動力車間監控系統的實現

王衛華，趙慶云

（1.天津金牛電源材料有限責任公司，天津 300400； 2.中海油天津化工研究設計院，天津 300131）

0 引言

隨著生產負荷的不斷加大，動力車間增加了許多新的設備，以滿足供氣量、制冷量的需求。動力車間設備24小時不停運轉，一旦出現問題，將會影響整個生產。

因而必須對各個設備的運行情況進行有效監控，自動存儲各關鍵儀表數據，對異常情況及時報警，自動斷電停機等。設備的自動化監控管理非常有意義，相比于值班人員每小時點檢一次的巡檢方式，監控系統可提前發現異常情況，避免1小時內漏檢，等異常發生后再被動處理。管理人員也可掌握實時數據，對異常狀況進行具體分析。自控系統的實施能夠更好的監控設備運行情況，對主要工藝參數做出歷史曲線圖，從而更宏觀地掌握各系統的參數變化。

1 系統背景

動力車間現有2臺LS-16美國壽力空壓機，2臺無錫紐曼泰克冷干機，2臺制氮機，4臺60KW的制冷機組以及2個液氮儲罐等大型設備，制冷系統中還包括10臺泵，一臺冷卻塔。將不同廠家的設備集成到一個系統內進行數據采集，必須針對不同廠家提供的通信方式進行通信。壽力空壓機LS-16采用的微電腦控制器I 型具有兩路RS485 通訊端口，功能強大，能夠方便的組成網絡，紐泰克冷干機帶有PLC也能根據廠家提供的命令進行通信，制氮機沒有通信功能，只能對關鍵儀表的信號進行采集。對于10臺泵，分別對泵的出口壓力進行監控，判斷泵工作是否正常。

2 系統硬件設計

2.1 控制方案總體設計

動力車間自控系統主要以監控為主，對各設備運行狀態進行實時監控，因而在主控室上位機中用組態王6.52設計組態畫面進行實時顯示，對于2臺冷干機，通信方式為MODBUS，可用組態王直接與之通信。對于4臺制冷機組，主要監控冷媒管道壓力，一臺機組有4個高壓壓力表，4臺機組共計16個壓力需要采集，當壓力數值超過上限值時，設備本身的壓力控制繼電器應該動作，設備停止運行。但在實際運行中出現過壓力控制繼電器不動作，從而造成高壓失控，幸好發現及時，否則后果不堪設想。類似關鍵監控點，公司要求必須有雙重保護，所以在原有設備基礎上，外加1臺PLC采集各個高壓值，當高壓值超過上限后，將制冷機組的控制板斷電，實現緊急停車，同時在主控室發出聲光報警信息。對于泵的開關信號、出口壓力信號，冷卻塔進出水溫度信號，壓縮空氣出口壓力信號，冷干空氣出口壓力信號，制氮機露點信號，以及液氮儲罐的出口壓力信號等均采用研華的ADAM-5000系列智能模塊進行采集，進而與組態王進行通信，實現上位機監控，對于這些監控的報警程序均在組態王內完成。系統拓撲圖如圖1所示。

2.2 設備選型

系統模擬量，開關量較多，研華ADAM-5000E智能模塊性價比高，性能穩定，分別用到ADAM-5017模擬量輸入模塊，ADAM-5056數字量輸出模塊，ADAM-5051D數字量輸入模塊，ADAM-5000E通過RS232口直接與上位機連接。選用西門子的S7-224XP監控制冷機組的高壓壓力，并進行斷電控制。S7-224XP通信功能強大，集成兩個串口，一個用來和2臺空壓機組成網絡，一個串口用來和上位機進行通信。冷干機組用MODBUS通信協議，用ADAM-4520轉換器將RS-485信號轉換為RS-232信號，實現與上位機通信。系統還需要壓力變送器、溫度變送器、信號隔離器等。監控軟件選用亞控公司的組態王6.52。

圖1 系統拓撲圖

3 系統軟件設計

3.1 通信程序設計

系統軟件設計主要分為通信程序設計和控制程序設計，通信程序是軟件系統的基礎，占得比重比較大，主要包括自由口通信，MODBUS通信和PPI通信。

3.1.1 S7-224XP與空壓機的自由口通信設計

壽力空壓機的控制器有兩個通信端口，1#RS485通訊端口采用順序方式通訊協議工作，2#RS485通訊端口采用Modbus通訊協議方式工作。采用順序方式工作時，不需要上位機等任何其它設備，只需將各控制器的1#RS485口相互聯接起來，并將工作方式等參數按聯機規則設定后，各機組即實現聯機控制。采用Modbus 通訊協議方式工作時，只需將各控制器的2#RS485口相互聯接起來。這里選用順序方式，通過自由口通信協議與S7-224XP進行通信。

2臺空壓機不同時工作，每星期倒換一次，管道閥門切換由人工手動實現，空壓機不聯機運行，所以只需要S7-224XP讀取各空壓機的運行參數。這里采用主從應答方式，空壓機只響應查詢命令，發回機組的狀態，參數信息，不響應Start（起動），Stop（停機），Load（加載）和Unload（卸載）命令。通信格式如表1所示[1]。

表1 通信格式

順序控制方式下查詢2#空壓機狀態參數，詢問命令為“02I55”，“02”是機組編號，“I”信息類型，表示狀態簡介，“55”校驗碼。文本開始，回車省略。2#空壓機收到詢問命令后，將發送應答信息，例如發送“02i115，112，00，00，92，24，00，00，00，00，34240，32793，U，CE4”，狀態信息按順序依次為P1排氣壓力，P2管線壓力，P3油過濾前壓力（未采集），P4油過濾后壓力（未采集），T1進口溫度，T2出口溫度，T3噴油溫度（未采集），T4級間溫度（未采集），T5（未采集），T6（未采集），運行時間，加載時間，運行狀態，模式。從返回名信息可以讀出，P1為115PSI約為8bar，P1為112PSI約為7.8bar，TI為92℃，TI為24℃，運行時間為34240小時，累計加載時間為32793，運行狀態 “U”即“卸載狀態”，運行模式“C”表示機器處于連續運行模式，不可以遙控起停。

自由口通信指令包括：XMT，自由口發送指令；RCV，自由口接受指令。用特殊標志寄存器SMB30（端口0）和SMB130（端口1）的各個位設置自由口模式，并配制自由口通信參數，如波特率、奇偶效驗和數據位[2]。對于發送指令XMT，可根據字節數來發送查詢指令，容易實現。對于接收指令數據主要有兩種方法：第一種方法是使用PLC自帶的RCV指令來接收數據；第二種方法采用PLC提供的“接收字符中斷”方式，將SMB2（自由口接收字符緩沖區）定義指針，使用指針接收數據。自由口通信的數據格式如表2所示[3]。

表2 自由口通信數據格式

這里采用地址指針接收數據的方法。PLC交替發送“01I56”，“02I55”查詢命令，所以將2條命令碼以16進制碼的形式存儲在不同的寄存器中，然后依次發送。在PLC接收數據時，PLC針對不同的命令碼，用一個地址指針接收并存儲對應的數據，不同的回傳數據對應不同的寄存器。例如“01I56”轉換為16碼為“02 30 31 49 35 36 0D 0A”存儲在VB10-VB17中，相應的返回數據存儲在VB600-VB680，“02I55”轉換為16碼為“02 30 32 49 35 35 0D 0A”存儲在VB30-VB37中，相應的返回數據存儲在VB700-VB780當中。通信程序流程圖如圖2所示。

圖2 通信程序流程圖

3.1.2 組態王與冷干機組的MODBUS通信設計

組態王與其他設備間的通信容易實現，只需選擇相應的通信協議，對通信參數進行正確設置即可。

例如讀取ADAM-5017的模擬量，選擇研華模塊5000系列→ADAM5017→串口等，和S7-224XP通信時，選擇西門子PLC→200系列→PPI通信協議即可，定義通信變量時需和S7-224XP里的存儲單元相對應[4]。

這里以組態王與冷干機組的MODBUS通信為例進行說明。定義組態王設備時選擇莫迪康→Modbus（RTU）→串口。組態王的設備地址與PLC 的地址保持一致，設為“1”。Modbus地址表由廠家給出，例如累計運行時間地址為“40007”，左塔溫度地址為“40066”露點溫度地址為“40071”等等。變量定義如圖3所示。

圖3 變量定義圖

3.2 控制程序設計

系統的控制程序相對簡單，S7-224XP的控制程序主要是對采集的壓力值進行判斷，大于設定值后輸出報警。組態王里的控制程序類似C語言，也是對個參數進行判斷，例如：

if（\本站點空壓機1#T1>=120）

{

\本站點空壓機1#高溫報警=1；

}

else

{\本站點空壓機1#高溫報警=0；}

即當1#空壓機的T1大于120℃時，輸出報警。

4 結論

本控制系統已投入實際應用，運行穩定。運行當中冷凍機組發生1次異常情況，自動斷電報警，從人工點檢記錄上無法發現故障開始時間，查詢歷史記錄可以發現壓力從什么時候發生改變，變化的過程一目了然，有助于分析問題的原因。事實證明動力車間監控系統的實施，提高了值班人員的工作效率，可以及時發現設備故障，對延長設備使用壽命，保證安全生產等都具有重要的現實意義。

[1] 豪華型微電腦控制器I 型順序控制及通訊協議手冊[Z].深圳壽力亞洲實業有限公司.2006.

[2] 深入淺出西門子S7-200PLC[M].SIEMENS公司.北京航空航天大學出版社.2005.

[3] S7-200可編程控制器系統手冊[M].西門子(中國)有限公司自動化與驅動集.2004.

[4] 組態王用戶手冊[Z].北京亞控科技發展有限公司.2001.