毕业设计(论文)-基于PLC的天然气调压站的监控系统设计.doc_第1页
毕业设计(论文)-基于PLC的天然气调压站的监控系统设计.doc_第2页
毕业设计(论文)-基于PLC的天然气调压站的监控系统设计.doc_第3页
毕业设计(论文)-基于PLC的天然气调压站的监控系统设计.doc_第4页
毕业设计(论文)-基于PLC的天然气调压站的监控系统设计.doc_第5页
已阅读5页,还剩29页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

学号20111801050103 密级 公开 兰州城市学院本科毕业论文 基于PLC的天然气调压站的监控系统设计学 院 名 称:培黎石油工程学院专 业 名 称:油气储运工程学 生 姓 名:指 导 教 师: 二一五年五月BACHELORS DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYDesign of PLC-based Gas Pressure Regulating Station Monitor and Control SystemCollege:Pei Li School of Petroleum EngineeringSubject: Gas Storage and TransportationName :Chen XuDirected by:Wu Mingyong May 2015郑 重 声 明本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名: 日期: 摘 要管道燃气供应以其方便、经济,安全等优点得到广泛应用,正逐步取代瓶装供气。燃气具有易燃、易爆的特点,为了保证燃气供应的安全并实现最佳调度,必须及时掌握系统运行状态,了解压力、流量、温度等数据。本天然气调压站智能监控正是基于以上需求的基础上研制而成的。本文首先对调压站智能控制系统进行分析,确定系统的功能目标和性能要求,并提出调压站智能控制系统总体方案设计框架,本天然气站智能监控系统主要以CPU224XP控制核心,以传感器(压差传感器、温度传感器,压力传感器等)用来做检测元件,以电磁阀为执行机构CPU不仅要分析处理判断从EM231送过来的模拟量转化数字信号,还要负责与流量计以及上位机的通信,实现对参数的控制和报警指示以及控制相关电磁阀的动作,从而实现调压站的智能监控。 关键词:天然气调压站;PLC;通信;智能监控 ABSTRACTThe supply of conduit gas spreads widely because of its advantages such as:convenience,economy,and safety etc,It gradually replaces the bottle packing gasGas is flammable and explosiveIn order to ensure the safety of gas supply and realize the best adjustment,we must master the status of the system and datas such as pressure,flux,temperature in time,so the develpoment of the system is based on the need. CPU 224XP is used as controlling core of the system and the sensors as measuring component and the electromagnetic valves and the relaies as executive unitCPU not only need to deal with analog signal from EM231,but also is responsible to communicate with flowmeter and master computer to complete the whole control mission,thus it realize the purpose of parameters controlling,warning instruction and controlling the action of related electromagnetism valve. firstly,the thesis analyse the significance of the intelligent supervision of the gas stationConfirms system function goals and performance parameters,and then putsforward the designing overall frame and dividing into function modulesKeyWords:Gas station for pressure adjustment;PLC;Communication;Mon itoring System目 录第1章 绪 论11.1课题背景11.1.1天然气城市输配系统的构成11.1.2天然气城市输配系统压力级制的确定11.1.3门站21.1.4国内外研究现状21.2本人的设计方案考虑31.2.1控制方式的选择31.2.2总体设计的主要内容31.2.3几点应考虑的事项31.3监控系统的主要功能41.3.1调压系统简介41.3.2监控系统的主要功能5第2章 天然气调压站监控系统硬件设计62.1显示器选择72.2监控系统各个部件的连接设置72.2.1 通信电缆的制作72.2.2 电脑与触摸屏的连接92.2.3 触摸屏与PLC连接9第3章 天然气调压站监控系统软件设计103.1 西门子S7-200 PLC芯片的I/O端口分配113.2 智能监控系统触摸屏操作界面设计123.2.1 选择编译软件ADP6.0123.2.2 触摸屏界面的设计方法123.2.3系统的操作界面具体设计133.2.4人机界面的总体功能结构143.2.5主要功能界面设计143.3 S7-200 PLC芯片通信协议(MODBUS协议)193.3.1 MODBUS协议应用(主从模式)193.3.2 MODBUS协议概述193.3.3 通信协议设置19第4章 天然气调压站监控系统可靠性设计214.1环境条件的考虑214.2监控系统的硬件抗干扰设计214.3软件可靠性设计22结论24参考文献25致谢26第1章 绪论1.1 课题背景 天然气是一种优质的清洁能源,在能源结构中的战略地位早已确立。其利用领域极为广泛,诸如化学工业原料、工业燃料、商业及民用燃料、汽车燃料、集中供热与发电等,是主要的一次性消耗能源之一我国“西气东输”计划的制定与实旄,足见国家对天然气利用的重视,我国虽然起步较晚,但发展势头强劲。 天然气调压站是城市天然气输送系统的核心之一,而天然气调压站智能监控系统是天然气调压站的重要组成部分。集中监控与管理天然气输送系统的各项压力参数指标在整个系统中占着极其重要的地位。随着网络技术的普遍应用,天然气调压目标的智能远程监控也成为天然气调压站的一个重要方向。良好的监控系统可以极大地降低工作人员的劳动强度,提高工作效率,提高天然气供应的稳定性和可靠性1。1.1.1 天然气城市输配系统的构成城市输配系统是指从接收长输管道供气的门站开始至用户用具止的整个系统,它包括门站、储气装置、调压装置、输配管道、计量装置等部分,其中储气、调压与计量装置可单独设置或合并设置,也可设在门站内门站是天然气进入城市的门户,具有计量、过滤、调压与加臭等功能,有时兼有储气功能。储气装置有储气罐、输气管道管束储气等。输配管道也可按气功能分类,即分为分配干管、庭院管与室内管。分配干管与庭院管为室外管。目前,室内管的立管与水平管也有安装在建筑物外墙上的。输配系统的压力级制是由系统中管道设计压力等级命名的,一般有高中低压系统、高中压系统、中低压系统与单级中压系统等。1.1.2 天然气城市输配系统压力级制的确定确定输配系统压力级制时,应考虑下列因素:气源;城市现状与发展规划、储气措施、大型用户与特殊用户状况。对于大中型城市,由于用气量多、面广,为安全供气,在城市周边设置高压或次高压环线或半环线经多个调压站向城市供气,该高压或次高压管线往往兼作储气,即具有输、储气双重功能。当天然气压力大于2.0Mpa时,因储罐最高运行压力一般为1.6Mpa,采用管道输气较储罐储气经济,除长输管道末端可储气外,也可设置高压管道或管束储气。由于四级地区地下燃气管道压力不宜大于1.6Mpa。高压管道一般设置在中心城区边缘。对于要求供气压力较高的用户可由高压或次高压管道直接供气城区输配系统一般为单级中压。该系统避免了中、低压管道并行敷设、减少低压管长度而获得了较好的经济性。单个调压器的供气户数较少,燃具前压力由更好的稳定性。因此,单级中压系统成为城区天然气出赔系统的首选综上所述,城市天然气输配系统结合管道储气或储罐储气可采用的压力级制一般为高中压与单级中压。1.1.3 门站门站接收长输管道上分输站的供气,对天然气进行过滤、计量、调压、检测与加臭等,并且设置自动化控制系统,也可设置储气装置。门站出口可直接连接城市中压管网:当尝试另设储配站或高中压调压器时,天然气在门站经过滤、计量与检测后供入高压或次高压管道。当站内需耗用天然气发电或用作其他用途时,可另设置专线供应。门站站址应符合城市规划要求,并结合长输管道位置确定;同时考虑少占农田,节约用地,与周围建筑物和构筑物由符合设计规范要求的安全间距,以及适宜的地形、工程地质。门站总平面分为生产区(计量、调压、储气、加臭等)与辅助区(变配电、消防泵房、消防水池、办公搂等)。1.1.4 国内外研究现状国外对天然气输配管网监视系统的建设的日趋完善,有了一整套成熟的技术和设备,结果表明性能可靠、稳定,具有相当的实用价值,对调压站的安全生产和设备维护起到了很大的作用,但是价格太高,难以推广使用。由于缺乏相关的设备,国内的大多数天然气公司的调压站在工作过程中缺乏相应的状态监测和控制措施,在出现异常和故障情况时不能及时有效的停气和检修,从而给企业带来很大的浪费和损失甚至会酿成事故。因而,如何将现代化的状态监测技术与调压站这一传统的工程领域有机的结合起来,带动调压站站向智能化、机电一体化方向发展,提高调压站工作时的安全性、可靠性,是当前天然气行业普遍面临的问题之一。这一急需要求我们在这方面自行努力,研究开发适合本行业的状态监测与故障诊断系统。1.2 本人的设计方案考虑监控系统设计方案的优劣决定了控制系统的成败。因此,深入进行详细的系统分析十分必要。在充分调研的基础上,进行控制系统总体方案的详细设计,包括控制系统的结构方式、系统处理器和通信主要设备选择,以及可靠性配置等。1.2.1 控制方式的选择应用PLJC构成的控制系统有多种不同的控制方案可供选择。一般的,系统的控制方式按控制器和被控对象的关系来划分,有集中控制和分散控制两种控制方案,而根据处理器和I/O的位簧关系,有本地控制,远程控制和混合控制三种控制方案。所以,控制系统的基本结构方式可以有六种,即集中本地控制,集中远程控制、集中混合控制和分散本地控制、分散远程控制和分散混合控制。本系统采取的是集中本地控制的控制方式。1.2.2 总体设计的主要内容 总体设计的主要内容包括以下几点:(1)本系统根据用户的要求和被控对象的控制范围、控制规模、系统是否冗余等要求进行了综合考虑,同时,充分考虑系统的性能价格比等因素,确定控制系统总体方案,采用集中本地控制。(2)在确定了控制系统方案以后,明确各组成部分的基本功能,包括硬件的主要设备,如处理器、工作站、控制网络通信设备和软件及其数量。(3)对总体方案进行了可行性可可靠性的论证,以确保控制方案能满足用户的全部要求,并具有一定的先进性。1.2.3 几点应考虑的事项控制系统无论规模大小,其目的都是为了实现被控对象的工艺生产监视和控制,提高生产效率、产品质量、系统安全性和可靠性以及降低劳动强度等。因此,在设计PLC控制系统时,着重考虑以下几点事项:(1)所选用的PLC满足被控对象的控制要求,技术成熟,通用性好,可靠性高。(2)在满足控制要求的前提下,系统本身安全可靠。(3)考虑到工艺发生变化时系统的余量和扩展能力。(4)所设计的控制系统简洁,有建高的性价比,操作使用和安装方便。(5)设计的系统有一定的先进性。1.3 监控系统的主要功能管道燃气供应以其方便、经济,安全等优点得到广泛应用,正逐步取代瓶装供气。燃气具有易燃、易爆的特点,为了保证燃气供应的安全并实现最佳调度,必须及时掌握系统运行状态,了解压力、流量、温度等数据。天然气管网监控系统是一个大型的集中管理,统一调度,分散控制的计算机网络监控系统。系统一般由调度中心计算机管理系统,门站、区域调压站及数据通信网络等构成。其中门站和调压站的主要功能有:根据消耗量来调整供应量以满足长期需求;对管网进行负载平衡控制;允许远程压力调节;向调度中心上传数据。随着计算机技术的应用,由微机及智能化器件组成的燃气自动监测系统成为燃气实现自动化生产供应不可缺少的工具。智能控制系统是利用远程压力传感器采集压力、流量计采集的流量信号,通过PLC系统的输出控制减压阀、增压阀和泄压阀,以达到燃气稳定供应的目的。1.3.1 调压系统简介调压系统由工作调压器,监控凋压器,切断阀,放散阀,相应的管道阀门组成,共有2路调压路,一用一备。调压系统功能为调节调压计量站出口压力,为下游用户提供压力稳定的气源,并与限流、调流系统,计量系统一起,限定下游用户的用气流量及在用户达到预定的用气量之后切断气源。每条调压回路具有相同的配置,有一台独立的切断阀,一台监控调压器,一台工作调压器及进出口隔断阀组成。正常工况下,工作调压器调节天然气调压站出口压力,当工作调压器失效,监控调压器将投入运行控制管线压力,如果监控调压器也失效,下游压力继续升高,当压力达到切断阀设定点时切断阀切断。此时备用路工作调压器将投入运行,来控制天然气调压站的出口压力。调压系统主要是通过对各个调压器的压力设定的差异来达到自动切换的目的,若主回路工作调压器压力设定在0.4MPa,则监控调压器的压力设定要略高于主调压器为0.44MPa,而备用调压回路的工作调压器压力设定点应略低于主调压回路工作调压器的压力设定点,为0.36MPa,同样备用调压回路的监控调压器的压力设定点应略高于其工作调压器的压力设定点,为0.44MPa。在正常工况下,主调压回路的工作调压器负责压力的调节,出口压力为0.4MPa,主调压回路的监控调压器保持全开状态,当主调压回路的工作调压器失效,工作调压器将处于全开状态,调压器出口压力将升高直至0.44MPa,此时压力信号通过取压管反馈至监控调压器,监控调压器将开始负责压力的调节,若监控调压器也失效,下游压力将继续升高直至达到切断阀的设定压力,此时主调压回路切断阀切断,主调压回路停止供气,但下游用户仍然在用气,此时调压站出口压力将下降,直至降至0.36MPa,此压力信号将通过取压管反馈至备用调压回路的工作调压器,备用路的工作调压器将_丌始工作,负责压力的调节,同样备用路也配有监控调压器,即使在备用路工作调压器失效的情况下此监控调压器也可负责压力的调节。总之,通过各个调压器设定压力的不同,在故障发生的情况下,调压器及调压回路可自动切换,以保证下游设备的用气。1.3.2 监控系统的主要功能本人设计的监控系统的特点:(1)具备实时远程数据传输通讯功能,生产数据实时传输到指挥调度中心;(2)完善的安全监视及安全防范措施;(3)系统具有开放性,与上一级应用的联网收费系统、地理信息系统和办公自动化系统实现无逢连接,为生产决策提供依据;(4)系统具有完善的冗余措施;(5)友好易用的中文人机界面;(6)采用模块化结构,灵活的工业组态,便于维护、扩充和升级;(7)高性能价格比。第2章 天然气调压站监控系统硬件设计天然气调压站智能监控系统的设计目标是实现对调压站内各关键部位参数的全天候连续实时采集和处理,实现调压站安全、可靠且经济运行。智能监控系统需要采集的控制参数较多,既有进出口的压力、温度、压差以及阀位、气体泄漏报警等模拟量信号,也有回讯器、切断阀和电动球阀等开关量信号,还有来自体积修正仪智能仪表的数字信号。本人经过对系统需求的认真分析和对各种控制工具的反复比较,本系统选用功能强大、抗干扰性能好、使用维护方便且参数设置修改灵活的日立触摸屏和西门子S7200系列PLC作为控制核心4,合理配置功能模块,实现系统的功能需要。 系统硬件主要有西门子S7-200PLC芯片、工业计算机、I/O处理模块、信号变送器、电源、日立大尺寸液晶触摸屏和执行机构等部分组成,是一个典型的智能化数字监控系统。如图2.1所示。图2.1 天然气调压站智能监控系统硬件结构(1)PLC及I/O处理部分。结合调压站功能需要,控制系统选用西门子S7200系列PLC作为控制核心(根据各调压站需求的不同选用该系列中的不同型号,一般为224及以上),它们自带有数量较多的开关量和部分模拟量I/O点。当自带I/O点不足时,可扩展4路12位高精度模拟量输入模块16点24V直流输入模块。(2)电源部分。交流电源采用220V/50Hz标准工频输入,直流电源为24V工业开关电源模块,直流电源的作用是为模拟和开关信号的输入输出处理提供能源,体积修正仪、智能仪表所需9V电源由安全栅直接提供。考虑到城市用气的不间断要求,系统配备了UPS后备电源,确保系统在停电情况下仍能继续工作2h。(3)液晶触摸屏。选用日立大尺寸彩色Hitech 液晶触摸屏,它具有MPI/Profibus DP接口和2MB Flash Memory,支持中文组态软件,可以方便、直观地进行各种参数的显示和修改设置。监控系统参数出现异常情况时,系统除发出声光报警信息外,还在液晶屏上闪烁显示5。 (4)隔离保护部分。由于系统是工作在易燃易爆的天然气环境,所以在设计时充分考虑了对系统的隔离和保护措施。在电源进线处加入了防雷浪涌保护器,对各模拟输入信号回路在变送器与PLC输入扩展模块间均采用经隔离安全栅等隔离安全措施。 硬件系统设计选用的硬件设施不但考虑了可靠性、实用性和经济性,还充分考虑了系统的安全性、稳定性和可维护性(设备标准化,接口、协议开放,易于维护)。2.1 显示器选择触摸屏式一种最直观的操作设备,只要用手指触摸屏幕上的图形对象,计算机便会执行相应的操作。人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然。达到完美的统一。用户可以触摸屏上的文字、图形、按钮和数字信息等,来处理或监控不断变化的信息。此外触摸屏还具有坚固耐用和节省空间的优点。2.2 监控系统各个部件的连接设置2.2.1 通信电缆的制作 首先准备好触摸屏与编程电脑和触摸屏与PLC的连接线(又称编程电缆、通信电缆)。触摸屏的COMl和COM2都可以与PLC连接,而COM1主要是连接RS232的,我们使用的是RS485接线,所以我们使用的是COM2连接。连接线如下图2.2所示。如果电脑与触摸屏的连接是通过触摸屏的COM2连接,连接线如图2.3所示。图2.4是连接PLC端公接头8针的针脚图6。 图2.2 触摸屏COM2与S7-200的连接线图2.3 电脑串口与触摸屏COM2的连接线 图2.4 PLC端8针针脚2.2.2 电脑与触摸屏的连接用图2.3制作好的连接线把电脑与触摸屏连接好,触摸屏后面DIPswitch的设置为:sw5=OFF和sw6=OFF,其他的保留在“ON”位置,如图2.5所示,再把触摸屏的24V电源连接上。图2.5 DIP-switch2.2.3 触摸屏与PLC连接 用图2.3所示连接方法做的触摸屏COM2与S7-200的连接线,用这根连接线把触摸屏与PLC连接上,连接完后重新上电,看到触摸屏面板上的指示灯在很快闪烁,表示触摸屏已经与PLC正常通信了7。 第3章 天然气调压站监控系统软件设计本系统通过对调压站参数进行实时采样,经PLC进行运算处理,来判断系统的状态。当系统处于正常运行状态时,上传并实时显示调压站参数,通过对现场阀门的自动控制实现对天然气出口压力的动态调节,保证了天然气的稳定供应。当系统出现异常时,经声光报警和显示屏字幕闪烁两种方式发出报警信号,并作用于相应的执行机构,实现天然气调压站的自动运行。系统软件设计主要是模拟量的采集处理、友好人机界面的设计和与RS485智能总线仪表的通信三大部分。软件流程如图3.1所示。图3.1 天然气调压站智能监控系统软件流程模拟量的采集处理部分包括压力、温度和压差,经过变换器输出的420mA电流信号。虽然Hitech内部自带有模拟量滤波功能和采样数值设置,但是为了使显示值更加稳定,程序设计时使 用了算术平均滤波法,以实现对一般随机干扰信号进行滤除。 智能仪表采用Modbus协议通过双绞线与PLC通信,Modbus是应用于电子控制器上的一种常用协议。控制器能设置为两种传输模式(ASCII或RTU)中的任何一种在标准的Modbus网络通信。本系统根据仪表的要求,选择了RTU方式8。S7200的通信端口为RS485接口,RS485接口为半双工接口程序的关键是避免在通信端口上同时发送和接收。按照本系统中通信采用的这种编程模式编写自由口通信程序可以有效避免因同时发送和接收造成的通信冲突,从而保证程序的正常运行。 3.1 西门子S7-200 PLC芯片的I/O端口分配天然气调压站智能监控系统输入输出设备及端口分配如表3.2所示。 表3.2 PLC的I/O分配表输入输出信号名称地址信号名称地址信号名称地址进口压力A100001压差D100301G1阀位开01001进口压力A200002压差D200302G2阀位开01002出口压力B100101G1阀位00401G3阀位开01003出口压力B200102G2阀位00402G1阀位关02001温度C100201G3阀位00403G2阀位关02002温度C200202气体泄漏00501G3阀位关02003系统启动00500系统停止00510I/O状态的刷新包括两种操作:一是采样输入信号。PLC的输入是生产现场信号经过输入端子,进行光电隔离以提高抗干扰能力后送入缓冲器,当PLC进行输入采样时缓冲器中的内容才送到PLC的输入映像寄存器,每次采样PLC从输入映像寄存器中读取到各输入点的状态,因次输入映像寄存器的只有在采样时才会与输入信号一致,其他时间输入映像寄存器的内容将保持不变:二是刷新输出信号。PLC接受输入后执行用户程序,将运算结果送至输出映像寄存器,在每次用户程序结束后进行刷新,将输出映像寄存器中的运算结果送至输出锁存器,再通过输出驱动电路送到输出端子驱动负载。与输入相类似,只有在输出刷新时输出状态才改变,刷新后的状态要保持到下次刷新为止。由于通常来说PLC扫描周期很短(依赖于程序长短和扫描速度),每次I/O刷新时间间隔很小,所以可以认为其输入输出是及时的。3.2 智能监控系统触摸屏操作界面设计3.2.1 选择编译软件ADP6.0ADP6.0是专门用与人机界面组态编辑软件。该软件为用户提供了一个强大的集成开发环境。产品广泛应用于医疗、化工、电力、印刷、纺织、食品、国防和工程机械,智能家居,高速铁路等各领域。ADP6.0提供了多种控制器件库、图形控件和功能组件,通过组态出的各种显示和控制功能实现系统操作状态、当前过程值及故障的可视化9。3.2.2 触摸屏界面的设计方法 人机界面的主要任务是迅速获取、处理应用系统运行过程中的数据、命令,并以适当的方式显示出来。人机界面的形式多种多样,在设计时会存在不同的设计思路和方法。常用的人机界面设计技术有两种方法。 (1)菜单界面设计: 人机界面是PLC应用系统中不可缺少的一部分,它直接关系到应用系统的实用性能。菜单界面设计是近年来应用最为广泛的一种人机界面设计技术,几乎任一个PLC软件产品都使用了菜单界面技术10。在菜单界面设计时,通常应遵循以下几个设计原则: a合理组织界面的层次和结构。 b每幅菜单应有一个明确的标题。例如第一层菜单通常可命名为主菜单,主菜单中的菜单项反映了该PLC应用系统的基本功能。 c菜单项的排列可依据使用功能、使用频率的多少或字母顺序排列。对于下拉式菜单中的菜单项,要合理地归类、分组排列。 d为使菜单界面使用灵活,应提供多种点击菜单的方法。通常可支持鼠标和键盘,对菜单项可定义热键和加速键。e对菜单项的点取应设定反馈标志,例如为选中菜单项的前面加“。(2)图形界面设计方式 在PLC控制系统中,图形界面也是常常采用的人机交互式界面。为了照顾工程人员的习惯用法,在屏幕上形象地画出若干图形、按钮等,使人在计算机或可编程终端上操作,如同在控制台上操作一样,十分形象、直观。 3.2.3 系统的操作界面具体设计 从基本原理上讲,图形界面与菜单界面是一样的,都是在满足系统控制要求的情况下给用户一个直观的方便的操作交互界面。本系统的触摸屏界面采用的是菜单界面设计方式和图形界面设计方式相结合的方法来设计的,显示系统画面菜单由HITECH系列的人机交互界面软件HITECHADP V6.0设计出的,HITECH-ADP提供了多种控制器件库、图形控件和功能组件,通过组态出的各种显示和控制功能实现系统操作状态、当前过程值及故障的可视化。利用人机界面操作监控系统,对PLC中的实时数据进行显示、记录、存储、处理,从而满足各种监控要求。软件还可以为不同的操作人员设置不同的操作密码和相应的操作权限。触摸屏软件的设计包括创建画面和信息,并将它们和PLC程序相连。具体概括为以下四个步骤: (1)界面的可视化设计。界面组态具体涉及输入输出区域组态、指示器组态、功能键组态、控制键组态及文本显示等各种格式,可根据实际控制功能的差异设计不同的画面。(2)设定变量。变量在触摸屏的组态功能(输入输出区域、功能键等)与PLC的相应IO接点及存储单元之间建立联系,实现触摸屏敏感元件对PLC的控制及参数的输入、PLC当前过程值及报警信号向触摸屏的输出11。 (3)设置通讯参数,实现触摸屏与PLC的通讯。 (4)通过编程,参数设置、输入、输出信号和故障查询等均由软件控制,硬件连接少,能大大降低硬件故障发生率,提高了系统稳定性。 3.2.4 人机界面的总体功能结构人机界面总体功能结构如图3.3所示。 图3.3 人机界面总体功能结构 其中主界面可以完成对各子界面的调用。输出动作子界面包括控制各个阀位的开关等多项功能,可以操作多个执行机构的动作。参数设置子界面可以设定系统时间并可以对控制对象及控制目标值进行设置。实时数据子界面可以显示系统时间并用数字、图表等多种方式实时显示传感器采集来的数据。历史数据子界面可以让使用者对历史数据进行统计和处理,并显示出来12。3.2.5 主要功能界面设计1、启动ADP6.0在电脑上安装好触摸屏组态软件HITECHADP V6.0后启动HITECHADP V6.0,输入注册码,然后点击新建文件,这时将弹出界面如图8所示。在这里我们可以新建一个文件放置我们设计的各个触摸屏人机界面。2、设置工作参数我们要使用HITECHADP V6.0软件编译触摸屏人机界面,就需要根据所选择的元件,设定好工作参数13。本文选择的是西门子S7-200PLC。则参数设置如图3.4所示。然后我们按照下列要求设置参数:输入应用名称,我们输入基于触摸屏的天然气调压站智能监控系统。选择所需的人机界面型号,将其拖入工程结构窗口。在此我们选择AP1600 mono。选择需要连线的PLC类型,拖入工程结构窗口里。在此我们选择选择PLC种类为 图3.4 新建文件设置界面SimaticS7-200.点开连线,我们可以把通讯口设置为COM2,传输速率为9600,资料位为8,校检位为Even,停止位为1。如图3.6所示。然后点击确定后就可以进入组态王软件的触摸屏界面编译环境了图3.5 一般工作参数设置界面图3.6 参数设置中的连线设置界面3、主菜单界面系统开机首先进入主菜单界面,同时系统启动。通过主菜单界面的几个按钮可以连接到用户所需要的功能界面,例如当用户需要查看此时的监控数据,就可以点击实时数据按钮转换都实时数据界面。点击历史数据按钮就可以进入历史故障数据界面,查看以往的故障记录。如图3.7所示。4、输出动作界面设计输出动作子界面的功能是控制各执行机构的动作,如控制各个增压电磁阀、泄压电磁阀、放散阀等多个按钮,并可根据系统情况进行增删。输出控制信号是通过触摸屏的串行接口进行的,以调整各个管道的压力,调整天然气的输送流量。如图3.8所示。 图3.7主菜单 图3.8 输出动作界面5、参数设置界面设计参数设置子界面的功能是设置系统时间并对控制对象、控制逻辑以及控制目标值进行设置。包括系统时间设置按钮、控制逻辑设置按钮、控制对象设置按钮以及控制目标设置按钮。点击后进入相应子界面,设置好的信息通过串口发送到控制板,再保存至控制板的存储器中。如图3.9所示。 图3.9参数设置界面 图3.10 压力值显示界面6、实时数据界面设计实时数据子界面的功能是实时地显示出当前天然气调压站管道内的压力、温度等状态,主要包括管道进出口的压力、温度、压差以及阀位开关状况显示等,我们把这些参数分为多个分页。如图3.10、图3.11所示。 图3.11 温度值显示界面7、历史数据界面设计历史数据子界面的功能是将存储在控制板上的历史数据进行显示并对数据进行统计分析,其实现与实时数据子界面基本相同,差别只是传输的数据不同,历史数据子界面显示的是在控制板内存中保存的历史数据以及中央处理器处理过的统计数据显示值。因为其与实时数据子界面相差不多,所以也不再次重复图片了。3.3 S7-200 PLC芯片通信协议(MODBUS协议)3.3.1 MODBUS协议应用(主从模式)MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。现今,MODBUS协议已经成为一种通用工业标准,通过它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,从而进行集中监控15。 本设计也是选用MODBUS协议作为我们的通用语言。3.3.2 MODBUS协议概述Modbus是一个请求/应答协议,并且提供功能码规定的服务。Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等,并没有规定物理层。协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和对答的方式,数据通讯采用Maser(主站)/Slave(从站)方式,主站发出数据请求消息,从站接收到正确消息后就可以发送数据到主站以响应请求;主站也可以直接发消息修改从站的数据,实现双向读写。MODBUS规定,只有主站具有主动权,从站只能被动的响应,包括回答出错信息。3.3.3 通信协议设置标准的Modbus口是使用RS232C兼容串行接口, 它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验, 控制器能直接或经由Modem 组网。控制器通信使用主从技术, 即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询) , 其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。Modbus通讯协议有两种传送方式,RTU方式和ASCII方式。本系统使用RTU模式, 这种方式的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据。使用RTU模式时, 消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始,传输的第一个域是设备地址, 可以使用的传输字符是十六进制数值。 通信期间, 网络设备不断侦测网络总线, 包括停顿间隔时间内, 当第一个域(地址域)接收到, 每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。 在最后一个传输字符之后, 至少要有3.5个字符时间的停顿以标定消息的结束,之后可开始新的消息传输。使用RTU模式,消息包括了一个基于CRC方法的错误检测域.CRC域检测了整个消息的内容。表3.12为MODBUS部分功能码的定义。 表3.12 部分功能码定义功能码 名称 作用01读取线圈状态取得一组逻辑线圈的当前状态02读取输入状态取得一组开关输入的当前状态03读取保持寄存器在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值04读取输入寄存器在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值06预置单寄存器把具体二进制装入一个保持寄存器考虑到操作的方便性, 在系统初次安装时, 先在PC 机上用上位机软件将所有传感器的ID搜索出来, 然后按实际安装位置给每个传感器编号, 读温度、压力传感器是否工作正常。在PLC上使用Modbus协议通信时首先要对通信格式进行设定, 即对D8120寄存器进行写操作,在本系统条件下设置为0C87,即数据长度为8位,无校验,无起始位与停止位, 波特率9600 bps。 修改D8120设置后, 确保通断PLC电源一次。 再用RS指令进行数据的传输。按照所述程序格式,即可在数据发送区写入指令进行相应的操作。第4章 天然气调压站监控系统可靠性设计PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备,一般不需要采取什么措施,就可以直接在工业环境中使用然而,尽管有如上所述的可靠性较高,抗干扰能力较强,但当生产环境过于恶劣,电磁干扰特别强烈,或安装使用不当,就可能造成程序错误或运算错误,从而产生误输入并引起误输出,这将会造成设备的失控和误动作,从而不能保证PLC的正常运行,要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力:另一方面,要求设计、安装和使用维护中引起高度重视,多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题:4.1 环境条件的考虑(1)温度 本系统中PLC工作环境保证在0-55之间。安装时没有放在发热量达的元件上面,四周通风散热的空间足够大,基本单元和扩展单元之间有30mm的间隔。(2)湿度 为了保证PLC的绝缘性能,本系统所处的环境的空气的相对湿度小于85。(3)振动本系统中PLC远离强烈的振动源,而且采取了一定的减震措施。(4)空气由于安装在天然气调压站附近,为了避免有腐蚀性和易燃的气体进入,本系统中将PLC安装在封闭性较好的控制柜中。4.2 监控系统的硬件抗干扰设计现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一,所谓治标先治本,找出问题所在,才能提出解决问题的办法。因此必须知道现场干扰的源头。PLC系统中干扰的主要来源及途径:(1)强电干扰PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化,刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过 输电线路传到电源原边。(2)柜内串扰控制柜内的高压电器,大的电感性负载,混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。(3)来自信号线引入的干扰 与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信息之外,总会有外部干扰信号侵入此干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视:二是信号线受空问电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰这是很严重的。由信号引入干扰会引起IO信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。(4)来自接地系统混乱时的干扰接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地,既能抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地,反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统将无法正常工作。主要抗干扰措施:(1)采用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰。(2)正确选择电缆的和实施敷设(3)正确选择接地点,完善接地系统。4.3 软件可靠性设计硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统,但由于干扰存在的随机性,尤其是在工业生产环境下,硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外,这时,可以发挥软件的灵活性与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。(1)利用”看门狗”方法对系统的运动状态进行监控PLC内部具有丰富的软元件,如定时器、计数器、辅助继电器等,利用它们来设计一些程序,可以屏蔽输入元件的误信号,防止输出元件的误动作。在设计应用程序时,可以利用”看门狗”方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时,编程时可定义一个定时器作”看门狗”用,对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值,为运动部件所需要的最大可能时问。在发出该部件的动作指令时,同时启动”看门狗”定时

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论