（机械电子工程专业论文）综采液压支架压力远程监测系统的研究.pdf

摘要 随着工业自动化水平的不断提高，过程监控在生产过程中逐渐 成为一个必不可少的重要环节。本文以综采( 放) 液压支架压力自 动监测系统为研究对象，通过对生产现场深入细致的调查研究，并 详细的研究分析后，以计算机及现场总线技术为依托，并融合i n t e r n e t ，i n t r a n e t 技术、软件组态等技术，开发实现了一套基于现场总线的 远程监测系统，对井下液压支架压力进行远程监测。 本系统以综采( 放) 液压支架压力为监测对象，以对现场的信 号数据采集情况及其信号传输特点的分析为基础，研究并确定了信 号的工作方式为优化主从形式，实现工业计算机为上位机访问中心 分站，中心分站访问各分站，形成逐级轮询和抢先应答相结合的协 调竞争机制，并通过计算机对该液压支架的压力监测系统进行可行 性分析，利用组态软件对其进行软件化工作，通过实际控制系统对 其进行检验，实现了对井下液压支架压力的远程实时在线综合监测 与控制。本系统将机械、电子、传感器、数据采集、计算机控制技 术有机结合起来，将监测技术应用到煤炭行业，实现了液压支架压 力的远程监测控制，拓宽了应用领域，对其它相关课题的研究具有 一定的参考价值。 关键词：液压支架、监测、现场总线、数据采集、远程监测、 组态软件 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er i s i n gs t a n d a r do fi n d u s t r ya u t o m a t i o n ，p r o c e s s s u p e r v i s i n gh a sb e c o m ea na b s o l u t e l yn e c e s s a r i l yi m p o r t a n tl i n ki nt h e p r o d u c t i v ep r o c e s s i n v e s t i g a t e d0 np r e s s u r ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f p o w e r e ds u p p o r t ，t h r o u g hr e s e a r c h i n go np r o d u c t i o ng r o u n dt h o r o u g h l y a n da n a l y z i n gd e t a i l e d ，i td e v e l o p sas u i to fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do ns p o tb u st om o n i t o rh y d r a u l i cs u p p o r tp r e s s u r eu n d e rt h es h a f t ， r e l y i n g o nc o m p u t e ra n dl o c a l eb u st e c h n o l o g y ，a n dc o m p r o m i s e s i n t e r n e t i n t r a n e tt e c h n o l o g y 、s o f t w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds oo n t h i ss y s t e m ，w h i c hi sb a s e do na n a l y z i n gt h es p o ts i g n a ld a t a c o l l e c t i n ga n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t a k i n gm e c h a n i z e d h y d r a u l i cs u p p o r tp r e s s u r e a s m o n i t o r i n go b j e c t ，i n v e s t i g a t e s a n d d e t e r m i n e st h a tt h es i g n a lw o r k i n gf a s h i o ni so p t i m i z i n gl e a d e ra n d f o l l o w e rf o r m i ta c h i e v e st h a ti n d u s t r yc o m p u t e ra sp cv i s i t sc e n t r a l o u t s t a t i o n ，a n dc e n t r a lo u t s t a t i o nv i s i t se a c ho u t s t a t i o n 。t of o r m c o r r e s p o n d i n gc o m p e t i t i o nm e c h a n i s mw h i c hi s c o m b i n e d g r a d u a l l y p o o l i n gw i t hr u s hr e s p o n d i n g t h r o u g hc a r r y i n gt h r o u g hf e a s i b i l i t y a n a l y s i so nh y d r a u l i cs u p p o r tp r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e mb yc o m p u t e r ， c o n f i g u r a t i o ns o , w a r ei su s e di np r o c e s s i n gs o f t w a r ew o r k b a s e do n c h e c k i n gi tu pb yp r a c t i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e m ，i ta c h i e v e sr e m o t e r e a l - - t i m eo n - l i n e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gs y n t h e t i c a l l y o n u n d e r g r o u n dh y d r a u l i cs u p p o r tp r e s s u r e c o m b i n i n gm e c h a n i s m e l e c t r o n s e n s o r d a t a c o l l e c t i n g c o m p u t e rc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y o r g a n i c a l l y ，t h i ss y s t e ma p p l i e sm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo nc o a li n d u s t r y i ta c h i e v e sr e m o t em o n i t o r i n gc o n t r o lo fh y d r a u l i cs u p p o r tp r e s s u r e ， a n de x p l o i t sa p p l i e df i e l d i tp r o c e s s e sr e g u l a rr e f e r e n c ev a l u ef o ro t h e r c o r r e l a t i v et a s k k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs u p p o r t ，m o n i t o r i n g ，s p o tb u s ，d a t a c o l l e c t i o n ，r e m o t em o n i t o r i n g ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果：本塞以绩暴蔓燕液匿麦架压力息动整减暴统巍研究怼 象k 适：造融生彦现场瀑叁纽致的遇查班巍乙羞迸纽艘研究分抚履k 丛量f = 篡 扭厘现场簋线攮术岌巍抿一差融金鱼唆喊鱼噢蜮攮本! 菝往绉态篓攮杰厶 珏篡蓑骢： ：燃王现场簋缘缒运程捌系统一对蓑王液壁袁黝进行 运程塞时照测l 尽我所知，相关技术应用到该领域目前国内外文献未见报道。 作者： 一握狙禾 日期：锄以! 三二三垒 冠宁工程技术大学硕士学位论文 第一章绪论 【内容摘要】本章主要论述了课题研究的背景、意义及内容首先通过对远 程监测技术的发展新趋势和现场总线技术的现状的介绍，提出了本论文研究 课题的意义，然后结合实际情况确定了本课题的具体研究内容。 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 远程监控技术概况 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，建立远程监测系统已是 一个必然趋势。在当今社会中，许多企业和部门都迫切需要实现远程控制外 场设备【lj 。例如小区服务公司对各用户家中的水电气三表的集中监测管理： 电力系统对各变电站的远程监测：水利系统对各个水情监测站的远程监测等 等【2 1 。 一般情况下，监测系统都是在外场、生产现场或附近进行管理，这样在 发生故障时，便于技术人员及时到现场处理。但是当生产或采集现场地理位 置比较偏僻、气候和其他一些条件比较恶劣时，就需要建立远程监测系统1 3 1 。 另外，当要控制管理的设备较多且分散时，建立一个远程监测系统也是比较 有利的。我国的远程监测系统的发展从5 0 年代开始，以电力系统远程监测 为先导。如今，运动装置等都在不断地完善，由单机系统进而为多机分布式 开放系统。网络通信的应用更好地适应了各个方面对性价比的高要求【们。当 前远程监测技术的进展有如下特点： ( 1 ) 硬件、软件采用模块式、分布式结构，适应性强、可靠性高。性能 良好的操作系统、数据库管理系统以及成套的软件开发包为用户的开发和使 用带来了极大的便利，并逐渐走向开放化、标准化。 ( 2 ) 通信网络化。通信网络技术的应用，使得设备之间及设备与监测计 算机之间的信息交换更方便。 ( 3 ) 远程监测系统的通道对通信的质量有重大影响，目前许多单位多在 对如何提高通信质量问题进行研究。 ( 4 ) t 作站采用高性能的微机。高性能微机处理能力强、速度快、容量 大面且有支持多网络特点等，为提高系统运行和联网性能奠定了基础。 远程监测在很多部门、企业的经营和管理中都有着重大意义能够实现 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 信息的快速采集，综合处理，利用及时的信息提高管理决策水平1 5 1 。随着社 会生活的自动化，特别是一大批智能设备的出现，远程监测的应用领域将越 来越广 1 1 2 现场总线技术概述 随着计算机技术、通信技术的飞速发展并日趋成熟，数字化、网络化与 智能化己经成为电子信息领域的发展方向和潮流，人类的生产生活发生了翻 天覆地的变化。在工业自动化控制领域，现场总线技术己成为发展的热点之 一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领 域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生深远的影响【6 】。基于现场 总线的控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 将取代传统的d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 。 1 1 2 1 现场总线技术 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。按照国际电 工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备 之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行，多节点数字通信的技术 1 1 2 2 现场总线的技术特点与优点 现场总线是一种底层控制网络，与工厂底层的现场设备直接相连，将现 场测量控制设备互连为通信网络，实现现场通信设备之间的信息共享。现场 总线具有以下技术特点： 1 系统的开放性。现场总线通信协议一致、公开，不同厂家生产的遵从 同一协议的设备之间能够互连起来，实现信息交换，共同组成控制网络。开 放性是现场总线作为网络系统最显著的特征。 2 互可操作性和互用性。互连设备之间、系统之间实现信息传送与沟通， 不同生产厂家的性能类似的设备可以互相替换。 3 信号传输数字化。底层的现场设备之间，现场设备与上层上作站及高 速网之间的信号传输，全部使用数字信号，大大提高了可靠性。 4 现场设备智能化与功能自治性。现场总线技术将专用微控制器，微处理 器( m c u m p u ) 置入测量控制仪表中，可以将传感测量、补偿计算、程量处理 与控制等功能完全下放到现场设备中完成，并使现场设备具有数字通信能 力因此，依靠现场设备本身就能完成生产过程的基本控制，即使监控上作 站发生故障，系统也不会陷于瘫痪。 5 系统结构高度分散。现场总线控制系统具有全分散性的体系结构，从 辽宁工程技术大学硕士学位论文 根本上改变了现有集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 集中与分 散相结合的集散控制系统体系，大大简化了系统结构。 6 对现场环境的适应性。现场总线是专为现场环境设计的，可以支持双 绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力， 能采用两线制实现供电与通信，并可以满足本质安全防爆要求等。 以上现场总线的技术特点决定了其从设计、安装、投运到正常生产都具 有非常突出的优点【卜引。首先，由于现场智能设备能直接执行多种计算、控 制与报警功能，可以减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元 以及信号调理、转换、隔离等，因此，可以减少硬件数量、节省开支。其次， 现场总线系统的接线非常简单，一根电缆上可以挂接多个设备，从而减少大 量的连接线，端予、槽盒和桥架的用量也大大减少，安装费用可以减少大概 6 0 。再次，现场设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并能迅速反映到 控制室，因此维护方便，节省维护开销。另外，现场总线设备的智能化、数 字化从根本上提高了测量与控制的精度，减少了传送误差，提高了系统的准 确性与可靠性。 1 1 2 3 现场总线技术的发展趋势 发展现场总线技术已经成为工业自动化领域广为关注的焦点，国际上现 场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上了开放 发展的征程。 自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受到计算机网络技 术的影响是十分深刻的，现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有 重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术中，这些具有发展前 景的现场总线技术有： 智能仪表与网络设备开发的软硬件技术； 组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网络互连等； 网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输； 人机接口、软件技术； 现场总线系统集成技术。 总体来说，自动化系统和设备必将朝着现场总线体系结构的方向前进， 这一发展趋势是肯定的既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展， 成为大家都遵守的标准规范，但是由于这一技术所涉及的应用领域十分广 泛，几乎覆盖了所有连续的、离散的工业领域，需求各异，一个现场总线体 系下可能不止容纳单一的标准。另外，由于所涉及的几大技术都具有自己的 辽宁工程技术大学顾j 二学位论文4 特点，已在不同的应用领域形成了自己的优势，加上商业利益的驱使，他们 都正在十分激烈的市场竞争中求得发展。 既然不能通过制定标准解决总线纷争，就只有通过市场来解决了。以太 网的成功就是这种解决方法的典型例子，在局域网标准中，令牌环、令牌总 线和以太网同为国际标准，但是以太网由于市场的认可成为了实际上的局域 网标准；再比如i n t e r n e t 使用的t c p i p 协议，它并未与i s o o s ir m 的网络 模型完全一致，但随着i n t e r n e t 的迅速发展，t c p i p 已经成为实际上的国际 标准；与此同时，没有列入国际标准的现场总线也没有因现场总线标准的推 出而销声匿迹，而是进一步完善技术，争取更大的市场份额，增加影响力， 力图成为事实上的标准。可见，现场总线标准虽然通过了，各种现场总线之 间的竞争愈来愈烈。目前，现场总线技术在工业控制中的应用越来越广泛， 国内的各仪表、执行器生产厂商也在开展现场总线产品的开发工作。故有理 由认为：在今后一段时间里，可能是几大总线标准共存，甚至一个总线控制 系统中，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面 9 - 1 0 】。 1 1 3 课题研究的提出及意义 在市场经济条件下，工业企业为了提高自身的竞争力就需要进行技术改 造。在我国，目前国家新建项目所占比例较小，而现有企业的技术改造势在 必行随着科学技术的发展，如何利用现有资金，有效地进行企业的技术改 造是一个带有普遍意义的课题。 要完成现有企业的自动化改造任务，必须要善于总结经验，充分掌握国 外自动化及其产品的动态，切实地结合本国、本企业的具体情况加以应用， 从而探索一条具有中国特色的自动化道路。 现有综采( 放) 液压支架工作时的压力大多是靠直接连在支架的立柱上 自记仪来观测的，安装与工作人员必须到工作面进行观测，这不仅观测不方 便、不直接，而且观测大多是定期进行的，这样就很难及时的了解液压支架 当前压力，及时处理现有状况。在这里研究开发一种液压支架压力远程监测 系统，本系统通过在支架的立柱上安装压力传感器，实时采集现场压力信号， 并通过采集器传输给中心分站，经中心分站对数据进行预处理后，直至传到 地面调度室，在地面即可显示每个支架的工况，矿压，做到实时的对支架压 力进行监测，及时采取有效措施，处理各种状况。本课题以综采( 放) 液压 支架的远程监测系统为研究对象，它具有重要的工程意义 本课题利用液压支架这一实际产品作为监测对象，通过计算机对该液压 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 支架的压力控制系统进行可行性分析，并利用组态王对其进行软件化工作， 最后通过实际控制系统对其进行检验。这一课题研究把机械、电子、传感器、 数据采集、计算机控制技术有机结合起来，将电液控制技术应用到煤炭行业， 实现系统的压力自动监测控制，拓宽了应用领域，对其它相关课题的研究具 有一定的参考价值。 1 2 本课题的研究内容 综采( 放) 液压支架压力远程监测系统包括井下压力自动监测系统和井 上实时控制系统，井上实时控制系统主要完成对现场压力情况的实时监测， 要求从中心分站采集的数据与现场数据保持同步，井下压力自动监测系统主 要完成对现场信息的采集、变换、数据处理、加工等任务，要求控制采集精 度、采集速度、数据传输可靠性达到客户要求，因此本课题研究的重点是井 下压力自动监测系统。 本课题研究的内容是综采( 放) 液压支架压力远程监测系统，主要包括： 综采( 放) 液压支架压力远程监测系统的系统构成和控制框图。 通过现场实验对监测系统进行检验，并对其进行可靠性分析。 对综采( 放) 进行计算机软件仿真。 控制系统软件平台的程序编写。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 第二章监测系统的系统构成及其相关技术 【内容摘要】本章介绍了综采( 放) 液压支架压力远程监测系统的机构组成、 控制组成、工作原理及控制目标；并在此基础上阐述了远程监测系统中所涉 及的相关技术。 2 1 监测系统的机构组成 本系统由地面设备和井下设备组成。 下中心分站、本安电源、压力监测装置、 成原理框图见图2 1 1 。 主要由工业计算机、通讯接口、井 传输线路、传感器等构成。系统组 一圈 图2 1 1 系统组成原理框图 由系统组成原理框图2 1 1 可以看出，系统整体结构主要由三大部分组 成，以分站和传感器为主体的数据采集系统；以井下中心分站为核心的数据 分析和处理系统；以工业计算机为主的井上监测控制系统。整个控制系统采 用人机互操作界面，利用工业计算机作为上位机，实现现场数据监测与实时 圮宁工程技术大学硕士学位论文 7 诊断；利用中心分站作为井下控制中心，实时接收来自分站的信号，并根据 程序设置实现与上位机的通讯；数据的采集与信号处理是通过系统最底层的 传感器与分站实现的，传感器安装于液压支架上，实时采集支架压力并将其 压力信号转换为4 2 0 m a 的标准电流信号，分站接收来自传感器的信号后， 再将其进行信号处理与转换，将其转化为标准的r s 4 8 5 信号，通过现场总 线技术实现与中心分站8 4 5 电口的通讯。 2 2 监测系统的控制组成及控铜目标 2 2 1 控制系统工作原理和控制目标 本监测系统由井下支架压力自动监测系统和井上实时控制系统两部分 组成，井下支架压力自动监测系统是决定系统控制精度与响应时间等的最关 键部分。控制系统原理如图2 2 1 所示： 图2 2 1 控制系统原理图 监测系统采用压力传感器将现场压力实时进行采集，并将现场的压力信 息转换为4 2 0 m a 的标准电流信息，送至井下分站；分站接收来自变送器 的信号后，进行信号处理，最后将信号变换为标准的r s 一4 8 5 信号，经总线 与井下中心分站r s 4 8 5 电口通讯，从而实现中心分站的数据采集任务；中 心分站担负着对来自各个分站的数据进行加工处理，数据分析，按照程序要 求实现各种报警信息的处理功能，并为上位机( 地面服务器) 提供原始数据 的任务，是整个控制系统的核心；地面服务器( 上位机) 接收来自中心的分 站的数据，并提供方便的人机界面，简化控制手段，实时对现场情况进行监 辽宁工程技术大学硕士学位论文 s 澜管理，便于工程人员对现场出现的各种情况进行处理，做到实时响应，及 时解决现场问题。 为了获得较高的控制精度及快速的响应时问，提出了本控制系统的控制 目标是： 1 系统容量 系统可配接最大监测容量：3 0 个分站； 2 信息传输 中心分站与分站：r s 4 8 5 总线传输 中心分站与上位机：g s h d s l 技术传输 传输速率：9 6 0 0 b p s 最大传输距离：不小于5 k m 误码率：s 1 0 西 系统巡检时间： 3 0 s 精度：相对误差牛0 5 3 传输性能可靠 a 并下中心分站与地面工控机信息传输采用g s h d s l 技术传输，接收、 发射滤波技术等，采用两芯双绞线无极性传输，抗干扰能力强，传输故障率 低： b 井下中心分站能根据上位机软件对它的初始化参数巡检整个系统分 站，减轻主机数据调用、处理控制时间，且使整个系统运行可靠性提高； 4 数据存储 整个系统采用“变值变态、疏密结合、数据库动态生成”的存储方法，使 系统的数据存储更为合理 2 3 2 压力监测系统的组成及其主要部件性能 本监测系统由工业计算机、光电接口、井下中心分站、中心分站电源、 分站、传感器等设备组成。网络第一层电缆为树形结；第二层通信电缆采用 总线形结构，以井下中心分站8 4 5 电口与分站间的本安r s 4 8 5 通信口组成。 信号工作方式为优化主从形式，实现工业计算机为上位机访问中心分站，中 心分站访问各分站，形成逐级轮询和抢先应答相结合的协调竞争机制。 控制系统中主要器件的主要性能： 工业计算机 c p u不低于p e n t i u m 7 0 0m h z ， 辽宁工程技术大学顼士学位论文 9 内存不低于1 2 8 m b 硬盘不低于4 0 g b 显卡兼容d i r e c t x3 d 加速卡 声卡兼容s o u n db l a s t e r 光驱不低于1 6 速c d r o m 通信口 r s 2 3 2 4 8 5 系统软件不低于w i n d o w sx p 、v b 6 0 、o f f i c e 2 0 0 3 、组态王 通用版6 5 l 工业计算机后备电源供电时间3 k v a 不小于2 小时 中心分站 工作电压及电流 主板电路电压 5 v d c d s l 电路电压 5 v d c 主板电路电流 7 0 0 m a d s l 电路电流 8 5 0 m a 分站数量1 3 0 台 关联设备 d w 1 6 a 5 v1 2 a 1 2 v 型矿用直流多路本安型电源 k j 2 0 3 t a 1 型井下分站 中心分站电源 额定输入电压 1 2 7 v a c 输入电压波动范围 士2 0 v 额定输出电压1 2 ，5 v d c 输出电压波动范围 士5 本安最高输出电压 1 2 6 v 本安最大输出电流 1 2 a 关联设备k j 2 0 7 - - f z 型矿用本质安全型井下中心站 压力传感器 测量压力范围 输入电压 输入电流 输入电容 0 r 5 0 m p a 1 2 v - d c 2 5 0 m a d c 2 0 0 p f 辽宁工程技术大学硕士学位论文 输入电感 1 0 u h 准确度0 5 绝缘电阻_ 7 5 噪声等级：中度；7 2 o 一7 4 0 分贝 振动等级：无明显震动 3 312 传感器信号检测试验 本系统选用的传感器为湖南赛西传感器技术有限公司生产的k g y 一1 型 合金薄膜变送器，量程为5 0 m p a ，输出为标准4 2 0 m a 电流信号，该产品 主要用于工业过程压力的检测，具有低零漂，防爆抗震，耐冲击等优点。本 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 产品符合本质安全要求，我们只对其进行信号传输检验。其试验原理如图 3 3 1 所示，简单验证输入压力与输出电流之间的关系，确保整个系统的精度 符合用户需求。 图3 3 1 传感器信号检测试验原理图 按照连线图连接线路，检验线路连接无误后，启动泵站( 传感器压力直 接由泵站调节) ，观察传感器输入压力与输出电流之间的关系，记录数据如 表3 3 1 所示，绘制关系曲线如图3 3 2 所示。 表3 3 1 传感器信号检测试验数据 泵站压压力表示电流表示 理想电 时间( t ) 力( m p a )数( m p a )数( 1 l 认) 流( m a ) o o0 o oo o o4 0 04 o o l o oo 5 0o 5 0 4 1 6 4 1 6 3 0 0 2 o o 1 9 94 6 54 6 4 6 0 05 0 04 9 85 6 05 5 9 9 0 0l o 9 9 77 2 07 1 9 1 2 0 o1 2 0 01 1 9 5 7 8 2 7 8 2 1 5 0 01 5 o o1 4 9 28 7 78 7 7 1 8 0 02 0 0 01 9 9 0l o 3 81 0 3 7 由表3 3 1 及图3 3 2 可知，系统选用的传感器输入压力与输出电流基本 上满足线性关系，传感器完全能够满足现场压力采集精度的要求，通过实验 可知：在压力传感器量程范围内，其输入与输出是保持在线形范围内的。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图3 3 2 输入压力与输出电流的关系曲线 3 313 中心分站与分站的通讯试验( 串口通讯试验) 对于中心分站而言，单纯的去考虑如何实现与分站的通讯是不符合逻辑 的，这是因为，中心分站采用嵌入式系统，不具备进行可视化调试的条件， 并且，系统是针对井下环境而设计的，根据现场规定，是不允许鼠标、键盘 等操作的，这就缺少了试验的人机操作的必要的工具，故必须借助其他手段 来进行本试验。 图3 3 3 中心分站与分站的通讯试验原理接线图 整个通讯系统的通讯是建立在r s 4 8 5 总线基础上的，由传感器输出的 4 2 0 m a 的标准电流信号，经分站电路的处理转换，生成标准的4 8 5 信号， 经总线与中心分站的4 8 5 电口通讯。根据以上原理，设计通讯试验线路如图 3 3 3 所示，来自分站的r s 4 8 5 信号，经转换接头4 8 5 2 3 2 将r s 4 8 5 信号转 辽宁工程技术大学硬士学位论文 换为r s 2 3 2 信号，经r s 2 3 2 接口与p c 通讯 在此我们有必要说明一下，本系统的底层通讯是建立在r s 4 8 5 总线基 础上的，分站与中心分站之间的连接物理层采用r s 4 8 5 接口，介质采用带屏 蔽地的双绞线，数据链路层采用m o d b u s 通信协议，对井下监测系统的主 回路是借助现场总线技术来实现的 2 1 。2 2 l 。 图3 1 3 4 串口调试软件设置界面 为了能够在电脑端看到分站发出的数据，我们必须借助一个w i n d o w s 电脑串口调试软件进行观察，软件界面如图3 3 4 所示，我们先要设置一下 串口通讯的参数，将波特率调整为9 6 0 0 ，串口选择为c o m 2 ，其余选择如图 3 3 4 所示。 发送代码 l 标准m o d b u sc r c 校验 0 10 30 60 00 00 00 0o o0 36 l7 4 2c r c 校验字节反0 10 30 6o oo o0 00 0o o0 36 l7 4 利用串口通讯软件，发送上面的代码给显示器( 软件界面如图3 3 4 所 示) ，如果通讯正常，则返回相同的功能代码，如通讯故障，则返回非法功 能代码( 具体设置详见附录1 ) 0 2 l 。 辽宁工程技术人学硕上学位论文 2 图3 3 5 分站调试状态显示 3 3 1 4 数据采集与分析试验 按照控制要求连接线路，如图3 3 6 所示： 图3 3 6 数据采集与分析试验原理图 通溺 检查连接线路连接正确，启动巾心分站3 ( 分站4 j 化感器5 的口川l 足 辽宁工程技术大学硕士学位论文 靠中心分站提供的) ，观察无压力状态下，中心分站的数据采集处理对与分 站4 采集信号与传感器5 输入信号是否正确，此时分站状态应为通讯正常， 中心分站的压力显示应为0 ( 传感器的零漂引起的压力变化经分站滤波，整 流处理后，不能引起中心分站压力的变化) ；启动泵站，调节泵站压力，使 压力由0 逐渐增大，调节泵站压力使中心分站显示压力为满量程并保持1 5 分钟，然后逐渐减小压力，直至泵站压力回0 ，反复3 5 次此过程。在这个 过程中，分站接收来自传感器的信号，并向中心分站提供4 8 5 信号，中心分 站分析处理来自分站的信号，显示在屏幕上，并能够实时反映液压缸压力的 变化，记录试验数据如表3 3 2 所示。 表3 3 2 数据采集与分析试验数据 泵站压压力表示 中心分站显示压最大原最小原始 力( m p a )数( m p a )力( m p a )始值值 o o o 0 0 00 0 01 0 2 4o o 5 00 5 02 o o 2 1 9 9 7 9 6 5 0 04 9 81 9 9 2 1 0 o o9 9 73 9 8 8 1 2 o o1 1 9 54 7 1 2 5 51 2 5 05 0 o o 1 5 1 4 9 25 0 o o 2 0 o o 1 9 9 05 0 拄：关于最大原始值，最小原始值，最丈值、最小值之同的关系与意义见4 2 i 节 在试验过程中，我们发现分站的压力显示示数和实际传感器测量的压力 是不一致的，通过反复调节中心分站组态王软件的最大原始值的设定值，并 分析相应最大原始值下，分站显示压力与实际传感器测量压力之间的关系， 我的得到最大原始值设定值为4 0 9 6 ，将最大原始值设定为4 0 9 6 ，进行上述 试验，监测结果完全符合实际压力变化情况。 3 315 试验结论 由上述3 个基础试验，我们可以得到如下结论： 传感器的选择与测量完全符合现场要求 中心分站的通讯正常 中心分站的数据采集和监测完全能够反映现场压力变化 中心分站的数据采集与通讯，是整个控制系统的基础，其精度与灵敏度， 是控制系统能够及时正确的反映现场情况，准确处理现场问题的关键1 1 6 也2 1 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 3 2 中心分站与上位机通讯试验 中心分站与上位机的通讯是依靠带屏蔽的双绞线来实现传输数据的，经 光电接口进行协议转换后，传输到上位机，上位机接收来自中心分站的信息， 并进行信息的分析和数据的处理，达到监测系统的控制要求。 3 32l 试验过程 按要求连接中心分站与上位机( 试验用连接电缆为：一端为四芯铜头， 连接中心分站；一端为r j _ 4 5 水晶头，连接上位机，省略了中间的通讯接口 部分) ，并进行软件设置如下： 设定上位机i p 地址为1 9 2 1 6 8 0 1 9 9 ，子网掩码为2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 ，保 证上位机与中心分站在同一个网段内。( 中心分站1 9 2 1 6 8 o 1 0 0 ，子 网掩码为2 5 5 2 5 5 2 5 5 o ) 设定组态王软件网络配置参数如图3 3 7 、图3 3 8 所示，在网络参数 中，为了保证网络传输的正常运行，必须保证同一网络系统中包大小 的一致。 黔磊鹞攀攀蓄髫繁鬟鬻翼鬻臻 参树i 节点名：陋麓蒲麓p 山i 备份丹毒：广圳 釜彤s 参数；士皤趣霉i 譬鏊爱羔善t 。一一= 主篓鍪翌篮：篮。攀颦 强，一? 一+ i ：。：。，荔 l 尹位鼢”：j * ，断泸一字节i 棚糍诫恫：+ 。筒一t 陆粥嵯诲蝴：f 巡秒，懒：。r 避、 隧2 籀船；e 洋秘豫餐5 j 争，；戮l i 霉0 ：，j i 二o 。j 。“，：。：。 。秀黔。? 键 麓氅登篓璧煞嚣夏戛= 嚣；基紧鬻臻纛匮：瑟i 簸簿嘉懒岛。瓴。：未一菇：；赢。轰蠢# 掰蠹骚也孑，扩。砖妒：“搬，溅蠢凌嚣；赫i ；缵 图3 3 7 网络配置之网络参数 图3 3 8 网络配置之节点类型 建立新站点1 9 2 1 6 8 0 1 0 0 ，并设定上位机i 0 变量的通讯设备为 1 9 2 1 6 8 o 1 0 0 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 在试验过程中，我们发现上位机与中心分站的通讯的响应时间比较缓 慢，延迟现象比较严重，经反复修改网络参数，效果改变不是很明显，后修 改系统运行基准频率1 0 0 0 m s 为5 0 0 m s ( 与中心分站保持一致) ，问题解决 1 2 3 2 4 1 3 2 2 2 试验结论 通过上面的试验，基本解决了上位机与中心分站的通讯问题，为现场操 作奠定了基础，试验问题的解决，解决了中心分站与上位机的同步问题，是 实现控制系统响应时间的必要保证。 3 2 3 上位机服务器与各管理客户机的通讯试验 控制系统要求实现分布式管理，即在一台服务器上进行信号的采集、分 析，数据的处理、显示等，能够实现客户端获取与组态王运行系统相同的监 测画面，并保持同步，控制网络如图3 3 9 所示， 图3 3 9i e 客户端模式图 试验要求联网计算机在同一个网段内，i e 5 0 或者n e t s e a p e 3 5 以上浏 览器以及j r e 插件【那】。 按照要求连接设备，其中工控机以普通p c 机代替，在试验中充当主控 室w e b 发布服务器的角色，其余p c 机充当i e 客户端的功能。首先在发布 服务器上发布工程画面，反复调节通讯参数，使i e 客户端获得与组态王运 行系统相同的监测画面，和w e b 发布服务器保持高效的数据同步。 通过本试验我们可以得出结论：i n t e r n e t 科技日益渗透到生活、生产的 各个领域，传统自动化软件的e 趋势已发展成为整合i t 与工业自动化的关 键通过网络i e 客户端获得与组态王运行系统相同的监测画面，i e 客户端 和w e b 发布服务器保持高效的数据同步，能够在任何地方获得与在w e b 服 务器上一样的画面和数据显示、报表显示、报警显示，趋势曲线显示等，以 辽宁工程技术大学硕士学位论文 及方便快捷的控制功能，实现了对客户信息服务的动态性、实时性和交互性 1 2 3 1 。 3 4 控制系统误差分析 本系统是一个典型开环控制系统，控制装置与受控对象之间只有顺向作 用而无反向联系，系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度和特性调整 的准确度，当有扰动作用时都将使被控量偏离给定值，直接影响系统的控制精 度 1 7 1 。 3 4 1 检测元件误差 检测元件误差将直接影响整个位置控制系统精度，检测元件包括压力传 感器和分站。 3 4 1 1 压力传感器误差 所选压力传感器的精度等级为o 2 ，温漂系数为o 0 4 1 2 ，量程为 5 0 m p a ，对应输出电流为4 2 0 m a ，分辨率为0 1 m p a 理论上要求传感器输出对液压缸压力保持完全线性的比例关系，而实际 上只能将传感器视为惯性环节，尤其在高频使用情况下。如果传感器一3 分 贝频率远大于系统的工作频率( 一般在5 1 0 倍以上) 那么就可以近似将传感 器视为理想的比例环节。否则，传感器的幅频和相频特性必然会影响到对液 压缸压力的真实反映上，由此造成的误差几乎难以消除l l 们 由传感器信号检测试验可知，选用的压力传感器在传感器环节可以看成 理想的比例环节，并且由传感器造成的压力精度误差可以忽略不计。 3 412 监测分站误差 k j 2 0 3 t a 1 本质安全型监测分站内部由模拟信号处理电路、单片机控制 电路、电源变换电路及压力变送器组成。在整个分站中包括传感器部分，所 以在这里我们讨论分站所带来的误差时，就把整个分站的误差狭义的定义为 分站电路所引起的误差，把传感器误差单独作为一个元件误差来处理。而分 站电路误差主要来自a d 转换电路模块和信号转换电路模块。 对于整个分站的控制电路而言，是建立在m p s 4 3 0 芯片上的，而作为 m p s 4 3 0 的外围模块，a d 换模块转换模块采用d a c l 2 ，满量程输入为 0 - 2 0 m a ，单极性的分辨率为1 2 位，则量化误差为2 1 2 z o 0 2 5 ，也就是胛 3 4 2 控制误差 系统的控制误差主要来源于数据传输误差，主要包括：r s 4 8 5 总线传输 辽宁工程技术大学硕士学位论文 误差和d s l 传输误差。 3 4 2 1r s 4 8 5 总线传输误差 在使用r s 4 8 5 接口时，对于特定的传输线路，从发生器到负载其数据 信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要 是受信号失真及噪声等影响所限制。g b l l 0 1 4 8 9 附录a 中给出了最大电缆 长度与信号速率的关系曲线( 如图3 4 1 所示) ，是使用2 4 a w g 铜芯双绞电 缆( 线径为0 5 1 m m ) ，线问旁路电容为5 2 5 p f m ，终端负载电阻为1 0 0 欧时 所得出。由图中可知，当数据信号速率降低到9 0 k b i t s 以下时，假定最大允 许的信号损失为6 d b v 时，则电缆长度被限制在1 2 0 0 m 。实际上，图中的曲 线是很保守的，在使用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线 径的电缆时，则取得的最大电缆长度是不相同的。 图3 4 1 数据传输速率与电缆长度的关系 在控制系统中我们设定的参数为：数据信号速率为9 6 0 0 b i t s 、采用 m h y v i x 4 1 5 矿用通讯电缆，传输距离 1 0 m ，有图中数据分析可知，其 信号损失将 应用程序的编写组态王提供类似c 语言的程序，工程人员可以通过 编辑命令语言来实现工程的各种功能需求。 人机界面的设计及动画连接：人机界面是工程人员进行计算机操作的 纽带，而动画连接的引入是设计人机接口的一次突破，它把工程人员 从重复的图形编程中解放出来，为工程人员提供了标准的工业控制图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 形界面，并且有可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。图形 对象与变量之间有丰富的连接类型，给工程人员设计图形界面提供了 极大的方便。 嵌入式系统监测界面的设计理念是： 能够突出表现监测内容 有较好的人机界面 4 1 2 1 逻辑设备的管理 嵌入版软件系统与最终工程人员使用的具体的p l c 或现场部件无关。对 于不同的硬件设施，只需为嵌入式系统配置相应的通讯驱动程序即可，其驱动 程序采用最新软件技术，使通讯程序和嵌入式控制部分构成一个完整的系 统。这种方式既保证了运行系统的高效率，也使系统能够达到很大的规模。 监测系统中设备管理结构列出已配置的与嵌入式监测系统通讯的各种 i 0 设备名，每个设备名实际上是具体设备的逻辑名称( 简称逻辑设备名， 以此区别i 0 设备生产厂家提供的实际设备名) ，每一个逻辑设备名对应一个 相应的驱动程序，以此与实际设备相对应。 在控制系统中，具体i 0 设备与逻辑设备名是一一对应的，有一个i 0 设备就必须指定一个唯一的逻辑设备名，特别是设备型号完全相同的多台 i 0 设备，也要指定不同的逻辑设备名。另外，i 0 变量与具体i 0 设备的 数据交换是通过逻辑设备名来实现的，工程人员定义i 0 变量时，就要指定 与该i 0 变量进行数据交换的逻辑设备名，i 0 变量与逻辑设备名之间的关 系如图4 1 1 所示： 图4 1 1i ，o 变量与逻辑设备名之间的关系 辽宁工程技术大学磺士学位论文 4 122 数据词典与报警 数据库是组态王嵌入版最核心的部分。在监测系统运行时，工业现场的 生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，同时工程人员在计算机前发布的指 令也要迅速送达生产现场，所有