脚本。力控提供动作脚本以增强对应用程序控制的灵活性。

（6）提供完备的安全保护机制，以保证生产过程的安全可靠。用户管理将用户分为操作工、班长、工程师、系统管理员等多个级别，并可根据级别限制当前用户的行为，以有效避免生产过程中的误操作。

此外还提供趋势曲线、报表、分布式应用、配方、各种图形、外部通讯、各种控件、内置数据表、I/O设备驱动等各种功能。在设计过程中，“子图”提供了许多复杂图片可以直接调用，“工具箱”中提供了许多绘图工具可供使用，外部设备连接容易，编程简单，使得整个设计过程十分容易，画面生动形象，使用起来十分方便。

2.4 监控系统的功能

（1）显示功能监控系统以图形方式显示空气压缩机的流程，动态的显示当前的工况和运行状态，相应的参数显示在对应的位置上，如图2所示，使运行管理人员能及时了解空气压缩机的运行情况。

图2 实时数据显示图

（2）实时报警功能监控系统对空气压缩机的振动、温度、油温、油压超过报警限值时，实现声音报警和指示灯闪烁报警，进行故障判断，报警记录。

（3）数据库功能监控系统建立实时数据库作为整个系统的数据处理、组织和管理的核心,记录实时过程的历史数据，用于过程存档、历史数据查询、事故分析、经验学习等。

（4）工况自动切换功能当系统压力超过用户设定压力时，设备由加载工况转为卸载工况；当系统压力小于用户设定压力的84%时，设备由卸载工况转为加载工况。使得系统压力维持在一定的压力区间，确保矿井风钻设备有稳定的压力。

（5）设备远程操作与管理用户可通过监控系统对空气压缩机进行远程启/停控制（设备的远程控制开关必须置为有效状态），数据库记录设备的累计运行时间，使长期运行的设备交替运行，避免某台设备长期运行，提高设备使用寿命。

3、组态设计

利用力控组态软件的图形开发环境Draw、图形界面运行系统View、分布式实时数据库DB，I/O驱动程序I/Oserver等组件，可方便地开发出监控系统的上述功能。

3.1 画面组态

Draw中提供了大量的图形对象，利用这些基本图形对象以及插入外部位图组态得出空气压缩机组的总流程图画面和各单台压缩机的画面，画面组成如图3所示，总流程图用不同颜色变化指示六台压缩机的运转、停止工况，以及显示几个关键监控数据点的实时值。如需查看单台压缩机的数据，可鼠标单击切换到对应的压缩机画面。

图3 监控画面组成图

单台压缩机画面由下拉式菜单和流程图组成。流程图显示的是压缩机的设备、管道、阀门的连接情况和运行原理，当系统没有启动时，整个画面为静态。一旦系统进入运行，画面上将显示当前设备的启停和阀门开度，管道内的介质不停地流动，同时从现场检测的温度、压力、振动、润滑油温度和压力显示在对应位置，振动数据采用实时趋势曲线来表示。当有报警产生时，有声音和指示灯闪烁报警，并且弹出报警提示框和故障类型判别框，对当前报警进行确认后，进行故障的排除。

管道内的介质不停地流动的动画和报警时指示灯闪烁动画是通过Draw中的动画连接功能实现的。当在Draw中创建了图形对象以后，就可以根据需要将图形对象与数据变量或表达式建立联系，进入图形界面运行环境View后，图形对象就可以根据数据变量或表达式的变化按动画连接的要求进行改变，如颜色变化、尺寸及位置的变化、显现与隐藏变化、数值显示等。声音的发出是根据数据变量或表达式的变化启动一种系统声音或者用户自定义的一段声音。

在监控画面的顶端设计了具有Windows风格的下拉式菜单，这可以通过Draw中的自定义菜单工具完成。选择各菜单项或子菜单项，可以执行切换窗口、报警记录查询、显示历史曲线和历史数据、打印窗口等动作或其它自定义动作。

3.2 数据库组态

在Draw的导航器中单击“实时数据库组态”，启动实时数据库组态程序，开始创建监控系统的数据库。力控实时数据库是以“点”为数据对象来索引数据的，一个点由若干参数组成，系统以点参数为单位存放各种信息，即点相当于关系数据库中的关键字，点参数相当于字段。系统中各检测点的振动、温度、压力、油温、油压、阀门开度等都需要保存在数据库中。在建立数据库时，首先按照点类型(模拟点、数字点、累计点、控制点或运算点)创建新点，对其参数进行设置，包括基本参数和报警参数，并且进行量程转换，然后把已创建的点和点参数与现场的I/O设备检测到的某一具体数据项建立映射关系，当这一关系建立以后，数据库中的点和点参数才与来自I/O设备的数据源建立了一个数据链路。当然，数据库与现场设备的数据通信必须通过力控提供的这类设备的I/O驱动程序来完成。当数据库需保存点参数值的变化过程形成历史数据时，就必须进行历史数据组态，指定哪些点需要保存历史数据，以及历史数据的记录精度(即当数据的变化超过多少比例时，才记录这一变化)和保存时间。

数据库创建好之后，则可将点参数与趋势或历史报表建立联系，使系统可以以曲线或表格的形式向用户显示实时数据的变化过程。力控中的趋势、历史报表都是以标准图形的形式给出的，开发者需要对相应的参数进行设置.。趋势中的参数包括时间范围、扫描周期、数值范围、数据源等，历史报表中的参数则包括报表的起始时刻、时间范围、时间间隔、数据源、变量等。

3.3 工况自动切换

为了自动实现设备的加载工况和卸载工况的互相切换，使用力控组态时运用条件动作，当系统压力超过用户设定压力时，远程加载离散量置0，远程卸载离散量置1，设备由加载工况转为卸载工况；当系统压力小于用户设定压力的84%时，远程卸载离散量置0，远程加载离散量置1，设备由卸载工况转为加载工况。使得系统压力维持在一定的压力区间，确保矿井风钻设备压力稳定。

3.4 设备远程操作与管理

为了减轻运行管理人员的劳动量，系统能通过上位机对设备的启停进行远程控制，组态设计时，首先要定义设备启停状态和加载卸载状态的开关型变量，通过通信接口将这些变量与现场控制单片机相应的地址连接。系统运行时，根据不同的工况要求，当现场控制机的远程控制开关置为有效时，用脚本对设备启停和加载卸载的变量赋值1或0，就可以完成远程启停控制和加载卸载工况切换。当设备检修时，系统则关闭此功能，由维修人员直接在现场控制。为了延长设备的使用寿命，通过累计各设备的运行时间，进行选择性地启动或停机，加载时，启动累计运行时间最短的设备；卸载时，关闭累计运行时间最长的设备，则使各设备的运行时间平衡。

3.5 通讯接口设计

下位机为单片机，通讯协议为标准的Modbus协议，对基本通讯模块编址和通信参数设置后，由于力控支持标准的Modbus协议，在力控导航器“I/O设备驱动”项目下找到相应的Modbus协议驱动程序，双击激活设备配置对话框，进行设备地址及相应通讯参数的设置（通讯参数必须和基本通讯模块一致），以及合适的数据扫描周期和故障查询时间的设置，然后利用数据库中的数据连接组态工具将点参数与单片机中的需采集的过程数据的地址相连接，建立数据库点参数与现场数据的通信链路。读取模拟量时使用Modbus协议的三、四号指令，进行远程启停和加载卸载等离散量赋值操作时使用Modbus协议的一、五号指令。这样，当系统运行时，会自动启动驱动程序，按照接口协议的规定完成上位机与下位机之间的数据通信。

4、结束语

本文的创新点为：利用力控组态软件实现了六台空压机的实时监测，工况自动切换，远程操作与智能管理，使六台空压机运转达到最优状态，延长使用寿命。该监控系统已在矿区投入使用，两个多月来的运行情况表明，该系统运行可靠，维护方便，监控过程显示形象直观，不但满足了这些关键设备的监控要求，而且也保证了矿区的安全生产，具有直接的经济效益。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/14/2006)


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