空压机站分布控制系统调试平台的设计毕业设计论文.docx

空压机站分布控制系统调试平台的设计本科生毕业论文（设计）题 目：空压机站分布控制系统调试平台的设计姓 名：分院、系：机电工程系专 业：电气工程及其自动化年 级：2012级学 号：指导教师： 职称：教授2016年 4月 15日19原创性声明兹呈交的学位论文（设计），是本人在导师指导下独立完成的研究成果。除文中已经明确标明引用或参考的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：日期： 年 月空压机站分布控制系统调试平台的设计摘要 随着网络通信的发展，并且对人们安全生产的重视，越来越多危险可以通过LabVIEW虚拟仪器来避开危险，并且提高工作效率。 空压机站的控制系统成为保证处理数据、提高工作效率的关键，本文详细描述了在线与远程监控空压机站控制系统的实现。利用LabVIEW虚拟仪器开发平台，通过建立OPC服务器与西门子S7-300 PLC 的连接，实现数据采集与设备控制，并通过LabVIEW内嵌的DSC工具将数据发送到plc，实现了数据交换和调试。 本文阐述了空压机站分布控制系统调试平台的设计方案，硬件的选择，平台的搭建，以及LabVIEW的软件设计。关键词 可编程序控制器 调试平台 控制系统Air compressor station distribution control system design and debug platformAbstract With the development of network communication, and the people safety attention, more and more dangerous by the LabVIEW virtual instrument to avoid danger, and improve work efficiency.The control system of air compressor station becomes the key to ensure the data, improve the efficiency of the processing, this paper describes the realization of online remote monitoring and control system of air compressor station. Using LabVIEW virtual instrument development platform, through the establishment of the connection of the OPC server and Siemens S7-300 PLC, to achieve data acquisition and equipment control, and transmit the data to the PLC through LabVIEW embedded DSC tools, to realize the data exchange and debugging.In this paper, the design scheme of the distributed control system of air compressor station, the selection of hardware, the construction of the platform, and the software design of LabVIEW are described.Key words PLC, Debugging platform, Control system目录引言1第1章绪论21.1选题背景与意义21.2空压机站技术概况与发展趋势21.2.1技术概况21.2.2发展趋势31.3作者所做的工作31.4论文的主要内容3第2章OPC和LabVIEW简介42.1 OPC简介42.2 LabVIEW简介42.2.1 LabVIEW优点42.2.2 LabVIEW DSC 模块52.2.3共享变量6第3章 系统调试平台总体方案设计73.1设计原则73.1.1可靠性原则73.1.2安全性原则73.2调试平台功能和技术指标要求73.3 调试平台总体方案设计83.3.1 系统总体结构图83.3.2 调试平台总体结构图9第4章 系统调试平台硬件设计104.1硬件选型104.2 系统调试平台的搭建10第5章 空压机分布控制系统调试平台软件设计115.1 LabVIEW前台程序设计115.2 LabVIEW后台程序设计14第6章 系统调试与问题讨论156.1 系统调试156.2问题讨论15结论16致谢语17参考文献18引言当今社会，PLC因其可靠性高、编程简单、抗干扰强等优点在工业控制领域得到了广泛的运用，但是在一些特殊的条件下，并不允许直接使用PLC直接在空压机站内进行调试，所以需要通过LabVIEW作为被控对象，将PLC的程序进行调试。空压机站分布控制系统调试平台的设计主要是以提供被控对象为目的，为了更方便，更安全的调试PLC程序，并且可以加载各种各样复杂的被控对象。第1章 绪论1.1选题背景与意义本文介绍了大型矿山空压机站监控系统的研究背景。在空气压缩机站，有四个采矿压缩机。在过去，对四个空气压缩机的监测由现场运营商小时的不间断监测。每隔一段时间就要运行每个检测点，如进出口水温、压力、轴温等都应记录和分析，这会造成人员劳动强度大，工作环境差，记录数据也不准确，出现了异常情况也无法及时保护等缺陷。空压机的控制主要是通过继电器所搭成的控制柜，通过控制柜来控制空气压缩机的启动，停止等。当空压机制造压力达到了极限的时候，空压机将卸荷负载运行，不产生压缩气体，电机空载运行，但空压机的电量依旧是满载时候的30%-60%，这部分电能只能白白被浪费。综上所述，空气压缩机站的监测和控制还是有许多缺点，另外过时的设备和监测方法也导致了当今空压机站的落后。因此，设计一种新型的空气压缩机智能监控系统，以保证矿山生产的安全，提高生产效率和管理水平，有非常重要的意义。11.2空压机站技术概况与发展趋势1.2.1技术概况由于空压机是在高温、高压条件下连续运转的动力设备，经过长期的运行,其零部件必然会有各种程度受损，使零部件的性能降低，更严重甚至会失效。为了使空气压缩机的性能可以不降低并且能正常工作，除了材质问题、制造问题、装配质量问题和正确操作外，空气压缩机的实时监控是最为关键的一部分。前几年许多空压机站监控系统基本上使用继电器控制系统，那时的半导体技术相对落后，设计人员需要先将控制逻辑关系图设计好，然后使用继电器来实现。如果控制原理电路稍有变化，整个电路就需要做相当大的变动，这对于系统维护与升级非常的不便利。此外，继电器是靠线圈的吸合与脱开来控制常开触点与常闭触点的，属于有触点操作，断电器频繁的通断，会使得触点加速老化，控制器也容易受到震动、环境的影响、体积较大，不利于安装。近年来，国内的矿井开始采用空气压缩机自动控制及微机控制技术，但是被选机型或使用的技术措施无法适应矿山空压机站的特殊环境，安装后一段时间就无法正常使用。近年，随着控制技术，软件技术，软件技术的发展迅猛，以及飞速发展监测和控制设备，性能也越来越好的PLC，比用继电器来搭建的逻辑控制电路，更具有可扩展性。如今国内外使用PLC作为空气机站监控系统的控制器已经普及开来。该类系统有许多优点，它具有完善的自诊断，报警和监控，并能显示故障的原因及部位并做记录保存。1.2.2发展趋势虽然空压机监控系统目前已有较成熟的产品，但在可靠性、多功能性、高集成性等方面还有很大的提升空间。随着电子技术、信息处理技术的不断进步，空压机站智能监控系统作为监督控制与数据采集系统在矿山领域的一个应用,必将顺应系统和系统的趋势,朝着标准化,模块化,网络化,智能化,系统化的方向发展。作者正是在导师的指导下,充分参考了系统、系统的思想后,构建出该矿山空压机站智能监控系统的整体设计方案的。1.3作者所做的工作作者在这次设计中主要工作是：1首先研读毕业设计任务书，根据任务书进行了检索查阅相关技术文献和资料。2明确毕业设计任务、对被控对象进行分析与描述。3明确系统调试平台技术指标要求。4设计调试平台总体方案。5. 系统硬件的选择。6系统软件设计，包括前台程序和后台程序两部分的设计。1.4论文的主要内容作者首先研读毕业设计任务书，根据任务书进行了检索查阅相关技术文献和资料，接着将论文分成六个章节进行论述。第1章首先讨论本课题的背景及意义，其次阐述了空压机站分布控制系统的国内外现状和发展趋势，最后总结了作者完成的主要工作。第2章对OPC和LabVIEW 进行简单的描述。第3章通过分析空压机站分布控制系统调试平台功能要求和指标要求，设计了系统的总体控制方案。 第4章对系统调试平台硬件选项，以及平台的搭建。第5章经过分析对空压机分布控制系统调试平台进行前台以及后台设计。第6章对系统进行仿真和调试。第7章对全文内容进行总结，对系统设计的不足以及可扩展部分进行展望。第2章OPC和LabVIEW简介2.1 OPC简介 在OPC出现之前，没有一个标准可以统一硬件的驱动器和与之相对应连接的应用程序之间的接口。例如，在FA(FactoryAutomation)工厂自动化领域，当PLC(Programmable Logic Controller)和其他控制设备需要与SCADA/HMI软件建立连接的时候就不能使用同一个FA网络系统构成。通过一些调查结果我们发现在控制系统软件开发的过程中，所有机器的应用程序设计占总费用的百分之七十，但是剩下的百分之三十的费用都是用来开发机器设备间的连接接口。此外，在PA(Process Automation)过程自动化领域，当数据需要在分布式控制系统(DCSDistributed Control System)和生产管理系统之间传送时，就需要开发特定的接口而这些接口的开发必须按照各个供应厂商的各个机种进行 2，比如，通过使用C语言DLL(动态链路数据库)与DDE(动态数据交换)服务器相连接，也可以通过FTP(文件传送协定)的文本这种方式来设计应用程序。当有4种控制设备和它们分别连接的监视、趋势图和表报3种应用程序所组成的系统时，就需要使用很多时间来开发相对应设备A，B，C，D的监视3，趋势图和表报应用程序的接口软件。这样的话就需要用12种驱动器。又因为系统中有许多不同的的驱动器同时存在，所以这对维护运转环境的稳定性和信赖性具有很大的难度。而OPC的出现使得软件接口标准化，使各个供应厂商的设备和应用程序之间有了一个相同的参考标准，从而实现更加简单化的交换之间的数据。因此在不需要使用特定开发语言以及开发环境用户就可以根据自己的意愿组合使用过程控制软件组件产品。OPC的系统，是由OPC服务器、OPC接口和OPC应用程序所构成。OPC服务器的数据采集是根据应用程序(客户程序)的要求提供的，OPC接口是OPC服务器必不可少的，OPC应用程序是接受服务的。根据不同供应厂商的硬件所开发的OPC服务器可以很好地融合各个供应厂商硬件和系统之间存在的的差异，从而实现不受硬件的系统构成影响。当使用Variant的数据类型，可以不依存于硬件中固有数据类型，这样就能根据应用程序的需要提供数据格式。2.2 LabVIEW简介 2.2.1 LabVIEW优点LabVIEW的程序代码是使用图形模式的结构框图来构建的，LabVIEW程序又叫做虚拟仪器（简称：VI）。VI 的组成有三部分，分别是图标或连接器、前面板和程序框图是由图标、连线和框图组成的应用程序。41.前面板（front panel）前面板是用来控制仪器，实现主要的测试和测量的功能，进行输入参数的设置，输出数据结果等等。它是将仪器图形化的用户界面，是进行人机交互的窗口。前面板的主要构成是输入控件（Controls）和显示控件（Indicators）。开关、旋钮、按钮以及其他输入设备都是输入控件；图形（Graph和Chart）、LED 和其他显示输出对象则属于显示控件。2.程序框图（block diagram）VI 逻辑功能的图形化源代码是通过程序框图来实现的。它和前面板形成了对应的关系，任何前面板都有一个对应的程序框图，通过图标可以将前面板上的所有节点在程序框图中体现出来。框图中的编程元素有连线端子（Terminal），它是与前面板上的控件一一对应的，此外还有子 VI、函数、结构、常量和连线等。3.图标/连接器（icon/connect）图标/连接器的作用是，可以将使用者编好的一个LabVIEW程序变成一个子程序（Sub VI），这样其他的虚拟仪器就能调用这个子VI。 相对于传统编程语言来说Lab VIEW使用了更为丰富的图形化语言（G 语言），而且拥有强大的函数库、功能模块库和控件库，这使得编程非常的便捷；相对于商业组态软件来说，LabVIEW提供Application Build 工具包，用户在创建应用程序时可以不受开发环境的影响而独立运行，这样一次性的投入，大大节省了成本。总之，LabVIEW为用户提供了一种图形化程序设计软件开发工具大大地提高了工作效率，减轻了设计者的负担，这样可以将大部分的精力集中在系统设计上，可以快速开发与数据采集、分析和显示的很完整的相关的测量与控制系统，而不会在具体软件细节上花费过多的时间。LabVIEW构建测量和自动化控制系统已经在工程师、科学家和技术人员之间得到广泛使用。abVIEW采用图形模式的结构框图构建程序代码，LabVIEW程序又称为虚拟仪器（简称：VI）。VI 是由图标、连线以及框图构成的应用程序，由前面板、程序框图以及图标/连接器三部分组成的。52.2.2 LabVIEW DSC 模块2006年，NI公司在LabVIEW8.0上推出了的附加模块LabVIEW DSC 模块，并且可以使用 OPC 技术。DSC全称被叫做数据纪录与监控模块（data logging and supervisory control），可以在分布式系统中轻松的实现数据采集与监控（supervisory control and data acquisition，SCADA）并且可以与OPC Server 进行数据的传输，也能生成自己的OPC Server。DSC的数据管理工具可以很容易的将高速运算系统网络化。6在软件的结构体系中，LabVIEW DSC 使用一种依靠事件的处理器来用作存储历史数据、报警信息的处理，并进行输入/输出设备的通信。当开发需求过高，数据纪录与监控模块无法满足，就可以使用LabVIEW图形开发环境定义的控制运算法则，使得操作界面的监控、分析和显示给使用者一种完美的体验。使用者在LabVIEW中可以快速地完成将用户界面设计、动画连接等进行属性设置。利用数据纪录与监控模块的 Image Navigator 工具能够使用大量的数据库的资源，所以可以将设计界面的时间大幅度减少，并且人机界面的性能也大大的提高。此外，数据纪录与监控模块可以让使用者更加轻松的去监测和储存历史数据。它可以自动完成数据记录和事件记录。提供实时、历史趋势控件，并将所有的历史数据和信息储存到数据库中。无论是制作复杂的工业自动化控制系统或者是多个通道的数据储存的应用程序，还是监控、储存输入/输出点的数据情况7，LabVIEW DSC中的小插件都使用者觉得更加易上手以及高效。综上所述，数据纪录与监控模块主要功能有下面几点：1可以把得到的数据储存到分布式历史数据库中；2事件管理和警报管理；3数据的实时储存和数据的历史查询；4可以在某一个完整的系统中把OPC设备与LabVIEW实时终端集成；5可以给系统设置安全机制。2.2.3共享变量共享变量为简化网络编程贡献出了非常重要的意义。通过使用共享变量，使用者可以在两台不相同的计算机上的VI之间、同一台计算机但是不同VI之间或相同的程序框图但使用两个不相同的循环之间交换数据。8共享变量和全局变量的使用方法相似，使用者在程序框图中仅仅需要看到的是一个变量而已，而本地变量与其他网络的变量连接，以及一些属性都事先设定在共享变量的属性中。使用者不需要了解任何网络协议，也不需要学会任何编程就可以轻松实现网络数据交换。使用LabVIEW的DSC模块，可以用OPC Server来建立与共享变量的连接，并且数据纪录与监控模块包含很多工业监控系统所必备的属性功能，例如监控模块、报警模块、用户权限管理模块等。共享变量有3中类型：Single-Process、Network-Published 和 Time-Triggered。其中Network-Published 类型的共享变量用于网络上不同节点之间传递数据。共享变量的数据类型可以是任何 Lab VIEW 支持的数据类型。9第3章 系统调试平台总体方案设计3.1设计原则3.1.1可靠性原则系统运行的时候需满足实时性和连续性；系统间的独立性与冗余及容错结构的协调性；对程序和数据的保护；对工业生产环境的适应性。3.1.2安全性原则矿用空压机站风包温度，轴瓦温度，气缸温度，风包压力，排气压力，缸体压力，总水管压力等与系统安全相关的指标必须全程在允许范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定。各类生产过程中可能产生的异常要充分考虑。3.2调试平台功能和技术指标要求根据现场的实际情况，矿山空压机智能监控系统具体控制需求参数如表3-1所示。表3-1系统控制指标压力风包压力二级排气压力一级排气压力缸体压力（油压）进水管压力总水管压力报警值0.7Mpa0.7Mpa0.23Mpa0.1MPa0.1MPa0.13MPa停机值无0.75Mpa0.25Mpa0.09MPa0.1MPa无温度风包温度轴瓦温度电机温度一级气缸温度缸体温度（油温）出水管温度二级温度报警值160C62C160C60C80C160C停机值无65C无无无无1. 系统安全要求现代过程控制系统包括基本过程控制系统（BPCS）和安全仪表系统（SIS）。空压机在运行过程可能会出现爆炸等危险状况，SIS 系统的设计特别重要。该套空压机站智能监控系统需满足如下要求:1）选择抗腐蚀性强、抗温能力高和抗震能力优秀的温度、压力传感器。2）对风包的温度，轴瓦的温度，一级气缸的温度，缸体的温度，出水管的温度，二级温度检测点的温度，对风包的压力，二级排气的压力，一级排气的压力，缸体的压力，进水管的压力，总水管的压力检测点进行实时监视。3）当某一个检测点的实时温度值或者压力值超过预先设定的报警值时，启动报警灯以及报警喇叭；超过预先设定的停机值时，直接将空压机关闭，并且自启动无效。4）每隔半小时记录一次所有检测点的数据以数据存档;记录各检测点报警、停机的时间和故障排除情况。其中一部分工作由BPCS来完成，而特别关键的安全控制任务，包括紧急停车控制，压力安全控制，故障检测和报警等等则交给SIS系统来管理。这样就可以实现对危险的快速反应，从而避免事故的发生。2. 系统网络通讯要求PLC技术对整个压风系统进行自动化控制,实现空压机的自动投切、自动轮值、阀门自动关启、故障停车报警、检修退值、远程监控等目标,使压风系统更加安全、先进、稳定、可靠,最终达到无人职守的目的。10需满足一下要求：1）系统的每一个检测点的报警值、动作值以及一些系统内部参数可以随时修改。2）能够定位哪一个传感器处发生故障，辅助修理人员排除传感器故障。3）系统可远程控制，维护，软件升级。4）优化内部的数据传输方式，增加modbus等通信，以便于系统的网络化扩展。3.3 调试平台总体方案设计3.3.1 系统总体结构图空压机站控制系统调试平台源于空压机站控制系统，在设计设计空压机站控制系统调试平台时有必要先进行对实际空压机站控制系统的研究与调查。根据大部分资料的分析，得到了空压机站控制系统调试平台的系统总体结构图，如图3-1所示。图3-1 系统总体结构图3.3.2 调试平台总体结构图 由图3-2可要看出，仅一台带有LabVIEW以及OPC的计算机并不能直接与控制系统直接进行通讯，所以需要一台带通讯模块的嵌入式计算机与PLC进行数据交换，再通过以太网把数据共享给仿真被控对象的计算机，之所以要采用以太网进行通信，是因为相对于串口和USB、以太网的传输速率较高，且受线缆长度限制较小，符合设计中对先进性和稳定性的要求。图3-2 调试平台总体结构第4章 系统调试平台硬件设计4.1硬件选型根据设计的空压机分布控制系统调试平台的要求进行硬件设备的选型，部分清单如表4-1所示。表4-1 硬件设备清单序号元件型号个数1嵌入式计算机带有通讯模块NIS-H89812仿真计算机DELL Inspiron-17R14.2 系统调试平台的搭建仿真的被控对象使用LabVIEW在笔记本上搭建， 硬件结构图如图4-2所示。上半部分为控制系统，触摸屏可以了解PLC程序的运行状态，通过MPI与PLC进行通讯，PLC上的通讯模块分别把DI DO AI AO与嵌入式计算机上的通讯模块进行通信，最后通过以太网与仿真被控对象进行数据交换。图4-2 硬件结构图第5章 空压机分布控制系统调试平台软件设计5.1 LabVIEW前台程序设计考虑到空压机站运行的复杂性，所以选用能处理各种复杂逻辑、又能完成复杂的逻辑功能的LabVIEW。前台软件设计包括被控对象前台设计流程图、创建项目、添加共享变量、变量数据绑定、选择共享变量、前台程序设计，如下图所示。图5-1 LabVIEW环境下被控对象前台设计流程图图5-2 创建项目图5-3 添加共享变量图5-4 变量数据绑定图5-5 选择共享变量图5-6 前台程序设计5.2 LabVIEW后台程序设计图5-7后台程序设计第6章 系统调试与问题讨论6.1 系统调试在LabVIEW的调试中，发现各种网络通信的协议以及OPC服务出现无法通信，在尝试多次以后，终于知道了问题出在哪儿，最后发现了本质上的错误得以修改，在一次次的调试中，逐一排查了各种错误，以及不足的地方，最后终于完成了调试。6.2问题讨论在完成这次毕业设计的过程中碰到了许许多多问题，例如，硬件的选型，设计原则，调试程序等，最后这些问题都一个个的被突破，也从这次毕业设计中学到了很多知识。特别是以太网通信口与LabVIEW信息交换问题的讨论LabVIEW信息交换的方式有许许多多，例如用串口，RS232、RS485等，但是工作效率远远没有以太网高，并且以太网可以运用的范围更广，还包括了各种通讯协议。作为当今局域网最通用，最方便的通讯方式，与LabVIEW的信息交换更是可以达到很快的速度，传输距离也相对比较长。结论本文主要完成空压机站控制系统调试平台的设计，实现了将仿真计算机来代替真正的被控对象，为了更安全、更高效、更便捷的将控制系统调试完成。采用了LabVIEW和OPC强大的逻辑与通信能力，使得提高了整个项目的可靠性，对整个项目的硬件系统和软件系统进行了全部的设计工作，主要工作总结如下：1.作者通过与老师的讲解和讨论后，明确了设计的思路，并且查阅了大量的资料后，了解空压机站的现状和发展，对空压机站进行分析，了解空压机站的技术指标要求并设计总体方案。2.作者查阅了大量的资料了解空压机站的现状和发展，对空压机站进行分析，了解空