（控制理论与控制工程专业论文）矿山空压机站智能监控系统的设计与实现.pdf

硕士论文 abs tract as 户 为 p l e take 刃 。 0 e a tt en五 ontothe sa fe tyin脚ed u c ti o n and s a v in g tbe 卯 w er， m 创 re 皿d们 。 0 邝 。 】 ds u pervl si on 由 气缸和活塞组成 压缩容积， 活塞在气缸内做往复运动， 使气体完成向气缸内 进气、 压缩、 排气等过程。 第2 童 空压机站智能监控系统的总体方案设计硕士论文 2空压机站智能 监控系统的 总体方案设 计 2. 1系统的 设计指标及要求 应现场空压机站工作人员的要求， 设计出的该套空压机站智能监控系统需满足如 下要求: (l ) 选择耐腐蚀、 耐高温、高抗震、 寿命长的 温度、 压力 传感器。 (2 ) 对风包温度， 轴瓦 温度， 一 级气缸温度， 缸体 温度， 出 水管 温 度， 二 级温度 6 处温度检测点， 对风包压力，二级排气压力， 一级排气压力， 缸体压力， 进水管压 力，总水管压力6 处压力检测点进行实时监视. (3 )当 各检测点处的实时温度值、实时压力值 超过预设的 报警值时，声光报警; 超过预设的停机值时， 关闭空压机， 并防止自 启动( 即下次启动时必须重新按下启动 按钮，防止故障期间的频繁启动) 。具体报警参数、停机参数如表2 . 1 . 1 所示。 表2 . 1 1各检测点报警、停机参数表 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 报替值 0 . 爪 p a0 . 飞p a0 . 2 3 m p a簇0 1 柳a 续00 1 洲 p a落0 . 1 3 m p a 停机值无0 。 7 5 m p a0 ， 2 5 m p a蕊0 . 0 9 mpa续00 1 柳a无 温 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 条 自 险 矛么， 1 6 0 6 2 1 的 6 0 801 6 0 度 ， 民愁 1 且 停机值无 6 5 无无无无 (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。 (5 )系统的各检测点的报警值、 动作值以及一些系 统内 部参数可以 随时修改。 ( 6) 能够定位哪一个传感器处发生故降，辅助修理人员排除传感器故障。 (7 ) 系统可远程维护，软件升级。 根据现场的实际 情况， 作者在参考了 一定文献的基 础上建议给该系统增加一些新 的功能设计: (l ) 在原先空压机软启动的基础上增加变频控制。 ( 2)优化系统内部的数据传输方式， 增加n 旧 五 b u s ， p 旧 6 刀 改等通信，以便于系统 的网络化扩展。 (3 ) 增加简单的群控功能。 南京理工大学硕士学位论文 矿山空压机站智能监控系统的设计与实现 但由 于现场空压机站工作人员对该系统要求的设计工期较紧， 希望能够尽快地交 付使用， 并在一期工程的财政预算上资金有限，不能够提供变频控制和 r 旧 五 b us、 p 旧 6 刀 改通信的条件， 故而在一期工程设计中， 仅完成基本功能的设计，以 满足现场 迫切的需求。 如一期工程试运行顺利， 则可在二期工程时 将群控功能和变频控制等优 化设计加上， 使系统更完善， 更可靠。 在论文的第六章中， 作者将对系统的 这些扩展 和优化问题进行一定的讨论。 2 2系 统总体 方案的 设计 2 么1 集中 式方案与 分布 式方案的比 较 在空压机站智能监控系统的总体方案上， 普遍采用的是两种设计方案: 集中式与 分布式。它们的比较关系如表2. 2. l i所示。 表 2. 2. 1 . 1集中式和分布式监控系统的比较 集中式监控系统分布式监控系统 管理集中管理和控制集中管理， 分散控制 资源所有资 源为主 机所有 各子系统资 源相对独立， 互不干扰， 并可以 资源共享 通信通信信息量小数据通信盆大，需联网设备 性价比 大、中型系统对主机要求高，小系统 要求低 开 放系 统， 可从多个层面和第三方产品互相 连接，实现较高的性价比 技术要求低 高， 需 要解决系统软、 硬件特殊问 题和系统 的 调度和优化 灵活性 系统布线多，无效开 销大，缺乏扩展 性 松祸合的多 处理机系统，可实现硬件积木 化， 软件模 块化设计. 扩展性好 可靠性可靠性低， 危险 过度集中 系统结构、 冗余技术、自 诊断功能和高性能 元件保证高 可靠性 从上表不难看出， 集中式监控系统将所有功能、 所有操作集中于一台计算机， 这 必然大大增加计算机发生故障时对整个系统造成的危害 性。 所有实时信息、 闭 环控制、 历史数据和处理功能 集于一身， 一旦出现问题， 造成的后果都是全局性的。 显然， 集 中式这种结构对计算机本身的 要求极高， 它不仅必须有足 够的处理能力和极高的可靠 性， 还必需保证功能的实现和系统的安全。 集中式系统的 好处是系统的整体性、 协调 性好， 由 于是集中的 方式， 所有现场状态集中 在一台 计算 机中处理。 因 此中央计算机 可以根据全面情况进行控制和判断， 在控制方式、 控制时 机的选择上可以进行统一的 7 第2 章 空压机站智能监控系统的总体方案设计硕士论文 调度和安排。 但是， 随着计算机应用的不断深入，系统功能越来越复杂， 系统规模也 越来越庞大， 集中式控制系统己越来越难满足应用的需求， 它将逐渐被新型的分布式 监控系统所取代。 分布式监 控系统( d c s ) 是 计算机(co m p u 回 、 通 信 ( c onnn 画颇佣 ) 、 c 盯 显示 和控制( c ontrol ) 技淑简称4c 技术) 发展的产物。 它采用危险分散、 控制分散， 而操作 和管理集中的基本设计思想， 多层分级、 合作自 治的结构形式， 更适应现代化s c a d a 系 统， 是 目 前s c a d a 及 工 业 控 制 系 统 发 展 的 方 向 圆 7)1 气 2 忍 j系统总体方案的设计 基于对分布式监控系统和s c a d a系统的理解， 作者在导师的指导下设计了如图 2. 2. 2. 1 所示的系统总体设计方案. 传感器信号1 总进水管 传感器信号 1 #传感 器信号 2 禅传感答信号 ) 3 并传感器信号 4 井 叠 风 包 风 包 风 包 控制信号 膝签机撇械 抖虹栋统 洲虹机撇伸 空压机启动 反馈信号 寸 感器信号 1 并 空压 书 l 系 统 2 井 空压 机系 统 4# 空压 机系 统 阱饥机瞰仲 ! pe 通 信 总 线陀!pe ! 、 酬 、 冉cz 加 v尹 d c 24 v 奥，二 蕊 洋翼 油 - - - - - 八c2 2 0 vi 】 ) c24 v 泥 !甘甲三 电铆 ac2 20v 图2. 2. 2. 1系统总体方案结构图 商京理工大学硕士学位论文 矿山空压机站智能监控系统的设计与实现 整个空压机站智能 监控系统由 一台监控主柜和四台监控分柜组成， 监控主柜是整 个系统信息综合管理的 平台， 它能够通过配有的高性能触摸屏与用户进行交互， 也能 够较快的轮循访问任何一台监控分柜和向监控分柜发出控制命令。 在监控主柜中选用 触摸屏主要是因为其技术成熟， 兼容性好，通信方便，具有很大的灵活性和扩展性， 能够适合工业现场的恶劣环境， 开发方便， 便于在现场及时地修改与调试。 同时通过 使用触摸屏， 可以满足现场操作人员的要求， 大大缩短了 系统的开发周期， 进一步增 强系统的可靠性和可交互性。 监控主柜也配有较大功率的变压器和电路保护装置， 负 责对四台 监控分柜供电. 整个系统的 接地也将汇总到监控主柜。 空压机监控分柜通过分布式控制器主要负责现场采集空压机各检测点的实时数 据， 对这些数据进行处理、 判断、 存储。当检测点数据超标时， 空压机监控分柜发出 报替， 并通过串联空压机原配有的 控制柜对空压机进行控制。 从以上功能分析可以看 出， 监控分柜需要配有小型 北但是功能强大， 能够在复杂， 恶劣条件下工作的高性能 控制器。 该系统中将使用在工业现场表现尤为出 色的p l c作为监控分柜的控制器。 为了保证系统的远程维护功能，作者考虑在某一个监控分柜中预置m o d em 模块，通 过m od曰 叮模块和系统自 身的通信网络， 可以实现p l c程序的远程监控和维护。 系统 还预留了以 太网模块的 扩展空间， 便于今后以 太网扩展时与 矿上的主安全系统挂接。 2 j 3分布式总体方案的 特点 及优点 这种集中 式管理， 分布式控制体系结构的优势在于很好的秉承了s c a d a系统和 d c s系统的特点。四台空压机监控分柜是各自 为政的自 治系统，它们各自 完成自己 的功能， 如: 数据采集、 处理、 计算、 监视、 操作和控制。 在独立的 基础上，各监控 分柜间又能够通过通信网络传送各种信息以协调工作， 完成监控系统的总体功能和优 化处理。 它们也通过通信网络接受监控主柜的调度和控制。 当 任一台监控分柜出现故 障时， 该系 统能够在不影响其它部 分正常工作前提下， 进行现场的 维 护。 监控分 柜直 接靠近监控对象， 这样可以方便传感器的布线， 也可有效的防止信号线过度集中造成 的信号间相互干扰。 该系统的硬件和软件都采用标准化和模块化的方法设计。 系统的 积木式结构， 具 有灵活的配置， 可适应不同 用户的需要。 并且可根据生产的 具体要求， 改 变系统的大 小配置。 在改变生产工艺和系统参数时， 只需要改变某些配置和控制方案， 不需整个 系统从头开发，这样可以节约开发时间，提高开发效率。 z j通信网 络的 选择 2 3.1通信网 络选择的标准 通信网 络是整个系统的骨架，同时它也是空压机站智能监控系统的 基础和核心。 9 第2 章 空压机站智能监控系统的总体方案设计 硕 士论文 通信网络对于整个系统的实时性、 可靠性和扩展性起着决定性的作用。 满足实时性的 要求是指在确定的时间限度内完成信息的传送。 可靠性是指无论在任何情况下， 网络 通信都不能中断。 同时为了满足系统扩展性的要求， 通信网络上可接入的最大节点数 量应比实际使用的节点数量有较大的剩余。 2 沃2通信两 络协议介纽 由于在系统监控分柜的柱 啼 四 器选型上，拟使用西门子公司的 57一 2 (x) c n小型 p l c ，故在通信网络的选取上，可以选择州 田 1 网络、 乃 旧 6 加5 网络以 及n 旧 6 刀 改网络 等。 州 田 1 ( mu lti p o in t ln 抚 到 触 ce，多点接口) 通信适用于较小范围的现场级通信， 通 信 速率为9 石k b ps一 1 87.5k b ps， 通常 默认值 为19.2 k b 声. 侧 甲 1 网 络最多 连接32个 节点， 最大通信距离为5 0 m， 但可通过r s 4 8 5 中 继器延长m p i 网络通信距离。 5 卜2 00 cnc pu上的rs485 编 程口 可作为mpi 通信口 使 用。 19jllo r o 6 bus 协议结 构是 根据15 07498 国际 标准， 以 开 放式系统 互联网 络 场 四 。 s ys teln 加 傲c o nnec 石 on， o s d 作为参考模型的。现场总 线采用简化的网 络体系结构，具有类 似于0 51模型的物理层、 数据链路层和应用层的 三层协议或进一步包括网 络层或传输 层在内的四层协议， 而不采用会话层和表示层。 r 。 助us提供三种通信协议类型: d p 、 f m s 和以. 其中p 闰 6 b us一 d p 是一种经过优化的高 速通信连接， 专为自 动控制系统 和分布式阳 设备之间通信设计， 用于分布式控制系统的高速数据传输， 传输速率最 高可达 1 2mb p s : 卜 旧 6 b u s 一 p m s主要 解决 车间 级 通用性 通 信任务， 提 供大量的通信 服务， 完成中等速度的循环和非循环通信任务; 介呱bos 一 pa 专为过程自 动化设计， 提供标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的需要总线供电的场合。 1 0jl l l 1 1 2 1 n 闺 6 n e t 是ro fi b 训总线技术的纵向 扩展， 它是一个综合的自 动化概念。 在自 动 化技术趋向 模块化、 分布式、智能化时， 这种概念已 经被逐渐推广开来， 并被广大的 设计人员所接受。由 于它的设计是一体化的，从工程设计到运行期 ( r u n ti n 坦 )以 及 对其它通信系统( 如p m 6 b u s 和o p c ) 的转换体系结构都使用统一的模型。 n m 五 n et满 足了自 动化技术的所有关键要求: ( 1)从现场层到使用e 山 。 m e t 的企业管理层的连续一致的 通信; (2) 用于整个自 动化区域的与制造商无关的成套设备级的 工程设 计模型; (3 ) 对其它系统的开放性: (4) 实现仃 标准; (5 ) 集成p 旧 五 bus 总线段的 能力， 而不需要对它们进行任何改变. p m 丘 。 改规范将现有的r m 6 b us协议与m l 。 氏 ” 旧 ft的自 动化对象模型c o m心c o m 1 0 南京理工大学硕士学位论文 矿山空压机站智能监控系统的设计与实现 标准、 t 甲 月 p 通信协议、以 及工控软件互操作规范o p c技术等有机地结合成一体， 实 现一种向 所 有的自 动化 装置都是透明的、 面向 对 象的和 全新的 结构 体系。 l 4 幼3通信网 络的 选定 由于本次设计的 空压机站智能监控系统对时间的要求不是很高， 是秒级系统， 信 息传输量不大，同时 若使用p m 五 b us或p 旧 五 n 改通信方式时，需要为57一 2 (x)添加专 门的通信模块e m 2 7 7 和c p24 3 一 1 模块，会增加一定的成本，并且该系统的监控分柜 数量不是很多。故作者并没有选用较高级的通信方式乃 旧 五 bus 或r 浦n et ，选用的通 信 方式 是 较为 常 用 伪n 田 1 通 信方 式， 设定的 通 信 速率为19 .2 k b p s ， 它 可以 很好的 满 足系统的通信要求， 并且极大地发挥57一 2 (x)系统的整体性能， 减少花在通信上的系 统资源，因为若使用p l丫 ，fi b us或p 旧 五 朋t 通信方式时，系统需要为新增的 通信模块分 配一些资源。 但是随 着监控系统朝着网络化方向的发展和全集成自 动化 ( t l 气 )思想 的推广， p 闭 万 b us和n 田 石 匕 et的 应用将越来越广泛，故在论文第六章的系统扩展讨论 中， 作者将简述系统在通信方式上的一些改进方法。 虽然在通信协议上， 此次系统选 用的是 m p i 协议，但是在通信介质上，系统选用的是p m 五 b us专用电缆，从而提高 系统在传输过程中的可靠性。 第3 章 空压机站智能监控系统的硬件设计硕士论文 3空压机站智能监控系统的硬件设计 现场的空压机站位于矿井口附近， 由 于空压机的不间断 运行， 空压机站内噪声较 大， 地面震动强烈，并伴有一定的粉尘和油污， 湿气也比 较重。 故现场的条件对硬件 的选型和电路的设计提出了较高的要求， 3. 1系统硬件的 选型 i l i p l c的选型 i l l i 可编程控制翻p l c ) 的 介绍 可编程控制器( p l c ) 是专为在工业环境下应用而设计的，集微处理器技术、自 动 化技术和通信技术为一体的实时工业控制装置。它从继电器逻辑控制系统发展而来， 在开关量控制和顺序控制等方面占 据了很大的优势。 随着微电子技术和计算机通信技 术的飞速发展， p l c在硬件配置、 软件编程、 通信联网功能以 及模拟量控制等方面均 取得了长足的进步和系统的升级， 为工业自 动化控制系统注入了前所未有的生机和活 力。而基于 p l c和网络通信技术的新型分布式控制系统，己经成为现代自 动化监控 系统的一个主要发展趋势。 用p l c来构建或改造s c a d a系统或d c s 系统，一方面 可以保证控制的实时性、 稳定性以及准确性; 另一方面可大幅度地降低成本， 满足用 户对控制系统的经济性要求。目 前，随着p l c技术的不断发展，小型和微型p l c不 仅具备了 过去大型p l c的所有基本逻辑运算功能，而且能实现高级运算、通信以及 运动控制功能。故而空压机监控分柜选用p l c作为系统的 分布式控制器。 目前国内使用的p l c种类很多，但主要还是集中在德国5 正m e n s 、美国c e 、 日 本三菱、 欧 姆龙等厂商的产品。 在此次设计中由 导师推荐， 作者选用德国5 正me n s 公司的5 7 一 2 0(c n系列p l c作为监控分柜的控制器。 s i n . ti c s7一 2 (x) 系列p l c已 经在中国市场上被广泛地使用。 57一 2 0 0 c n保持了 与s i m 如 c s7一 2 00相同的功能指 标， 使用了s i n 韭 吐 i c s7一 2 (x)相同的技术， 与5 1 力 l a t l c s7一 2 (x)之间 各c p u及模块实 现1 00%兼容。 c n系列p l c 共提供8 种c p u以 及15种扩展 模块供用户选择和使用， 丰富的产品保证了灵活的组合，适合于各种应用场合。只需升级到 s t e p7 一 珑“ 口 win v4.0s p3并将系统语言设置为“ 中文” ，即可 对57一 2 0() c n系列产品进 行编程、上传及下载等操作。 57一 2 佣 c n是仅限在中国 境内销售和使用的可编程序 控制器，相对较低的生产成本使得它在竞争激烈的中国小型p l c市场具有非常大的 竞 争 优 势 。 阴 3. l 1 2劝一 2 00c nplc的 选型依据 57一 2 0 0c np l c的 c p u系列如图3. 1 1 2. 1所示。 从该选型表中 可以 看出， 南京理工大学硕士学位论文 矿山空压机站留能监控系统的设计与实现 c p u 2 2 4 是全系列c p u中偏高端的 产品， 它的用户程序区为s k字节， 数据存储区为 张 字节， 足够满足系统监控分柜功能的需要， 并且较低端的c p u 2 2 1 ， 2 2 2 多出一倍， 并和c p u 2 26 有相同 大小的用户程序区和数据存储区，具有很好的性价比。 c 甲 u 2 2 4 内 置了14个数字量输入点和10个数字量输出 点，由于监控分柜的数字量信号不多， 正好也可以满足系统设计的需要， 不需要增加额外的数字量模块。 而对于模拟量输入 瀚 出， c p u 2 24 能够带动28入或14出， 不仅足够满足传感器接入点的数量， 还能够 有一部分的备用。 并且c p u 2 24 内 置了 时钟功能， 还附有对数字量和模拟量的输入滤 波功能，这将大幅地增加系统的箱入可靠性。 黔 钦 ， 劣 嗜璐尸叼 巍 尔 留 浅 笋 今 笋 瞥 舞 ， 赞黔翼驴嘿赞娜耀黔戮 .用户程序区 .致据存储区 . c p u内置d l l d o 点数 .月i a o 点数 .扫描时间11 条j 份 令 .最大d 甘 d o 点 数 .位 存储区 .计数器 .计时器 . 时钟功徽 .象字量输人游波 .模拟量输入滤波 . 高速计数器 .脉冲输出 cp u2 2 门 4k 字节 zk 字节 6 鸽 无 0 .3了u 写 2 朽 6 2 5 弓 2 6 6 2 6 6 可选 标准 ni a 考 个劝众 2 毖个z o k 掖 c p uz 刀 4k 字节 zk 字节 墉翼黛臀宏矛曹啼 姗饰线256器撇 晰晰琳哪蟾撇撇 黔彝 内置 标准 板 咸 侣 6 个 3 0 杖 h 才 2 个 z o kh 之 6 个 3 0 k h 26 个3 2 个 2 0 k h 22 个 恤附 .价二，二，。:曰介 沪禅 平 尸 赢 _ 、; 、 、令哗 鹭 图3.l i :2 黔乒 鬓 些少 之 鬓经 黛 熟 蕊柔 敷复 潺 蕊 黛 欺 馨 5 7 一 2 印全系列 c p u 3. l 1 3plc的粉出方式介绍及选型 依据 p l c常用的数字量输出有继电器输出、晶闸 管输出、晶体管输出等几种方式。 (l ) 继电 器输出的优点是不同输出 点之间 可带不同的交、 直流负载， 且电压也可 不同，带负载电流可达 za / 点;但继电器是机械元件所以 有动作寿命，不适用于高 频动作的负载。 其寿命也随带负载电 流的增加而减少， 一般在几十万次至几百万次之 间，有的公司产品可达1 1洲 x)万次以 上，响应时间为1 0 n l s . (2 ) 晶闸管输出的带负载能力为 0. 2 ai点， 只能带交流负载，可适应高频动作， 响 应时 间为l ms (3 )晶体管输出的优点是晶体管是电子元件， 只有老化， 没有使用次数限制。 适 应于高频动作，响应时间短，一般为0. 2 n .左右， 但它只能带 】: 5 一叨v的负载， 最大输出负载电流为0 万 刀点， 但每4 点不得大于0. 8 a 。 用晶体管时， 有时候要加其 它器件来带动大负载 ( 如继电器，固态继电器等) 。 l 3 第3 章 空压机站智能监控系统的硬件设计 硕士论文 继电 器输出型c p u驱动继电 器线圈时， 触点吸合，使外部电源通过闭合的触点 驱动外部负载， 其开路漏电 流为零，响应时间慢 ( 约1 0 吐 坦 ) ， 但可以带较大的外部负 载;晶体管输出型c p u通过光辊使晶体管通断，以控制外部直流负载，它的响应时 间快 ( 约0. 2 n ) ，可带外部负载小; 由于空压机站现场环境， 如震动强度大， 粉尘、 油污较多， 潮湿， 不适合继电 器 输出的长期使用， 而且系统中需要驱动的大负载较少， 故空压机监控分柜设计中选用 的是晶体管输出的c p u 2 24c n ，它同时可以 带来较快的系统响应。 在系统监控分柜设计中， 选用57一 2 0()c n系列的c pu2 2 4 c n( d o 心 cd c ) 作为 其控制器， 其中d o 心 c il 表示该款c p u是24v】 ) c电 源供电， 输入是2 4 v】 x二 ， 输 出也是24vi 犯。 该款c pu 能够最多挂接7 个扩展模块。 为了配合采集现场传感器的 模拟量输入信号， 为c p u 2 2 4 c n扩展了e m2 3lc naj4 x lz位模拟量 输入模块正m 231 c nai4x兀 热电 偶模块、 e m2 3ic naizxr t d热电阻模块犷同 时为了 便于 对 该系统的远程维护，增加了e n 12 4 1 调制解调器模块。 3. 1 2触摸屏的选型 1 1 j j触摸屏的种类 触摸屏主要分为三大种类是: 电阻技术触摸屏、表面声波技术触摸屏、 电容技 术触摸屏。 (l )电 阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄 膜屏， 这是一 种多层的复合薄膜， 它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层， 表面涂有一层透明氧化金 属 ( i t 0氧化锢， 透明的导电电阻) 导电层， 上面再覆盖有一层外表面硬化处理、 光 滑防擦的塑料层 、 它的内表面也涂有一层1 1 t ) 涂层 、 在它们之间有许多细小的( 小 于 11 1 口 以 ) 英寸)的透明隔离点把两层导电 层隔开绝缘。当 手指触摸屏幕时， 两层导 电层在触摸点位置就有了 接触， 控制器侦测到这一接触并计算出 ( x ， y ) 的位置， 再根据模拟鼠 标的方式运作。 这就是电阻技术触摸屏的基本工作的原理。 电 阻触摸屏 自 从进入市场以来， 就以稳定的质量， 可靠的品质及环境的高度适应性占 据了广大的 市场。 尤其 在工控领域， 由于它对环境和条件的要求较低， 更显示出电阻触摸屏的 独 特性， 使其在同类触摸屏产品中占 有90%的市场量，已 成为市场上的主流产品. 它 最大的特点是不怕油污，灰尘，水，此外，电阻触摸屏还具有如下特点: a)解析度高，高速传输反应。 b) 表面 硬度大， 具有减少擦伤、刮伤及防化学处理。 c) 具有光面及雾面处理。 d) 一次 校正，稳定性高， 永不漂移。 (2 ) 表面声波技术触摸屏是利 用声波在物体的表面 进行传输，当 有物体触摸到表 1 4 南京理工大学硕士学位论文 矿山空压机站智能监控系统的设计与实现 面时， 阻碍声波的传输， 换能器侦测到这个变化， 反映给计算机， 进而进行鼠标的模 拟。 表面声波触摸屏需要经常维护， 因为灰尘， 油污甚至饮料的 液体沾污在屏的表面， 都会阻塞触摸屏表面的导 波槽， 使波不能正常发射， 或使波形改变而控制器无法正常 识别， 从而影响触摸屏的正常使用， 用户需严格注意环境卫生。 必须经常擦抹屏的表 面以保持屏面的光洁，并定期作一次全面彻底擦除。表面声波触摸屏的特点是: a) 清晰度较高，透光率好。 句 高度耐久， 抗刮伤性良 好。 c)一次校正不漂移。 d) 反应灵敏。 e)适合于办公室、 机关单位及环境比 较清洁的 场所。 (3 )电 容技术触摸屏 利用人体的电 流感应进行工 作。 用户触摸屏 幕时，由 于人体 电 场， 用户和触摸屏表面形成以 一个祸合电容， 对于高频电 流来说， 电 容是直接导体， 于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电 流分从触摸屏的四角上的电极中流 出， 并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比， 控制器通过对这四个电 流比例的精确计算，得出 触摸点的位置。电容触摸屏的特点是: a) 对大多数的环境污染物有抗力。 b) 人体成为线路的一部分，因 而漂移现象比 较严重。 c) 带手套不起作用. d) 需经常校准。 e) 不适用于金属机柜。 幻当外界有电 感和磁感的时候， 会使触摸屏失灵。 3. i j j触摸屏的 选型依据 从上面的比较看出，电阻技术触摸屏能够很好的适应空压机站现场油污，灰尘， 潮湿的环境。由于空压机站智能监控系统采取的是集中式管理、分布式控制的模式， 并且选择的触摸屏将作为信息集中管理的平台， 故在触摸屏的选型上， 选取了一款较 满足现行系统要求稍高的 一款触摸屏产品， 以 便于日 后功能的 扩展和改进。 在导师的 建议下， 作者选取了s ie 州 卫 n s 公司的配套产品们 陀 7 一10触摸屏。 该屏带有10英寸 彩色显示屏， 它的显示和操作方法可以 通过使用p l心 及 幻 】 组态软件自 定义，以 得到有 关过程所要求的最优结果。 们 陀 7 一10 是直接在设备端使用的安装单元， 该设备被高 度地保护 ( 前面板保护等级为】 p 6 5 ) ， 适于在严酷的工业环境中 使用。 它功能全面， 具有多种接口 ，能够为今后多种通信方式的 扩展带来方便。 m3传感器的选型 南京理工大学硕士学位论文矿山空压机站曹能监控系统的设计与实现 进柜电源电流 . 门 巨 口 !丫! / 了 升目 .11. 1l ln lln1 去1 ，2 ，3 ，4 监控分柜 图3. 2. 2 . 1 监控主柜内部电路 在上图中， 电流表用于显示进入监控主柜的电流， 由于监控主柜承担着为监控分 柜供电的功能， 故而也显示了 整个系统的总电 流的: 电压表用于显示监控主柜主回路 的电 压，也即显示了 整 个系统的总电 压。 卿1 ， 卿2 ， 卿3 ， 卿4 均为断路器。 印1 放在主回路上， 用于保护主回 路， 防止过载: 卿2 用于防止维修插座 上的突发事件并 且保护接触器 c 0 1 ; 卿3 放在隔离变压器的一端是用于保护隔离 变压器，防止变压 器的过载和烧坏器件: q m是用于保护报警输出电路和报警确认电 路， 尤其是保护用 于报警功能的一些继电 器r01 ， r 02等。接触器j c01 主要用于控制监控分柜电源的 通断。二极管保证报警电 路中电流的单向输出，保证继电器等电气元件的正常工作。 3 j j主 柜 . 报苦翰出 一 报苦 确认， 局部电 路设 计 在主柜的内部电 路中， 设计了 一个比较巧妙的电路， 它主要用来完成报警输出和 报警确认的 功能。 它为 报警确认提供了 一种硬件的方式( 用触摸屏也 可以完成报警确 认功能) 。这样设计的 好处在于若 触摸屏通信出 现延时，可以 直接通过硬件的方式来 报警确认， 关闭报警笛， 避免报普笛一直报普， 影响故障 检查。 如图3. 2. 3. 1所示。 1 9 第3 章 空压机站智能监控系统的硬件设计硕 士论文 该图是图3. 2. 2.1 一 的局部电路。 去1 ， 2 ， 3 ， 4 监控分柜 库 r34 卧 卦 i o a 猫晰曲赴其 月504 猫姗毖夕 + i j o a-()7 2 品j 蔽奋几 。 报 苦 笛 图3 2. 3 . 1主柜报带电路 下面， 作者以1 #监 控分柜的 报警输出及其报普确认功能， 阐述该部分报警处理 电路的工作原理。 当1 #监控分柜的报警条件产生时， 报警输出触点r14 闭合， 同时报警确认允许 触点r 16 闭合。在电路右侧的报警笛报警电路中，r14闭合且r 02 为常闭触点，故 报警笛开启。当现场工作人员听到报警笛声音后， 进行报警确认， 按报警确认按钮以 关闭报警笛。 在电路左侧的报警确认电路中， 报警确认按钮被按下， 同时报警确认允 许继电器r 16闭合，故中间继电器r02 线圈得点，使r 02常闭 触点断开， 关闭报警 笛。 此时中间继电器r ol线圈同时得电， 使r01 常开触点闭合， 达到自 保持的目的， 并使 r 02 线圈一直 得电。只要报警条 件一直存在，该电 路一直有效，当 报警条件消 失时，该电 路恢复到 初始状态，报替笛仍然可以 继续响应任何报警条件。 3 j 系统监控分 系统监控分柜是整个系统的分布式监控终端， 肩负着检测点传感器信号采集， 数 据处理，判断， 控制等重要作用。是整个系统的坚实基础，也是系统设计中的核心。 3 j j监控分柜布局设计 监控分柜的布局如图3. 3.l i 所示。 南京理工大学硕士学位论文矿山空压机站智能监控系统的设计与实现 报 赞 灯 口 2 . 盯键v 曰劝5310口u 3 号空压机监控分柜 xxxx研制 插座 q 3 1 j c3 1 r3 1 r 3 。 r34 r 3 5 黔 6 r3 7 cp u 2 2 今 e m 2 了 r e m 2 3 工 e m 2 了 t e m 2 3 1 e ! m 2 州 e m 2 引 7 ! 暑 2 宝 扮人 j 3 b 】 3 亡 监控分柜柜面图图3. 3l i监控分柜内部布局 ul 是监控分柜电源指示灯。 u3 是空压机运行指示灯，由原空压机控制柜中的 空压机运行反馈信号产生。 5 31 是用来控制 p l c及其模块的电源通断的钥匙开关。 532是空压机的启动按钮， 5 33 是空压机的 停止按钮，5 36是系统的报警测试按钮， 同时侧试监控分柜上的报警灯和监控主柜中 报警笛， 5 3 4 是系统的紧急停止按钮。 在监控分 柜内部布局图中， q31 代表断路器， j c 3 1 代表接触器， r31 一 r37 是为 配合p l c输出触点的继电器，并留 有备用。 接下来是h 刀及其模块插槽和隔离配电 器的放置。 3 j j监控分柜内部电 璐设计 监控分柜由于使用模块化元件，故内部电路铺设较为简单，如图3. 3 .2.1 所示。 第3 章 空压机站智能监控系统的硬件设计 硕士论文 3 占系统电 汀的计算 拈.l57. 2 00系统的电 杯需求分析 5 7 一 2 0() c p u模块提供s v d c和2 4 v d c电 源.当有扩展模块时c p u通过f o总 线( 扁平电缆) 为其提供sv 电源， 所有扩展模块的sv 电 源消耗之和不能超过该c p u 提供的电源额定。若不够用不能外接s v电源， 但一般情况下s v电 源是够用的，不 需要外接; 每个c p u都有一个匆v d c的传感器电源， 它为本机输入点和扩展模块输 入点及扩展模块继电器线圈提供对v d c 。 如果电 源要求超出了c p u模块的电源定额， 可以增加一个外部2 4 v d c电源来提供给扩展模块。57一2 伪系统的电源需求分析如 表3. 5.l i 所示。 表3 东1 . 1 5 7 一 2 阅系统的电 源需 求分析 电流供应 +s v 优 2 4 v 优 c p u 2 2 4 6 6 0 毗2 8 0 己 电流需求 +s v 戊+ 2 4 v d c c pu上及扩展模块上的数字盘1 4x4 ma z x阴2 3 14 i n p u t s zx2 0ma2 x6 0 以 i xe m 2 3 1tc 4 i n p u t s 8 7毗 6 0 毗 i xe m 2 3 lr t d4 i n p u t s 8 7ma6 0 ma e m 2 4 1m od e .8 0 吐 7 0 毗 3 占 j系统电 沮的 计算 c pu2 24 在最大负载情况下，需要7 0 伪 n a的电 流供给， 因为监控分 柜一共有四 台，故系统总电源需对四套c p u 2 2 4 系统进行电流供给;触摸屏们 陀 7 一10的电流需 求典型值约为久 刃 田 a ， 最大恒定电流约为1 0( x) 田 a ; 其它柜内 继电器， 隔离器等小元 件累计za; 传感器每个需供电2 伪 立 a ， 一台 监控分柜有12个传感器， 共有四台监控 分柜。故系统的总电 源开销为: 7 (x)max4 +1 以 拍 n l a +z a +2 众 叮 ax1 2 x 4 =6 7 6() n 峨; 再考虑到系统以 后的 扩展性和电 源的余量， 故选取10 a的电 源。 南京理工大学硕士学位论文 矿山空压机站智能监控系统的设计与实现 4空压机站智能监控系统的软件设计 实用的外观设计， 高性能的硬件配置和组态为整个空压机站智能 监控系统铺下了 坚实的基础， 良好的软件设计将要在硬件的基础上极大限度的发挥该系统的性能。 硬 件和软件相辅相成， 才能 够充分的体现该系统的良 好性能。 作者下面分别从 p l c软 件的编写和触摸屏界面的设计两方面来叙述该系统的软件设计。 4. 1 凡c软件设计 4. l i plc偏程语言介绍及选用 在p l c的设 计中， 有多种程序设计语言供选用， 它们是 梯形图 语言、 顺序功能 图 语言 、 功能 模块图 语言 及结 构 化语 句描 述 语言 等. 四 (l) 梯形图( l 必 d er创a 即 l m ) 程 序 设计 语言 是 用 梯形图 的 图 形 符号 来描 述程序 的一种程序设计语言。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结 果。 每个梯级是一个因果 关系。 在梯级中， 描述事件发生的条件表示在左面， 事件发 生的结果表示在后面。 它来源于继电 器逻辑控制系统的描述。 梯形图 程序设计语言有 如下特点: a)与电 气操作原 理图 相对应，具有直观性和对应性; b) 与原有继电器逻辑控制技术相一致， 对电 气技术人员来说， 易于撑握和学习: c)与原有的 继电 器逻辑控制技术的不同点是， 梯形图中的能流 ( pow err o w ) 不是实际意义的电流， 内 部的继电器也不是实际存在的继电器， 因此应用时， 需与原 有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待; (2 ) 顺序功能 图( 5 阅 ， 印 aif 恤 n c ti o n c h a rt ) 程序设计语言是 用顺序 功能图 来描 述程序的一种程序设计语言。 它是近年来发展起来的一种程序设计语言。 采用顺序功 能图的描述， 控制系统被 分为 若干个子系统， 从功能入手， 使系统的 操作具有明确的 含义， 便于设计人员和操作人员设计思想的 沟通， 便于程序的分工设计和检查调试。 顺序功能图 程序设计语言有如下特点: a) 以 功能为主线， 条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通; b) 对大型的程序，可分工设计，采用 较为灵活的 程序结构， 可节省程序设计时 间和调试时间: c) 常用于系统的 规模校大， 程序关系较复杂的场合; (3 )功能模块图( 殉加石 见b i ock ) 程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具 有的功能。 它有若干个输入端和输出端， 通过软连接的方式， 分别连接到所需的其它 端子， 完成所需的控制运算或控制功能。 由 于采用软连接的方式进行功能模块之间及 功能模块与外部端子的连接， 因此控制方案的更改、 信号连接的替换等操作可以很方 第4 章 空压机站智能监控系统的软件设计 硕士论文 便实现。 功能模块图程序设计语言有如下特点: a) 以功能模块为单位， 从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易; b) 功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了 设计人员的编 程和组态，有较好的易操作性: c)对控制规模较大、控制关系较复杂的系统，由 于控制功能的 关系可以 较清楚 地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少; d) 由 于每种功能模块需要占 用一定的程序内 存， 对功能模块的 执行需要一定的 执行时间， 因此， 这种设计语言在大中型可编程控制器和集散控 制系统的编程和组态 中才被采用。 (4 ) 结构化语句 (siruc tu r edtex t ) 描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描 述程序的一种程序设计语言。 它是一种类似于高级语言的程序设计语言。 它采用计算 机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。 结构化程序设计语言有如下特点: a)采用高级语言进行编程， 可以完成较复杂的 控制运算; b) 直观性和易操作性等性能较差; c)常被用于采用功能模块等其它语言较难实现的 一些控制功能的实 施。 由于作者的编程习惯和57一2 阅 系列p lc 在默认情况下仅支持梯形图、功能模 块图 及结构化语句等描述语言，故在此项目中，作者选用梯形图 语言 对p l c进行编 程。 并且空压机站现场的电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉， 梯形图来源 于继电器逻辑控制系统的描述， 因而他们能够较好的理解梯形图的逻辑， 便于作者与 电气技术人员的交流讨论，定制出更符合现场操作规程的功能。 4. i js7一2 00c npi“ c编程环境的设里及棍述 5 7 一z ooc np l c的开发环境s t e p 7 小 五 。 刀 八 们 nv 4 .o s p3如图4. 1 2. 1 所示。 第4 章 空压机站智能监控系统的软件设计硕士论文 分抗干扰和软件输出部分抗干扰犷由于系统输入主要是模拟量信号， 因而对其的抗干 扰主要体现在软件涟波算法的选择， 滤波算法的实现和采样频率的选取上; 对软件执 行部分的 抗干扰主要是设置相应的看门 狗或者设置相应的 逻辑标志位以 监视程序; 因 p l c的软件输出主要是一些简单的开关量，受 千扰较小， 故而可以 不必进行设计。 (2 ) 模块化设计， 将整个程序分解成若干个功能块，将功能块再分 解成子函数， 将程序的 编写过程变为对功能块的调用和子函数的调用过程。 子函数的编写尽量精简 以减少代码的整体长度。 模块化的设计能够便于系统功能的 扩展和裁减， 也便于快速 的查找故障。 (3 ) 增强快速反应能力，适当的使用中断和使用立即输出 功能， 控制整体程序的 篇幅，避免使用跳转指令，缩短程序的 扫描周期。 (4) 留 有适当 的备用区 域，便于今后的 扩展。 (5 )为硬件的配置参数开辟专用变量区，方便参数的更改。 4. 1 万plc的主程序流程圈 p l c的主程序流程如下图4 . 1 .5 . 1 所示。 由于该系统对顺序控制的要求较低，故而作者将 p l c的主程序分解成若干个子 功能模块， 然后用搭积木的方式将其组合。 这样的设计模式不仅便于设计、 而且方便 对程序的调试和功能的扩展。 南京理工大学硕士学位论文 矿山空压机站智能监控系统的设计与实现 主函数 定时中断 采集1 2 路传感 器模拟t输入 宏 传 感器 模 拟 童 输人 获 遥 回 主 函 缝墨 圈4. 1 . 5. i p l c的主程序流程图 书 第5 章 空压机站智能监控系统的调试硕士论文 呀 沁 ， ， 如 吮饭 触摸屏 多 必了，产尹 飞 n印1 淤 叩一秘芍 以 57 一2 朋 cn 及其摸块 肠班 5 7一2 (x cn 及 其 摸 块藻 5 7一双)ocn 屯 及其模块主 吮5 7 一2 创 cn 及其模块 热电阻 舰甘僻 男 笋 硬柞电路板 ( 梭拟传感 器4 一2 0 l u a 电流输入) 硬件电路板 模扛 1 传感干 器 一z o n 1 a 电流 愉入) 熟i 痛电阻 翻一电留 热电偶 了 硬件电路板 ( 模拟耳 车 感 器4 卫 o ma 电流输入) 硬件电路板 了 模拟传再 器令 2 0 1 九气 电沪输入) 扑电偶 于 获 湘哪，尹. 流尝 乡 图5. 1 .4.1硬件仿对象调试方法 5 2系统的现场调试 5 二1断水检侧装里 遇到的问 鹿 及 解决方法 历经了上述的调试过程后， 该系统的软件、 硬件故障和逻辑问题己