1、引言
在工業(yè)自動化程度日益提高的今天，人們對自動化監(jiān)控系統(tǒng)的人性化互動與系統(tǒng)定義要求越來越高。要求人機對話界面簡單明了，宜于操作，實時性好，開發(fā)周期短，便于修改、擴充、升級。因此，使得工控組態(tài)軟件成為開發(fā)工業(yè)自動化及其系統(tǒng)的一件有力武器。
組態(tài)(configuration)是指通過專用的軟件定義系統(tǒng)的過程。工控組態(tài)軟件(industrial control configuration software)是利用系統(tǒng)軟件提供的工具，通過簡單形象的組態(tài)工作，構成系統(tǒng)所需的軟件。國外軟件商推出了各種工業(yè)控制軟件包，如美國Wonderware公司的InTouch，美國Intellution公司的FIX，德國西門子公司的WinCC；國產(chǎn)工控組態(tài)軟件則以組態(tài)王、力控為代表，由于其具有中文界面，性價比較高，售后服務好，因此獲得了一定的市場份額。
廣東某鉛鋅礦運轉工區(qū)的空氣壓縮機組是采礦生產(chǎn)中的關鍵設備，共有六臺進口的英格索蘭CENTAC空氣壓縮機，它的運行穩(wěn)定與否直接關系到整個礦區(qū)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。因此一個功能完善、操作方便的自動化系統(tǒng)對其整個運行過程進行監(jiān)控就顯得十分重要。在該系統(tǒng)中，采用了三維力控組態(tài)軟件提供的完善的開發(fā)工具，形成了能夠保障空氣壓縮機安全穩(wěn)定運行的礦區(qū)壓風機房計算機監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)了壓縮機組振動和溫度信號的報警、歷史運行數(shù)據(jù)的查詢、工況的自動切換、設備的遠程操作和管理以及系統(tǒng)運行情況的動態(tài)顯示等功能。
2、監(jiān)控系統(tǒng)的構成
2.1 空氣壓縮機的工作原理
礦區(qū)的六臺空氣壓縮機皆為離心式，單臺空氣壓縮機分三級壓縮，電機帶動葉輪不停旋轉，空氣經(jīng)濾網(wǎng)過濾之后進入一級壓縮腔，空氣由于離心力的作用被甩向一級壓縮腔壁經(jīng)腔壁孔進入二級壓縮腔，一級壓縮腔中央產(chǎn)生負壓，源源不斷地吸引空氣進入一級壓縮腔?？諝庠谝患?、二級、三級壓縮腔中壓縮之后壓力不斷升高，由三級壓縮腔流入儲氣罐，供礦井風鉆設備采礦用。每級壓縮腔中都安裝有溫度、壓力、振動信號傳感器，以及潤滑油溫度、壓力傳感器，對溫度、壓力、振動進行實時監(jiān)測。
2.2 硬件系統(tǒng)
硬件框圖如圖1所示?？紤]到運行速度和可靠性，主機采用聯(lián)想奔騰4處理機，通訊協(xié)議為標準的Modbus協(xié)議，現(xiàn)場控制機為英格索蘭公司的單片機。由于通訊距離較長，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采用RS485總線送到中控室，經(jīng)ADAM轉換器轉換后，由RS232總線進入主機。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成圖
2.3 軟件系統(tǒng)
軟件平臺采用WindowsXP，選用三維科技有限公司的力控組態(tài)軟件。使用力控，用戶可以方便快速地構造不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，力控組態(tài)軟件的特點為：
（1） 具有實時開放數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。實時數(shù)據(jù)庫是力控軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，構建分布應用系統(tǒng)系統(tǒng)的基礎，負責實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、報警處理、數(shù)據(jù)服務請求處理等，用戶可以很容易地從實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獲取信息和將實時數(shù)據(jù)傳送到整個公司的信息系統(tǒng)中去，控制系統(tǒng)運行。
（2） 力控可以與多種I/O設備進行通信。目前支持的I/O設備包括：可編程控制器、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等。力控與I/O設備之間通過以下幾種方式進行數(shù)據(jù)交換：串行通訊方式（支持Modem遠程通信）、板卡方式、網(wǎng)絡結點方式、適配器方式、DDE方式、OPC方式等。
（3） 提供報警和事件。及時將控制過程和系統(tǒng)的運行情況通知操作人員，力控系統(tǒng)支持“過程報警”“系統(tǒng)報警”和“事件記錄”的顯示、記錄和打印。過程報警是指過程情況的報警；系統(tǒng)報警是有關系統(tǒng)運行錯誤報警以及I/O設備運行錯誤或故障報警等；而事件記錄則是系統(tǒng)對各種系統(tǒng)狀態(tài)以及用戶操作等信息的記錄。報警產(chǎn)生時首先由實時數(shù)據(jù)庫處理和保存，然后可由界面系統(tǒng)顯示和確認。
（4） 提供動畫連接。動畫連接是指畫面中圖形對象與變量或表達式的對應關系。建立動畫連接后，在界面運行系統(tǒng)中，圖形對象將根據(jù)變量或表達式的數(shù)據(jù)變化，改變其顏色、大小等外觀。
（5） 提供動作腳本。力控提供動作腳本以增強對應用程序控制的靈活性。
（6） 提供完備的安全保護機制，以保證生產(chǎn)過程的安全可靠。用戶管理將用戶分為操作工、班長、工程師、系統(tǒng)管理員等多個級別，并可根據(jù)級別限制當前用戶的行為，以有效避免生產(chǎn)過程中的誤操作。
此外還提供趨勢曲線、報表、分布式應用、配方、各種圖形、外部通訊、各種控件、內置數(shù)據(jù)表、I/O設備驅動等各種功能。在設計過程中，“子圖”提供了許多復雜圖片可以直接調用，“工具箱”中提供了許多繪圖工具可供使用，外部設備連接容易，編程簡單，使得整個設計過程十分容易，畫面生動形象，使用起來十分方便。
2.4 監(jiān)控系統(tǒng)的功能
（1） 顯示功能 監(jiān)控系統(tǒng)以圖形方式顯示空氣壓縮機的流程，動態(tài)的顯示當前的工況和運行狀態(tài)，相應的參數(shù)顯示在對應的位置上，如圖2所示，使運行管理人員能及時了解空氣壓縮機的運行情況。
圖2 實時數(shù)據(jù)顯示圖
（2） 實時報警功能 監(jiān)控系統(tǒng)對空氣壓縮機的振動、溫度、油溫、油壓超過報警限值時，實現(xiàn)聲音報警和指示燈閃爍報警，進行故障判斷，報警記錄。
（3） 數(shù)據(jù)庫功能監(jiān)控系統(tǒng)建立實時數(shù)據(jù)庫作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、組織和管理的核心,記錄實時過程的歷史數(shù)據(jù)，用于過程存檔、歷史數(shù)據(jù)查詢、事故分析、經(jīng)驗學習等。
（4） 工況自動切換功能 當系統(tǒng)壓力超過用戶設定壓力時，設備由加載工況轉為卸載工況；當系統(tǒng)壓力小于用戶設定壓力的84%時，設備由卸載工況轉為加載工況。使得系統(tǒng)壓力維持在一定的壓力區(qū)間，確保礦井風鉆設備有穩(wěn)定的壓力。
（5） 設備遠程操作與管理用戶可通過監(jiān)控系統(tǒng)對空氣壓縮機進行遠程啟/?？刂疲ㄔO備的遠程控制開關必須置為有效狀態(tài)），數(shù)據(jù)庫記錄設備的累計運行時間，使長期運行的設備交替運行，避免某臺設備長期運行，提高設備使用壽命。
3、組態(tài)設計
利用力控組態(tài)軟件的圖形開發(fā)環(huán)境Draw、圖形界面運行系統(tǒng)View、分布式實時數(shù)據(jù)庫DB，I/O驅動程序I/Oserver等組件，可方便地開發(fā)出監(jiān)控系統(tǒng)的上述功能。
3.1 畫面組態(tài)
Draw中提供了大量的圖形對象，利用這些基本圖形對象以及插入外部位圖組態(tài)得出空氣壓縮機組的總流程圖畫面和各單臺壓縮機的畫面，畫面組成如圖3所示，總流程圖用不同顏色變化指示六臺壓縮機的運轉、停止工況，以及顯示幾個關鍵監(jiān)控數(shù)據(jù)點的實時值。如需查看單臺壓縮機的數(shù)據(jù)，可鼠標單擊切換到對應的壓縮機畫面。
圖3 監(jiān)控畫面組成圖
單臺壓縮機畫面由下拉式菜單和流程圖組成。流程圖顯示的是壓縮機的設備、管道、閥門的連接情況和運行原理，當系統(tǒng)沒有啟動時，整個畫面為靜態(tài)。一旦系統(tǒng)進入運行，畫面上將顯示當前設備的啟停和閥門開度，管道內的介質不停地流動，同時從現(xiàn)場檢測的溫度、壓力、振動、潤滑油溫度和壓力顯示在對應位置，振動數(shù)據(jù)采用實時趨勢曲線來表示。當有報警產(chǎn)生時，有聲音和指示燈閃爍報警，并且彈出報警提示框和故障類型判別框，對當前報警進行確認后，進行故障的排除。
管道內的介質不停地流動的動畫和報警時指示燈閃爍動畫是通過Draw中的動畫連接功能實現(xiàn)的。當在Draw中創(chuàng)建了圖形對象以后，就可以根據(jù)需要將圖形對象與數(shù)據(jù)變量或表達式建立聯(lián)系，進入圖形界面運行環(huán)境View后，圖形對象就可以根據(jù)數(shù)據(jù)變量或表達式的變化按動畫連接的要求進行改變，如顏色變化、尺寸及位置的變化、顯現(xiàn)與隱藏變化、數(shù)值顯示等。聲音的發(fā)出是根據(jù)數(shù)據(jù)變量或表達式的變化啟動一種系統(tǒng)聲音或者用戶自定義的一段聲音。
在監(jiān)控畫面的頂端設計了具有Windows風格的下拉式菜單，這可以通過Draw中的自定義菜單工具完成。選擇各菜單項或子菜單項，可以執(zhí)行切換窗口、報警記錄查詢、顯示歷史曲線和歷史數(shù)據(jù)、打印窗口等動作或其它自定義動作。
3.2 數(shù)據(jù)庫組態(tài)
在Draw的導航器中單擊“實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)”，啟動實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)程序，開始創(chuàng)建監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。力控實時數(shù)據(jù)庫是以“點”為數(shù)據(jù)對象來索引數(shù)據(jù)的，一個點由若干參數(shù)組成，系統(tǒng)以點參數(shù)為單位存放各種信息，即點相當于關系數(shù)據(jù)庫中的關鍵字，點參數(shù)相當于字段。系統(tǒng)中各檢測點的振動、溫度、壓力、油溫、油壓、閥門開度等都需要保存在數(shù)據(jù)庫中。在建立數(shù)據(jù)庫時，首先按照點類型(模擬點、數(shù)字點、累計點、控制點或運算點)創(chuàng)建新點，對其參數(shù)進行設置，包括基本參數(shù)和報警參數(shù)，并且進行量程轉換，然后把已創(chuàng)建的點和點參數(shù)與現(xiàn)場的I/O設備檢測到的某一具體數(shù)據(jù)項建立映射關系，當這一關系建立以后，數(shù)據(jù)庫中的點和點參數(shù)才與來自I/O設備的數(shù)據(jù)源建立了一個數(shù)據(jù)鏈路。當然，數(shù)據(jù)庫與現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)通信必須通過力控提供的這類設備的I/O驅動程序來完成。當數(shù)據(jù)庫需保存點參數(shù)值的變化過程形成歷史數(shù)據(jù)時，就必須進行歷史數(shù)據(jù)組態(tài)，指定哪些點需要保存歷史數(shù)據(jù)，以及歷史數(shù)據(jù)的記錄精度(即當數(shù)據(jù)的變化超過多少比例時，才記錄這一變化)和保存時間。
數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建好之后，則可將點參數(shù)與趨勢或歷史報表建立聯(lián)系，使系統(tǒng)可以以曲線或表格的形式向用戶顯示實時數(shù)據(jù)的變化過程。力控中的趨勢、歷史報表都是以標準圖形的形式給出的，開發(fā)者需要對相應的參數(shù)進行設置.。趨勢中的參數(shù)包括時間范圍、掃描周期、數(shù)值范圍、數(shù)據(jù)源等，歷史報表中的參數(shù)則包括報表的起始時刻、時間范圍、時間間隔、數(shù)據(jù)源、變量等。
3.3 工況自動切換
為了自動實現(xiàn)設備的加載工況和卸載工況的互相切換，使用力控組態(tài)時運用條件動作，當系統(tǒng)壓力超過用戶設定壓力時，遠程加載離散量置0，遠程卸載離散量置1，設備由加載工況轉為卸載工況；當系統(tǒng)壓力小于用戶設定壓力的84%時，遠程卸載離散量置0，遠程加載離散量置1，設備由卸載工況轉為加載工況。使得系統(tǒng)壓力維持在一定的壓力區(qū)間，確保礦井風鉆設備壓力穩(wěn)定。
3.4 設備遠程操作與管理
為了減輕運行管理人員的勞動量，系統(tǒng)能通過上位機對設備的啟停進行遠程控制，組態(tài)設計時，首先要定義設備啟停狀態(tài)和加載卸載狀態(tài)的開關型變量，通過通信接口將這些變量與現(xiàn)場控制單片機相應的地址連接。系統(tǒng)運行時，根據(jù)不同的工況要求，當現(xiàn)場控制機的遠程控制開關置為有效時，用腳本對設備啟停和加載卸載的變量賦值1或0，就可以完成遠程啟?？刂坪图虞d卸載工況切換。當設備檢修時，系統(tǒng)則關閉此功能，由維修人員直接在現(xiàn)場控制。為了延長設備的使用壽命，通過累計各設備的運行時間，進行選擇性地啟動或停機，加載時，啟動累計運行時間最短的設備；卸載時，關閉累計運行時間最長的設備，則使各設備的運行時間平衡。
3.5 通訊接口設計
下位機為單片機，通訊協(xié)議為標準的Modbus協(xié)議，對基本通訊模塊編址和通信參數(shù)設置后，由于力控支持標準的Modbus協(xié)議，在力控導航器“I/O設備驅動”項目下找到相應的Modbus協(xié)議驅動程序，雙擊激活設備配置對話框，進行設備地址及相應通訊參數(shù)的設置（通訊參數(shù)必須和基本通訊模塊一致），以及合適的數(shù)據(jù)掃描周期和故障查詢時間的設置，然后利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)連接組態(tài)工具將點參數(shù)與單片機中的需采集的過程數(shù)據(jù)的地址相連接，建立數(shù)據(jù)庫點參數(shù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信鏈路。讀取模擬量時使用Modbus協(xié)議的三、四號指令，進行遠程啟停和加載卸載等離散量賦值操作時使用Modbus協(xié)議的一、五號指令。這樣，當系統(tǒng)運行時，會自動啟動驅動程序，按照接口協(xié)議的規(guī)定完成上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)通信。
4、結束語
本文的創(chuàng)新點為：利用力控組態(tài)軟件實現(xiàn)了六臺空壓機的實時監(jiān)測，工況自動切換，遠程操作與智能管理，使六臺空壓機運轉達到最優(yōu)狀態(tài)，延長使用壽命。該監(jiān)控系統(tǒng)已在礦區(qū)投入使用，兩個多月來的運行情況表明，該系統(tǒng)運行可靠，維護方便，監(jiān)控過程顯示形象直觀，不但滿足了這些關鍵設備的監(jiān)控要求，而且也保證了礦區(qū)的安全生產(chǎn)，具有直接的經(jīng)濟效益。
