一種海上平臺發電機組儀表系統數字化改造設計方案

張 興，周 炳，司江舸，唐乾偉，徐正榮，馬振超

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

某些海上老齡平臺發電機組儀表系統缺乏有效數字化監測手段，機組元器件多采用模擬量指針儀表，誤差大。為進一步優化發電機組監控系統，本文提出一種數字化儀表系統，通過總線技術、PLC控制技術和嵌入式Linux技術，實現了數字化、網絡化儀表系統。

1 發電機一般儀表監控系統的構成

發電機組一般儀表監控系統常用獨立傳感器+儀表的簡單組成形式，儀表系統硬件多、線路復雜，無通信擴展接口或接口不統一，有的儀表系統在機旁與遠程控制箱各設置1套儀表系統，維護成本高。

對發電機組控制系統而言，除上述儀表用傳感器以外，還需要各種控制開關器件，如機組溫度測量。除了滿足測量儀表使用外，還必須安裝溫控開關滿足控制要求，有時預報警、報警、停機等功能對應多個控制開關，極大增加了系統繁雜性。

常見儀表監控系統構成如圖1所示。

圖1 傳統儀表及控制系統布置圖

雖然這種系統結構簡單，但功能單一，器件多，硬件體積大，不能實現網絡化、數字化、信息化等高級管理功能。

2 發電機組數字化儀表系統

2.1 系統硬件

數字化儀表系統綜合采用模擬量傳感器、變送器、總線型儀表作為數據采集前端，通過 Modbus總線數據采集模塊實現數據處理，而后通過PC機或PLC控制器+HMI實現數據輸出與顯示。

發電機組數字化儀表系統的硬件構成見圖2。

圖2 發電機儀表監測系統硬件結構

該系統由本地、遠程系統2部分組成，本地部分實現現場測量和本地數據顯示，遠程部分用于實現數據網絡化和信息化。

現場數據采集模塊采用研華ADAM4017+8通道16位AD模擬量輸入采集模塊，可采集電壓和電流模擬量信號，8通道都提供了可獨立編程量程范圍，支持 Modbus協議。本設計主要利用ADAM4017+來監測發電機組運行參數。各項傳感數據經采集模塊的RS485接口總線發送到PLC控制器（西門子S7-1200系列PLC），PLC解析數據后將參數顯示在本地HMI上，同時再經過RS485通信模塊繼續把參數傳輸到Linux嵌入式工控機，而后由工控機軟件系統處理數據，最終實現機組各項運行參數的存儲、報警處理和顯示功能。

硬件設計部分包括：

1）根據ADAM4700系列軟件配置各個端口類型，選擇端口對應信號類型（4-20Ma或0-5V），配置ADAM4700+模塊Modbus總線地址、通信速率、通道量程范圍、數據格式、工作方式和通信協議等。

2）組態PLC硬件組態，需使用2個CM1241 RS485通信接口模塊，其中 1#模塊用于與ADAM4700+通信，2#模塊用于與嵌入式 Linux工控機通信。

3）博途TIA軟件對S7-1200PLC編程，使用Modbus-RTU協議，將ADAM4700+模塊監測參數，包括發電機組壓力、水溫和速度等數據存儲在 DB模塊。

4）通過Profinet協議，將DB數據過濾處理后傳輸并顯示在HMI界面上，硬件采用MCGS帶以太網接口觸摸屏，它自帶西門子1200PLC網絡驅動，能快捷實現數據顯示。

5）PLC控制器通過2# CM1241模塊，把DB數據發送到上位機系統，并加載到平臺設備實時數據庫中，為其他部門提供開放數據平臺，實現數據統計、分析和優化等功能。

2.2 上位機軟件系統

軟件系統結構如圖3所示。

圖3 上位機軟件系統

上位機軟件包括2部分程序：一部分程序是基于C的后臺數據通信程序，主要實現Linux系統與PLC控制器之間的數據通信和傳輸，并將數據存儲在 Sqlite數據庫中；另一部分程序是基于 PHP的Web系統，運行在嵌入式Linux系統下，該Web系統實現數據可視化綜合處理。軟件部分工作具體包括：

1）嵌入式 Linux工控機配置，主要包括安裝Nginx引擎、PHP服務器、Sqlite3數據庫、串口驅動，也可通過安裝LNMP方式快速安裝。

2）編寫數據處理程序，接收PLC控制器發送的數據，并存儲在Linux系統中。針對Modbus-RTU協議，在Linux系統中使用Mobus庫libmodbus-dev，安裝后直接在C程序中調用＜modbus.h＞文件。

3）輕量級Sqlite3數據庫，廣泛用于通信、工業生產等嵌入式應用系統中，并提供C/C++的API接口，主要如下。

（1）sqlite3_open(const char *filename, sqlite3**ppDb)，打開一個指向SQLite數據的文件連接。

（2）Sqlite3_exec(sqlite3*, const char *sql,sqlite_callback, void *data, char **errmsg)，執行SQL命令，由 sql提供，語句格式為標準 SQL語句；sqlite_callback是回調函數。

（3）sqlite3_close(sqlite3*)，關閉sqlite3_open()打開的數據庫連接。

利用上述API函數，通過C語言編寫數據接口程序，實現將各運行參數存儲在SQL數據庫中。

編寫Web網絡系統程序，主要基于PHP軟件，包括數據監測界面、數據管理后臺等。利用SpeedPHP框架設計系統，采用MVC模式，將數據和邏輯分開處理，同時封裝數據庫操作，可實現高效Web系統設計。

3 結論

通過研華ADAM4700+遠程IO模塊采集數據，經過Modbus-RTU總線傳輸數據到PLC系統，再由PLC系統通過通信模塊與嵌入式Linux系統工控機連通起來，實現一套自上而下的數字化現場儀表監控系統。

與普遍采用常規儀表控制相比，簡化了系統組成，降低了布線量，提升了系統數字化性能，同時軟件系統配置靈活，總線組網可以不斷擴展功能。另外也可將ADAM4000模塊直接與MCGS軟件連接通信，能進一步降低監控系統成本。