（机械设计及理论专业论文）低压配电监控上位机系统的设计与研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 我国石化行业的生产现场有大量的生产设各，其正常运转对保证产品质量及安全生 产具有重要意义。随着科学技术的发展，对现场设备的要求也越来越高，建立现代化计 算机监测和管理系统迫在眉睫。 本文在对石化企业进行现场调研，对工业控制计算机、现场总线及监控软件基本性 能特点进行充分分析和研究基础上，设计与开发了基于工业组态软件组态王6 5 的低压 配电监控上位机系统。该系统与在生产现场对生产设备进行数据采集与控制的综合保护 器通过c a n 总线网络相连接，组成了低压配电监控系统。低压配电监控系统通过对生 产设备运行参数的采集、保存、显示和查询，实现了对于现场设备的远程监控。在对比 了组态王的优缺点以及对低压配电监控上位机系统的进一步研究的基础上，本文提出了 基于组件的具有一定通用性的通用低压配电监控模块的概念，并设计与开发了通用低压 配电监控模块，给出了一个基于该模块的应用实例。该实例基本上实现了与基于工业组 态软件组态王6 5 的低压配电监控上位机系统相当的功能。 低压配电监控上位机系统通过c a n 总线与综合保护器连接，将综合保护器采集到 的现场生产设备的运行参数送给上位机系统进行数据的保存与显示，同时还可以通过 c a n 总线下传控制信息给综合保护器，实现对相关现场生产设备的远程监测与控制。 通过实际运行，相比于人工监控，低压配电监控上位机系统能更快的发现现场生产设备 的异常情况，减少工人劳动量，提高生产效率。通过对采集数据的进一步分析，可为安 全生产提供更多的参考。 关键词：低压配电监控系统；数据采集；c a n ；组态王 谭赞：低压配电监控上位机系统的设计与研究 d e s i g na n dr e s e a r c ho fm o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e mf o rl o w - v o l t a g e d i s t r i b u t i o n a b s t t a c t t h e r ea r em a n yp r o d u c t i o nf a c i l i t i e si np r o d u c t i o nf i e l do fp e t r o c h e m i c a lw o r k ，a n di t s r u ni ng e a ri sv e r yi m p o r t a n tf o ra s s u r a n c eo fp r o d u c tq u a l i t ya n ds a f ep r o d u c i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ed e m a n da b o u tp r o d u c t i o nf a c i l i t i e si sg e t t i n g h e a v i e r ，a n di ti sv e r yn e c e s s a r yt oe s t a b l i s hm o d e mc o m p u t e rs u p e r v i s o r ya n dm a n a g e m e n t s y s t e m o nt h eb a s i so f t h er e s e a r c ho n p e t r o c h e m i c a lw o r k sa n dt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h e b a s i cc a p a b i l i t yo fi n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r ，f i e l d b u sa n ds t a t ev i e ws o f t w a r e ，t h i st h e s i s d e s i g n sa n dr e s e a r c h e st h em o n i t o r i n gs o i b w a r es y s t e mf o rl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o nb a s eo n k i n g v i e w t h es y s t e mi sap a r to fm o n i t o r i n gs y s t e mf o rl o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o n 1 1 1 e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o ni n c l u d e sp r o t e c t i o nu n i t s ，f i e l d - b u sn e t w o r k ， i p ca n dt h ea t t a c h e ds o f t w a r e t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mi ss u p e r v i s o r ya n dc o n t r o lo f r e m o t ep r o d u c t i o nf a c i l i t i e s o nt h eb a s i so fc o m b i n i n gr e q n i r e m e ma n da p p l i c a t i o n ，b y c o m p a r i n gw i t ht h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fk i n g v i e w a n df u r t h e rr e s e a r c h i n go n t h em o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e mf o rl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o n ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r da c o n c e p to ft h eu n i v e r s a lm o n i t o r i n gm o d u l ef o rl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o n 1 1 1 ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h eu n i v e r s a lm o n i t o r i n gm o d n i ef o rl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o n 啪i n t r o d u c e d i nd e t a i li nt h i st h e s i s ，a n da na p p l i e de x a m p l eb a s eo f t h em o d u l ei sg i v e n n l em o n i t o r i n gs o r w a r e s y s t e m f o r l o w - v o l t a g e d i s t r i b u t i o ni sc o r m e e t c dw i t h p r o t e c t i o nu n i t sb yc a nb u s n 玲d e v i c er a n n i n gp a r a m e t e r s w h i c ha r ec o l l e c t e db y p r o t e c t i o nu n i t sa r es e n tt ot h em o n i t o r i n gs o t b w a r es y s t e mf o rl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o n ，a n d t h e na r es a v e da n dd i s p l a y e d t h es y s t e mc a r lc o n t r o lp r o t e c t i o nu n i t sb ys e n d i n gc o n t r o l i n f o r m a t i o nt op r o t e c t i o nu n i t s b yu s i n gt h em o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e mf o rl o w - v o l t a g e d i s t r i b u t i o n ，w ec a ns u p e r v i s ea n dc o n t r 0 1r e m o t e l yam a s so fp r o d u c t i o n f a c i l i t i e s c o m p a r i n gw i t ht h em a n u a ls u p e r v i s o r ya n dc o n t r o l ，t h em o n i t o r i n g s o f t w a r es y s t e mf o r l o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o nc a nf i n da b n o r m a ls i t u a t i o no fp r o d u c t i o nf a c i l i t i e sq u i c k l ya n d i m p r o v ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na n dr e d u c ea m o u n to fl a b o r b yf u r t h e ra n a l y m n go ft h e c o l l e c t e dd a 饥m o r eb e n e f i t st os a f ep r o d u c i n gc a l lb eo b t a i n e d k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e mf o rl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o n d a t aa c q u i s i t i o n ：c a n ： n g e w 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：至坠日期：乏尘! ：! ： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者繇i 錾堂 导师签名 g 垒一， f f 主! !年l 月兰三日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着制造业投资需求的增加，中国已成为最具吸引力的地区，中国对工业信息化的 需求更加迫切，促使企业在必须加快新产品投放市场速度、改善质量、降低成本以及完 善服务体系的同时，加快工业信息化的建设。运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他 信息技术的工业控制自动化技术对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和 决策，对企业生产过程有明显的提升作用。随着信息技术急速向工业自动化领域全面渗 透，在企业的生产、管理和经营过程中，通过信息基础设施，在集成平台上，实现信息 的采集、传输、处理以及综合利用。大力发展工业自动化是加快传统产业改造提升、提 高企业整体素质、提高国家整体国力、调整工业结构、迅速搞活大中型企业的有效途径 和手段。 1 1 我国工业控制自动化的发展趋势 工业控制自动化主要包含3 个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管 理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。传统的自动化系统，基础自动化部分基 本被p l c 和d c s 所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算 机或小型机组成，其硬件、系统软件和应用软件的价格之高令众多企业望而却步。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于工业计算机( 简称工业p c ) 的发展，以工业p c ，i o 装 置、监控装置、控制网络组成的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动 化的重要途径。改用工业p c 来组成控制系统，并采用模糊控制算法，获得了良好效果。 由于基于p c 的控制器被证明可以像p l c 一样可靠，易于被操作和维护人员接受。基于 p c 的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选 择，从长远角度看，p c 控制系统维护成本低。 近年来，工业p c 在我国得到了异常迅速的发展。从世界范围来看，工业p c 主要 包含两种类型：i p c 工控机和c o m p a c t p c i 工控机以及它们的变形机。由于基础自动化 和过程自动化对工业p c 的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的i p c 已经 不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是c o m p a c t p c i b a s e d 工控机，而 i p c 将占据管理自动化层。工业p c 市场在过去的几年里保持平稳，工业p c 软件很便宜 市场变得非常可观。 小型化、多样化、p c 化和开放性是未来d c s 发展的主要方向。目前小型集散控制 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 ) 所占有的市场，己逐步与p l c 、t 业p c ，f c s 共 享。今后小型d c s 可能首先与这三种系统融合，而且“软d c s ”技术将首先在小型d c s 谭赞：低压配电监控上位机系统的设计与研究 中得到发展。p c - b a s e d 控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制，各d c s 厂商也 将纷纷推出基于工业p c 的小型d c s 系统。开放性的d c s 系统将同时向上和向下双向 延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动，实现信息技术与控制技术 的无缝连接，向测控管一体化方向发展。 由于3 c ( c o m p u t e r 、c o n t r o l 、c o m m u n i c a t i o n ) 技术的发展，过程控制系统将由d c s 发展到f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。f c s 可以将p i d 控制彻底分散到现场设各中。基 于现场总线的f c s 又是全分散、全数字化、全开放和交互操作的新一代生产过程自动化 系统，它将取代现场一对一的模拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来 革命性的变化。 有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发 展。然而在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网 很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展， 无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。 工业控制软件作为一种应用软件，是随着p c 机的兴起而不断发展的。工业控制软 件主要包括人机界面软件( h m t ) ，基于p c 的控制软件以及生产管理软件等。目前，我 国己开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制 软件等成套应用软件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软件的垄断 格局。通过在化工、石化、造纸等行业的大量企业中应用，促进了企业的技术改造，提 高了生产过程控制水平和产品质量，为企业创造了明显的经济效益。 1 2 我国石化行业工业控制自动化的现状与发展 我国的石化行业由于较大生产规模，较严格的产品要求等方面的原因，工业控制自 动化水平一直在国内工业领域处于比较领先的地位。我国石化自动化经过5 0 年的发展， 通过技术引进、消化吸收和不断创新，自动化水平显著提高。在自动化装备、技术、 功能、规模等方面都有了很大提高；测量和控制装置不断更新升级，正在运行的数千套 d c s 、p l c ( 可编程控制器) 和i p c ( 工业个人计算机) 系统已成为大中型石油和化工 企业及小型骨干化工企业的主要控制手段。大中型石油和化工企业主要生产过程已在不 同水平上实现自动化控制，并取得显著经济效益；小型骨干化工企业主要产品的主流程 也己具有比较成熟的控制系统和低成本自动化成套技术，实现了生产信息在车间集成。 常规仪表性能大大提高，已成为石油和化工企业生产过程的主要检测手段，电子仪表、 数字仪表、智能变送器与执行器的使用量逐渐增加。现场总线控制系统的使用取得进展， 近年来已成为石油和化工自动化领域发展的热点之一。 大连理工大学硕士学位论文 我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然 后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展， 我国工业计算机系统行业已经形成。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成 化方向发展。 虽然我国石化工行业自动化水平已取得长足进展，但与发达国家相比，仍然存在着 一定差距。一些长期未解决的问题，造成企业自动化总体进程不快。化工行业企业规模 大小不一，既有像中石化、中石油这样的超大型国际化企业，又有几十个人的小化工厂， 信息化发展并不平衡。企业自动化发展水平不平衡，不同规模企业的自动化水平相差较 大。大型石油和化工自动化水平普遍较高，存在的不足是管理信息系统与国外尚有差距。 而有些行业特别是染料、农药行业自动化基础较差，大量小型化工企业及部分断续生产 过程企业自动化水平仍很低。在自动化技术和应用软件开发上，未能形成工程化、商品 化、标准化、产业化，不利于成果推广和转化。企业管理信息化工作观念更新落后于形 势发展，在管理信息建设上与企业机制的协调方面存在很多问题。因此，即使在自动化 水平较高的企业，信息仍不能在企业内有效地传输和利用，“自动化孤岛”问题还很突 出。总体来说，企业信息化管理水平较低、信息化基础差，正处于一个大发展的时期。 屋前，石化行业正在积极进行信息化建设，自动化是其重要的组成部分。对于石化 行业来说，计算机综合管理与控制系统( c i m s ) 技术是信息化一个重要环节。具体而言， c i m s 系统要实现：生产装置的控制、优化、调度一体化，对保证生产安全、提高产品 质量、降低整体综合能耗起重大作用；全厂主要设备的集成管理，通过对主要设备运行 情况、备品状态、检修要求等方面进行动态管理，为科学安排检修计划，延长大修周期， 减少大修开支提供决策依据；物料平衡与生产决策系统，对生产管理人员进行决策分析 提供有力的支持。 1 3 软件在工业控制自动化中的作用 自从工业自动化控制系统转到基于m i c r o s o f tw i n d o w s 平台以来，为工控软件的发 展及应用开避了广阔的前景。有了这种技术，才有可能架起企业办公室与生产车间之间 信息交流的桥梁，为控制系统走向开放奠定坚实的基础。 现在的自动化系统只是对某一台设备、或某一个过程进行控制，局部的优化并不能 给企业带来整体的效益。对于一个现代企业的管理者来说，信息的获取与优化才是最重 要的，它对于提高产品质量，最大限度地提高生产效率和保护对工厂的投资起到非常关 谭赞：低压配电监控上位机系统的设计与研究 键的作用。只有把生产控制与企业管理的自动化相结合即所谓的管控一体化，才能 真正实现信息化和现代化。 一套完整的自动化软件解决方案，能够满足企业从最基本到最高级的需求。通过一 套集成的软件，可以在合适的地点、合适的时间来访问、优化和管理企业所需的全部信 息，得到全集成的、将数据精确地变为更有价值形式的自动化系统。 中国是一个制造大国，在进入w t o 后不可避免地面临来自全球的激烈竞争。只有 积极地采用先进的技术，不断提高企业管理水平，与国际惯例接机，才能够从容面对这 种竞争。工业自动化软件开发必须借鉴国外的先进技术与经验，走自主开发之路。企业 在应用中要大胆地抛弃传统的、陈旧的观念与做法，积极地去适应新的观念和新的做法， 这样才有可能创造一个新的天地。 1 4 计算机监控系统的功能、应用以及特点 计算机监控系统是以监测控制计算机为主机，加上检测装置、执行机构，与被监测 控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体。监控系统结构如图1 1 所示：在这个系统中， 计算机直接参与生产过程的检钡u ( m o n i t o r ) 、监督( s u p e r v i s e ) 和控 | b u ( c o n t r 0 1 ) ，或者说应具 有下述三方面的功能：吲 ( 1 ) 采集与处理功能 采集与处理功能主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一 定的形式输出( 如打印制表或c r t 屏幕显示) 、为生产人员提供详实的数据，以便于他们 分析、了解生产情况，监视生产过程的进行。 ( 2 ) 监督功能 监督功能是将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计 算等二次加工，并制成实时和历史数据库加以存储。根据实际生产过程的需求及生产进 程的情况，进行工况分析、故障诊断、险情预测，并利用图、文、声等多种形式及时做 出报道，进行操作指导、事故报警。监督系统的输出般都不直接作用于生产过程，而是 经过生产人员的判断后再由操作人员对生产过程进行干预。 ( 3 ) 控制功能 控制功能是在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输 出，直接作用于生产过程。 完整的计算机监测控制系统是上述三种功能的综合集成，它利用计算机高速度、大 容量和智能化的特点，可以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个综合、完整、高效 的自动化整体。当然，在实际使用中，可以根据实际对象的需求情况，系统只具有上述 大连理工大学硕士学位论文 一项或两项功能；或是以某一项为主，而辅以其它的功能。这样可以更针对实际应用的需 要，以降低成本，减少复杂性，增强可维护性。 ” 图1 1 计算机监控系统结构图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f t h ec o m p u t e r m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m 计算机监控系统具有以下自身的特点： ( 1 ) 实时性 计算机监测控制系统是一种实时计算机系统，实时性是它区别于普通( 通用) 计算机 系统的关键特点，也是衡量计算机监测控制系统性能的一个重要指标。 ( 2 ) 可靠性 计算机监测控制系统的可靠性是指系统无故障运行的能力。工业生产在连续运行， 计算机系统也必须同步连续运行，并对过程进行监测和控制。即使系统由于其他原因出 现故障错误，计算机系统仍能做出实时响应并记录完整的数据。 ( 3 ) 维护性 可维护性是指进行维护工作时的方便快捷程度。计算机监测控制系统的故障会影响 工业生产过程的正常操作，有时会大面积地影响生产过程的迸行，甚至使整个生产瘫痪。 冒圈 谭赞：低压配电监控上位机系统的设计与研究 因此，方便地维护计算机监测控制系统的正常运行，在最短时间内排除它的故障成为计 算机监测控制系统的重要特点。 ( 4 ) 过程量采集及输出 监测控制系统的一个突出特点是具有强大的i o 功能，即大量的现场信息要直接从 工业现场采集并送入计算机中。从当前已有的应用来看，有两大类信息： 数据信息 主要有三种类型的数据信号：模拟量、开关量、脉冲量。模拟量通道接收现场连续 变化的信息( 如电压、电流、电阻等) ，其输入要经过放大、隔离、模数变换等处理后， 变成数字量才能进入计算机。输出反之。开关量通道接受现场“通断”两个状态信息( 如 表示阀门开关、设备启停、刀闸分合等状态的无触点开关或继电器开关) 。脉冲量不是 开关状态，也不是连续变化的模拟量，而是脉冲序列。脉冲量输入通道通常具有计数功 能以接受脉冲序列信息，这种信息有时直接代表某些物理量( 如传递) ，有时是它的累计 值表示某些物理量( 如电量) 。 图像信息 由于多媒体技术和信息处理技术的进步，近年来，图像信息也进入到工业监测控制 领域，而且起着数据信息不能替代的作用。 ( 5 ) 人机交互 在计算机监测控制系统中，人机交互的方式比较丰富。特别是复杂、大型、综合、 连续的生产过程中，操作人员要在短时间内接受多个信息，进行分析判断，完成有关操 作，因此要求监测控制系统具有多种而不是单一的人机交互方式。除常规的键盘、鼠标、 c r t 显示器外，通常还有触摸屏、专用键盘、大屏幕显示、语音等。 ( 6 ) 通信功能 主要是指在监测控制系统中，计算机与计算机之间、相同类型或不同类型总线之间 以及计算机网络之间的信息传输。在实际应用中，往往有多种类型的多台监测控制计算 机在一起联合工作，这时就需要在计算机之间进行通信，实时、可靠地传递信息。特别 在分级计算机监测控制系统、分布式计算机监测控制系统中，通信是一个非常重要的问 题。 ( 7 ) 信息处置和控制算法 在设计计算机监测控制系统中，信息处理和控制算法的设计、开发、调试是最为核 心的内容，也是最花费时间的工作，它占据了开发调试的大部分工作量。信息处理和控 制算法主要是软件工作，这些软件的开发编制除了和采用的操作系统、软件开发工具有 大连理工大学硕士学位论文 关外，还和硬件( 特别是接口部件) 以及生产工艺要求有密切关系。正因如此，监测系统 的软件开发往往难度更大，它要求开发设计人员具有更全面和广泛的知识。 1 5 石化行业计算机监控的研究意义 随着国民经济的飞速发展，对石化行业中设备的自动化监测控制提出了更高的要 求。必须对现有石化行业设备控制和管理进行改造和完善，从落后的人工抄表、手工记 录方式向自动化检测和控制方向发展。采用现代化技术和手段，对设备运行参数( 如实 时电流，电压，功率等) 实施自动化监测和控制管理，可以降低石化行业的运行成本， 提高了平均生产效率，保证设备安全和产品质量，从而带来可观的经济效益和潜在的社 会效益。这对提高石化行业的设备运行可靠性、提高产品质量、保证安全生产、提高管 理水平和减员增效具有重要意义。 1 6 低压配电监控系统介绍 长期以来，工厂的低压配电网络一直是工厂系统运行可靠性的薄弱环节之一。一些 现场的生产设备发生一些故障不能及时的发现，影响了生产，并且造成了一些安全隐患。 以前，工厂最常用的办法就是每天多次派工人到现场对生产设备的运行情况进行检查， 以保证设备的正常运行。其结果是费时费工，还不能及时反映真实情况，也不能解决实 际问题。为此，推广低压配电监控系统是十分必要的。 低压配电监控系统包括三大部分：数据采集控制控制部分，通信部分，以及监控软 牛部分。具体结构如下图所示： 监控软件( 运行在工业p c 上) t 0 通信网络 工工工： i 数据采集控制模块 数据采集控制模块。l数据采集控制模块 ?s工： 设备 设备 设备 图1 2 低压配电监控系统结构图 f i g 1 _ 2s t r u c t u r eo fl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o nm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m i l i a , 低压配电监控上位机系统的设计与研究 数据采集控制部分主要功能实时采集设备运行参数，保证设备的正常运行。低压配 电监控系统的数据采集频率很高，很多数据采集设备是以秒为单位进行数据采集，甚至 有的系统以毫秒为单位进行数据采集。这样就能保证参数采集的准确性，真实性。而人 工进行巡检每天只能进行几次，得到的数据的真实性明显太低。 通信部分主要是采用现场总线实现数据传输。当今中国比较流行的现场总线有 c a n ，r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等，这些总线都具有传输误码率低、采集速度快、成本低廉等优 点，当现场总线与工业p c 相连以后，就能实现对于大量设备的远程监控。 监控软件功能是实现对于大量设备的网络化管理。采用监控软件就能实现在一台 p c 机上同时监控大量设备静运行情况，大大减轻了工人的劳动强度，并且还能实现数 据的保存以及远程控制现场设备。 1 7 工业监控软件 1 7 1 工业监控软件介绍 工业监控软件是随着工业控制和计算机技术日趋成熟而发展起来的，它与工业控制 系统集成实现对工业过程监视与控制。工业监控软件作为工业控制自动化的个重要组 成部分，随着我国石化行业自动化程度的不断加深，在石化行业应用也越来越广泛。 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动 化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统 的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被 控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功 的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂 贵：在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须要 其他人员或新手进行源程序的修改。因丽更是困难。通用工业自动化组态软件的出现为 解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软 件存在的种种问题，使用户能根据自已的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的 自动化控制工程。 组态( c o n f i g u r a t i o n ) 为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有： ( 1 ) 延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场( 包括硬件设备 或系统结构) 或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级； ( 2 ) 封装性( 易学易用) ，通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的 方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术( 甚至不需要编程技术) ，就 能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备( p l c 、 智能仪表、智能模块、板卡、变频器等) 的丑，o 驱动、开放式的数据库和画面制作工具， 就能完成个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和 网络功能的工程，不受行业限制。 由于工业监控组态软件的其中的一个主要功能就是对于工业现场数据的采集和监 视。所以对于数据保存的要求极高。然而，工业现场数据就与其他环境下数据的不同特 点： ( 1 ) 数据量大。可能每秒有几万，甚至几十万个数据需要保存。 ( 2 ) 与对间相关联。保存工业现场数据不但要保存数据的值，还要保存采集这个数 据的时间。只要这样，才能对数据进行分析。 ( 3 ) 数据变化快。例如某一台电机的电流就是在不停的变化之中。 基于以上原因在每一款工业监控组态软件中都集成有实时数据库。 工业监控软件经过多年的发展。已经取得了极大的发展。中国工业控制领域流行的 国外工业监控软件有：i n t o u c h 、r s v i e w 3 2 、o n s p e c 、c i m p l i c i t y 、f i x 、i f l x 、w i n c c 等。国产工业监控软件起步虽晚，但发展很快，较有影响的有：组态王、力控、世纪星、 m c g s 等。务家产品各有所长，总体看，国外工业监控软技术性能优于国产工业监控软件， 但国产软件有成本低、服务便捷等优势。组态王和力控是国产工业监控软件中的佼佼者。 无论在软件质量，稳定性，销售量和服务质量都领先于其他的国内产品。组态王包括组 态王通用版、组态王电力版、组态王嵌入版、组态王w e b 版。力控的产品有力控通用版、 力控电力版、力控网络版、力控策略版。在基于组态王的低压配电监控系统中选用组态 王通用版6 5 进行上位机显示部分的开发。 1 7 2 实时数据库介绍 关系数据库使用得比较广，为大部分入所熟悉，班至于谈到数据摩，缺省情况下指 的就是关系数据库，但实际上还有一些其他种类的数据库在生产生活中被广泛使用，比 如实时数据库。它们用在要求非常严格、数据量非常大的生产工控中。实时数据库对于 流程工厂来说如同飞机上的“黑匣子”，可在线存储每个工艺过狸点的多年数据，还为最 终用户提供了快捷、高效的工厂信息。【” 在生产制造行业中，数据的实时存取很重要。比如电厂，如果一个重要的阀门的状 态很久都不传过来，可以就会紧急制闸，损失是巨大的；还有，这种行业的生产过程计 算机程度化比较高，如果慢吞吞的从数据中取得数据再去分析的话，就没办法指导机器 的下一步行动。实时数据库就是一个字”快”，比如p i 实时数据库，快到每秒可以有百 谭赞：低压配电监控上位机系统的设计与研究 万的数据流量；实时数据库还具有数据的高压缩率，一只普通容量的硬盘可以保存8 年 的数据，当然要配置正确。这种高速度高容量不是普通数据库可以胜任的，如果用关系 型数据库o r c a l 的话，这样的流量只需要几秒钟就使之崩溃。v 】 实时数据库与关系数据库相比，从名字上可以看得出，实时数据库重在数据的实时， 关系数据库重在数据的关系，对于实时数据库中的数据，它们的关系是很复杂的，需要 用到很多的科学计算和公式翻译，这是s q l 查询语句做不到的，因此实时数据库基本 上也不提供这种关系的查询。 当今国际国内广泛使用的实时数据库只有三个产品： ( 1 ) 美国0 s i 公司的p i ( p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) ( 2 ) 美国h o n e y w e l l 公司的p h d ( p r o c e s sh i s t o r yd a t a b a s e ) ( 3 ) 美国a s p e n t e c h 公司的i p 2 1 ( i n f o p l u s 2 1 ) 这些实时数据库的价格是非常昂贵的，以百万人民币为单位，但是它们不全是以套 也不全是以点( 可容纳的数据点) 为单位来出售，所以无法数字化的比较其价格。国内也 有一些厂商进行实时数据库的研发。如中科院软件所的a g i l o r ，三维力控的p s p a c e ，等 等。国内产品与国外产品的优势在于价格。 1 8 课题的研究目的和内容 1 8 ，1 课题研究的目的 计算机监测控制系统是指具有数据采集、监测、控制功能的计算机系统，加上检测 装置、执行机构与被监测控制的对象( 现场设备) 共同构成的系统。在这个系统中，计算 机直接参与被控对象的检测( m o n i t o r ) 、监督( s u p e r v i s e ) 、控$ 1 j ( c o n t r 0 1 ) 。 计算机监测控制系统广泛应用于钢铁、化工、环保、国防、航天技术、工业水处理、 工矿企业、商业、金融机构、政府机关及教育、卫生、住宅小区等重大领域，几乎所有 行业都不同程度在采用各种监测、监控设备，有的监测控制系统技术已相当先进，设备 十分完善。有人曾说计算机监控系统己渗透到每个国家的政治、经济活动的一切领域， 甚至管理国家的事务，监测全球范围内某些参数或现象。【5 】 本课题研究的目的就是应用计算机监测控制技术，对石化企业的一个车间的所有生 产设备进行监测控制，达到如下目的： ( 1 ) 实现对于生产现场设备运行状态的监控，当设备发生故障或者设备开关状态发 生改变时，发出报警信号并提示报警信息。 ( 2 ) 实时采集设备的循检参数和动态参数( 包括电流值、电压值、功率等) ，并在 计算机上实时显示与保存。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 用户能通过计算机向现场设备发送控制命令，实现对于现场设备的远程控制。 ( 4 ) 用户能随时查询大量的相关设备信息( 动态参数、循检参数、报警信息、变为 信息等) ，以便于进行设备性能分析。 1 8 2 课题研究的主要内容 计算机监控系统可以分为3 部分：监控中心的服务器( p c 机) ，数据采集模块， 数据通信模块。本课题的主要任务就是设计开发一个低压配电监控上位机系统。该系统 是运行于工业p c 机上的一个软件系统( 即监控中心的服务器) 。该软件系统采用工业 监控组态软件组态王6 5 进行开发。在比较了基于组态王的低压配电监控上位机系统的 优缺点以后，本文提出了基于特定需求采用通用软件开发语言( c 抖) 设计开发的通用 低压配电监控模块，并开发完成一个基于该通用低压配电监控模块的实例系统。 实现现场设备计算机监控系统的集成，首要应根据用户功能需求进行总体设计。总 体设计合理与否涉及到系统是否可以成功地投运并实现预期功能，因此，在规划计算机 监控项目时，必须以系统工程的思想进行通盘考虑。在总体设计的基础上，分步去逐项 实施改造项目。 其次，在监控系统的开发过程中，根据功能的不同划分为几个层次进行开发。同时 必须保证各层次之间的交流的顺畅。 根据石化行业现场设备的特点，本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 通信方式 通过开放的、标准的c a n 现场总线连接现场各个设备，并通过c a n 网络与上位机 实现数据共享。 ( 2 ) 监控软件的开发 结合现场的实际情况，选择对现场设备实时监控的监控软件，并编程实时显示监测 数据。监控软件开发的内容包括以下几项： 数据的实时显示与保存 将采集的数据在p c 机上实时显示，并将采集到的数据存入硬盘。 报警功能的实现 监控软件对于现场设备出现的紧急情况进行实时报警，显示报警信息。 实现运行趋势的分析与预报 监控软件对历史数据与当前数据进行查询分析，以利于用户更好的了解现场运行情 况。 谭赞：低压配电监控上位机系统的设计与研究 2 基于组态王的低压配电监控上位机系统设计与实现 2 1 系统总体设计 目前。国内石化行业计算机监测与管理系统主要有连续及顺序控制系统一一 s c a d a ( s u p e r v i s o i yc o n t r o la n dd a t ea c q u i s i t i o n ) 、集散型控制系统- - - - 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 ) 、分布式控制系统i p c 十p l c 系统( 工业计算机+ 可编程 序控制器) 及总线式控制系统等。 由于石化行业车间现场，系统被控对象较多。分布在较大的区域内，要求经常进行 数据的采集，考虑采用工业控制计算机有较好的人机交互功能，同时采用p l c 能较好 的通信和联网功能，因此采用分布式控制系统口c p l c 系统。 这种控制系统的主要优点是： ( 1 ) 可实现分级控制； ( 2 ) 可靠性高、组网方便： ( 3 ) 编程方便、开发周期短、维护方便： ( 4 ) 易于实现“集中管理、分散控制”功能。 系统的基本结构由二部分组成：监控中心的服务器( p c 机) 、数据采集和通信部分( 综 合保护器) 。系统总体结构如图2 1 示。 图2 1 监控系统结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h em o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m 系统上位机采用工业控制计算机o p c ) 采用研华i p c 6 1 0 。 综合保护器采用天津东泰的t d t 2 0 0 0 系列，硬件可靠，稳定性好。该综合保护器不 是p l c ，他具有数据采集以及通信功能，功能比p l c 强大很多。 监控软件采用组态王( k i n g v i e w ) 系统，该系统具有强大的网络功能及强大的o d b c 技术，采样速度快、可靠性高，使用方便。 五匡 大连理工大学硕士学位论文 接口采用c a n 现场总线方式，以实现可编程序控制器与i 0 连接。 整个系统具有良好的可靠性、兼容性及扩展性。 石化行业的现场生产设备包括以下：电机回路、馈出回路、自启动回路、照明回路， 照明控制器回路、温度回路、电容回路。对于每一种回路，都有一个相匹配的综合保护 器( 简称综保) 进行数据采集与设备控制。综合保护器将采集的数据通过c a n 总线， 上传给p c 机进行显示和监控。同时p c 机也可将一些控制信息下传给综合保护器。 基于组态王的低压配电监控系统是工作于工业p c 上的监控软件。主要功能就是当数据 上传时，通过驱动接收c a n 数据帧并进行转换，转换为组态王能接收的数据结构。组态 王接收到数据后，对接收的数据进行实对显示、保存和查询。数据下传时，组态王将数 据下传给驱动，驱动将下传数据转换为c a n 格式数据帧，并通过c a n 总线下传给综合保 图2 2 工业控制计算机构成图 f i g 。2 2s t r u c m r eo f l p c 谭赞：低压配电监控上位机系统的设计与研究 护器。根据完成功能的不同，可以将该系统分为两大模块：c a n 协议解析( 驱动) 模 块，组态王模块。c a n 协议解析( 驱动) 模块完成上传数据的接收与初步解析以及下 传数据的打包与发送。组态王模块通过组态王完成数据的保存、查询与显示。基于组态 王的低压配电监控系统结构如图2 2 所示。 2 2c a n 协议解析( 驱动) 模块设计 c a n 协议解析( 驱动) 模块是组态王与c a n 卡交互的桥梁。组态王提供两种与硬 件设备交互的方法，一是开发硬件设备的驱动程序，二是使用b l o c k d d e 开发服务器程 序。b l o c k d d e 以动态链接库的形式向用户提供十个函数用来完成初始化、建库、收发 数据等功能，用来开发d d e 服务程序。组态王通过微软公司设计的d d e 通讯协议与