王衛(wèi)華，趙慶云

（1.天津金牛電源材料有限責(zé)任公司，天津 300400； 2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院，天津 300131）

0 引言

隨著生產(chǎn)負(fù)荷的不斷加大，動(dòng)力車間增加了許多新的設(shè)備，以滿足供氣量、制冷量的需求。動(dòng)力車間設(shè)備24小時(shí)不停運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)問題，將會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)。

因而必須對(duì)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)控，自動(dòng)存儲(chǔ)各關(guān)鍵儀表數(shù)據(jù)，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警，自動(dòng)斷電停機(jī)等。設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控管理非常有意義，相比于值班人員每小時(shí)點(diǎn)檢一次的巡檢方式，監(jiān)控系統(tǒng)可提前發(fā)現(xiàn)異常情況，避免1小時(shí)內(nèi)漏檢，等異常發(fā)生后再被動(dòng)處理。管理人員也可掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)異常狀況進(jìn)行具體分析。自控系統(tǒng)的實(shí)施能夠更好的監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)主要工藝參數(shù)做出歷史曲線圖，從而更宏觀地掌握各系統(tǒng)的參數(shù)變化。

1 系統(tǒng)背景

動(dòng)力車間現(xiàn)有2臺(tái)LS-16美國壽力空壓機(jī)，2臺(tái)無錫紐曼泰克冷干機(jī)，2臺(tái)制氮機(jī)，4臺(tái)60KW的制冷機(jī)組以及2個(gè)液氮儲(chǔ)罐等大型設(shè)備，制冷系統(tǒng)中還包括10臺(tái)泵，一臺(tái)冷卻塔。將不同廠家的設(shè)備集成到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，必須針對(duì)不同廠家提供的通信方式進(jìn)行通信。壽力空壓機(jī)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(qiáng)大，能夠方便的組成網(wǎng)絡(luò)，紐泰克冷干機(jī)帶有PLC也能根據(jù)廠家提供的命令進(jìn)行通信，制氮機(jī)沒有通信功能，只能對(duì)關(guān)鍵儀表的信號(hào)進(jìn)行采集。對(duì)于10臺(tái)泵，分別對(duì)泵的出口壓力進(jìn)行監(jiān)控，判斷泵工作是否正常。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制方案總體設(shè)計(jì)

動(dòng)力車間自控系統(tǒng)主要以監(jiān)控為主，對(duì)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因而在主控室上位機(jī)中用組態(tài)王6.52設(shè)計(jì)組態(tài)畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，對(duì)于2臺(tái)冷干機(jī)，通信方式為MODBUS，可用組態(tài)王直接與之通信。對(duì)于4臺(tái)制冷機(jī)組，主要監(jiān)控冷媒管道壓力，一臺(tái)機(jī)組有4個(gè)高壓壓力表，4臺(tái)機(jī)組共計(jì)16個(gè)壓力需要采集，當(dāng)壓力數(shù)值超過上限值時(shí)，設(shè)備本身的壓力控制繼電器應(yīng)該動(dòng)作，設(shè)備停止運(yùn)行。但在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)過壓力控制繼電器不動(dòng)作，從而造成高壓失控，幸好發(fā)現(xiàn)及時(shí)，否則后果不堪設(shè)想。類似關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)，公司要求必須有雙重保護(hù)，所以在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，外加1臺(tái)PLC采集各個(gè)高壓值，當(dāng)高壓值超過上限后，將制冷機(jī)組的控制板斷電，實(shí)現(xiàn)緊急停車，同時(shí)在主控室發(fā)出聲光報(bào)警信息。對(duì)于泵的開關(guān)信號(hào)、出口壓力信號(hào)，冷卻塔進(jìn)出水溫度信號(hào)，壓縮空氣出口壓力信號(hào)，冷干空氣出口壓力信號(hào)，制氮機(jī)露點(diǎn)信號(hào)，以及液氮儲(chǔ)罐的出口壓力信號(hào)等均采用研華的ADAM-5000系列智能模塊進(jìn)行采集，進(jìn)而與組態(tài)王進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控，對(duì)于這些監(jiān)控的報(bào)警程序均在組態(tài)王內(nèi)完成。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2.2 設(shè)備選型

系統(tǒng)模擬量，開關(guān)量較多，研華ADAM-5000E智能模塊性價(jià)比高，性能穩(wěn)定，分別用到ADAM-5017模擬量輸入模塊，ADAM-5056數(shù)字量輸出模塊，ADAM-5051D數(shù)字量輸入模塊，ADAM-5000E通過RS232口直接與上位機(jī)連接。選用西門子的S7-224XP監(jiān)控制冷機(jī)組的高壓壓力，并進(jìn)行斷電控制。S7-224XP通信功能強(qiáng)大，集成兩個(gè)串口，一個(gè)用來和2臺(tái)空壓機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)串口用來和上位機(jī)進(jìn)行通信。冷干機(jī)組用MODBUS通信協(xié)議，用ADAM-4520轉(zhuǎn)換器將RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。系統(tǒng)還需要壓力變送器、溫度變送器、信號(hào)隔離器等。監(jiān)控軟件選用亞控公司的組態(tài)王6.52。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為通信程序設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)，通信程序是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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(jī)的自由口通信設(shè)計(jì)

壽力空壓機(jī)的控制器有兩個(gè)通信端口，1#RS485通訊端口采用順序方式通訊協(xié)議工作，2#RS485通訊端口采用Modbus通訊協(xié)議方式工作。采用順序方式工作時(shí)，不需要上位機(jī)等任何其它設(shè)備，只需將各控制器的1#RS485口相互聯(lián)接起來，并將工作方式等參數(shù)按聯(lián)機(jī)規(guī)則設(shè)定后，各機(jī)組即實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)控制。采用Modbus 通訊協(xié)議方式工作時(shí)，只需將各控制器的2#RS485口相互聯(lián)接起來。這里選用順序方式，通過自由口通信協(xié)議與S7-224XP進(jìn)行通信。

2臺(tái)空壓機(jī)不同時(shí)工作，每星期倒換一次，管道閥門切換由人工手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，空壓機(jī)不聯(lián)機(jī)運(yùn)行，所以只需要S7-224XP讀取各空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。這里采用主從應(yīng)答方式，空壓機(jī)只響應(yīng)查詢命令，發(fā)回機(jī)組的狀態(tài)，參數(shù)信息，不響應(yīng)Start（起動(dòng)），Stop（停機(jī)），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(jī)狀態(tài)參數(shù)，詢問命令為“02I55”，“02”是機(jī)組編號(hào)，“I”信息類型，表示狀態(tài)簡介，“55”校驗(yàn)碼。文本開始，回車省略。2#空壓機(jī)收到詢問命令后，將發(fā)送應(yīng)答信息，例如發(fā)送“02i115，112，00，00，92，24，00，00，00，00，34240，32793，U，CE4”，狀態(tài)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(jìn)口溫度，T2出口溫度，T3噴油溫度（未采集），T4級(jí)間溫度（未采集），T5（未采集），T6（未采集），運(yùn)行時(shí)間，加載時(shí)間，運(yùn)行狀態(tài)，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(yùn)行時(shí)間為34240小時(shí)，累計(jì)加載時(shí)間為32793，運(yùn)行狀態(tài) “U”即“卸載狀態(tài)”，運(yùn)行模式“C”表示機(jī)器處于連續(xù)運(yùn)行模式，不可以遙控起停。

自由口通信指令包括：XMT，自由口發(fā)送指令；RCV，自由口接受指令。用特殊標(biāo)志寄存器SMB30（端口0）和SMB130（端口1）的各個(gè)位設(shè)置自由口模式，并配制自由口通信參數(shù)，如波特率、奇偶效驗(yàn)和數(shù)據(jù)位[2]。對(duì)于發(fā)送指令XMT，可根據(jù)字節(jié)數(shù)來發(fā)送查詢指令，容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于接收指令數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；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(qū)）定義指針，使用指針接收數(shù)據(jù)。自由口通信的數(shù)據(jù)格式如表2所示[3]。

表2 自由口通信數(shù)據(jù)格式

這里采用地址指針接收數(shù)據(jù)的方法。PLC交替發(fā)送“01I56”，“02I55”查詢命令，所以將2條命令碼以16進(jìn)制碼的形式存儲(chǔ)在不同的寄存器中，然后依次發(fā)送。在PLC接收數(shù)據(jù)時(shí)，PLC針對(duì)不同的命令碼，用一個(gè)地址指針接收并存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，不同的回傳數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同的寄存器。例如“01I56”轉(zhuǎn)換為16碼為“02 30 31 49 35 36 0D 0A”存儲(chǔ)在VB10-VB17中，相應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在VB600-VB680，“02I55”轉(zhuǎn)換為16碼為“02 30 32 49 35 35 0D 0A”存儲(chǔ)在VB30-VB37中，相應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在VB700-VB780當(dāng)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(tài)王與冷干機(jī)組的MODBUS通信設(shè)計(jì)

組態(tài)王與其他設(shè)備間的通信容易實(shí)現(xiàn)，只需選擇相應(yīng)的通信協(xié)議，對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)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(shí)，選擇西門子PLC→200系列→PPI通信協(xié)議即可，定義通信變量時(shí)需和S7-224XP里的存儲(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)[4]。

這里以組態(tài)王與冷干機(jī)組的MODBUS通信為例進(jìn)行說明。定義組態(tài)王設(shè)備時(shí)選擇莫迪康→Modbus（RTU）→串口。組態(tài)王的設(shè)備地址與PLC 的地址保持一致，設(shè)為“1”。Modbus地址表由廠家給出，例如累計(jì)運(yùn)行時(shí)間地址為“40007”，左塔溫度地址為“40066”露點(diǎn)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制程序相對(duì)簡單，S7-224XP的控制程序主要是對(duì)采集的壓力值進(jìn)行判斷，大于設(shè)定值后輸出報(bào)警。組態(tài)王里的控制程序類似C語言，也是對(duì)個(gè)參數(shù)進(jìn)行判斷，例如：

if（\本站點(diǎn)空壓機(jī)1#T1>=120）

{

\本站點(diǎn)空壓機(jī)1#高溫報(bào)警=1；

}

else

{\本站點(diǎn)空壓機(jī)1#高溫報(bào)警=0；}

即當(dāng)1#空壓機(jī)的T1大于120℃時(shí)，輸出報(bào)警。

4 結(jié)論

本控制系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定。運(yùn)行當(dāng)中冷凍機(jī)組發(fā)生1次異常情況，自動(dòng)斷電報(bào)警，從人工點(diǎn)檢記錄上無法發(fā)現(xiàn)故障開始時(shí)間，查詢歷史記錄可以發(fā)現(xiàn)壓力從什么時(shí)候發(fā)生改變，變化的過程一目了然，有助于分析問題的原因。事實(shí)證明動(dòng)力車間監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施，提高了值班人員的工作效率，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，對(duì)延長設(shè)備使用壽命，保證安全生產(chǎn)等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 豪華型微電腦控制器I 型順序控制及通訊協(xié)議手冊(cè)[Z].深圳壽力亞洲實(shí)業(yè)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(xué)出版社.2005.

[3] S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M].西門子(中國)有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集.2004.

[4] 組態(tài)王用戶手冊(cè)[Z].北京亞控科技發(fā)展有限公司.2001.