1、引言

在工業(yè)自動(dòng)化程度日益提高的今天，人們對自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的人性化互動(dòng)與系統(tǒng)定義要求越來越高。要求人機(jī)對話界面簡單明了，宜于操作，實(shí)時(shí)性好，開發(fā)周期短，便于修改、擴(kuò)充、升級。因此，使得工控組態(tài)軟件成為開發(fā)工業(yè)自動(dòng)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(gòu)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(jià)比較高，售后服務(wù)好，因此獲得了一定的市場份額。

廣東某鉛鋅礦運(yùn)轉(zhuǎn)工區(qū)的空氣壓縮機(jī)組是采礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，共有六臺(tái)進(jìn)口的英格索蘭CENTAC空氣壓縮機(jī)，它的運(yùn)行穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個(gè)礦區(qū)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。因此一個(gè)功能完善、操作方便的自動(dòng)化系統(tǒng)對其整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)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(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的礦區(qū)壓風(fēng)機(jī)房計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)組振動(dòng)和溫度信號的報(bào)警、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的查詢、工況的自動(dòng)切換、設(shè)備的遠(yuǎn)程操作和管理以及系統(tǒng)運(yùn)行情況的動(dòng)態(tài)顯示等功能。

2、監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 空氣壓縮機(jī)的工作原理

礦區(qū)的六臺(tái)空氣壓縮機(jī)皆為離心式，單臺(tái)空氣壓縮機(jī)分三級壓縮，電機(jī)帶動(dòng)葉輪不停旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)濾網(wǎng)過濾之后進(jìn)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(jìn)入二級壓縮腔，一級壓縮腔中央產(chǎn)生負(fù)壓，源源不斷地吸引空氣進(jìn)入一級壓縮腔。空氣在一級、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(chǔ)氣罐，供礦井風(fēng)鉆設(shè)備采礦用。每級壓縮腔中都安裝有溫度、壓力、振動(dòng)信號傳感器，以及潤滑油溫度、壓力傳感器，對溫度、壓力、振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.2 硬件系統(tǒng)

硬件框圖如圖1所示。考慮到運(yùn)行速度和可靠性，主機(jī)采用聯(lián)想奔騰4處理機(jī)，通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，現(xiàn)場控制機(jī)為英格索蘭公司的單片機(jī)。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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，由RS232總線進(jìn)入主機(jī)。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件平臺(tái)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(gòu)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(diǎn)為：

（1） 具有實(shí)時(shí)開放數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是力控軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，構(gòu)建分布應(yīng)用系統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請求處理等，用戶可以很容易地從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獲取信息和將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到整個(gè)公司的信息系統(tǒng)中去，控制系統(tǒng)運(yùn)行。

（2） 力控可以與多種I/O設(shè)備進(jìn)行通信。目前支持的I/O設(shè)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(shè)備之間通過以下幾種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：串行通訊方式（支持Modem遠(yuǎn)程通信）、板卡方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)方式、適配器方式、DDE方式、OPC方式等。

（3） 提供報(bào)警和事件。及時(shí)將控制過程和系統(tǒng)的運(yùn)行情況通知操作人員，力控系統(tǒng)支持“過程報(bào)警”“系統(tǒng)報(bào)警”和“事件記錄”的顯示、記錄和打印。過程報(bào)警是指過程情況的報(bào)警；系統(tǒng)報(bào)警是有關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤報(bào)警以及I/O設(shè)備運(yùn)行錯(cuò)誤或故障報(bào)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(bào)警產(chǎn)生時(shí)首先由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫處理和保存，然后可由界面系統(tǒng)顯示和確認(rèn)。

（4） 提供動(dòng)畫連接。動(dòng)畫連接是指畫面中圖形對象與變量或表達(dá)式的對應(yīng)關(guān)系。建立動(dòng)畫連接后，在界面運(yùn)行系統(tǒng)中，圖形對象將根據(jù)變量或表達(dá)式的數(shù)據(jù)變化，改變其顏色、大小等外觀。

（5） 提供動(dòng)作腳本。力控提供動(dòng)作腳本以增強(qiáng)對應(yīng)用程序控制的靈活性。

（6） 提供完備的安全保護(hù)機(jī)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(gè)級別，并可根據(jù)級別限制當(dāng)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(bào)表、分布式應(yīng)用、配方、各種圖形、外部通訊、各種控件、內(nèi)置數(shù)據(jù)表、I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)等各種功能。在設(shè)計(jì)過程中，“子圖”提供了許多復(fù)雜圖片可以直接調(diào)用，“工具箱”中提供了許多繪圖工具可供使用，外部設(shè)備連接容易，編程簡單，使得整個(gè)設(shè)計(jì)過程十分容易，畫面生動(dòng)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(jī)的流程，動(dòng)態(tài)的顯示當(dāng)前的工況和運(yùn)行狀態(tài)，相應(yīng)的參數(shù)顯示在對應(yīng)的位置上，如圖2所示，使運(yùn)行管理人員能及時(shí)了解空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行情況。

圖2  實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示圖

（2） 實(shí)時(shí)報(bào)警功能 監(jiān)控系統(tǒng)對空氣壓縮機(jī)的振動(dòng)、溫度、油溫、油壓超過報(bào)警限值時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警和指示燈閃爍報(bào)警，進(jìn)行故障判斷，報(bào)警記錄。

（3） 數(shù)據(jù)庫功能監(jiān)控系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、組織和管理的核心,記錄實(shí)時(shí)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(yàn)學(xué)習(xí)等。

（4） 工況自動(dòng)切換功能 當(dāng)系統(tǒng)壓力超過用戶設(shè)定壓力時(shí)，設(shè)備由加載工況轉(zhuǎn)為卸載工況；當(dāng)系統(tǒng)壓力小于用戶設(shè)定壓力的84%時(shí)，設(shè)備由卸載工況轉(zhuǎn)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(fēng)鉆設(shè)備有穩(wěn)定的壓力。

（5） 設(shè)備遠(yuǎn)程操作與管理用戶可通過監(jiān)控系統(tǒng)對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟/停控制（設(shè)備的遠(yuǎn)程控制開關(guān)必須置為有效狀態(tài)），數(shù)據(jù)庫記錄設(shè)備的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，使長期運(yùn)行的設(shè)備交替運(yùn)行，避免某臺(tái)設(shè)備長期運(yùn)行，提高設(shè)備使用壽命。

3、組態(tài)設(shè)計(jì)

利用力控組態(tài)軟件的圖形開發(fā)環(huán)境Draw、圖形界面運(yùn)行系統(tǒng)View、分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫DB，I/O驅(qū)動(dòng)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(jī)組的總流程圖畫面和各單臺(tái)壓縮機(jī)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(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、停止工況，以及顯示幾個(gè)關(guān)鍵監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)時(shí)值。如需查看單臺(tái)壓縮機(jī)的數(shù)據(jù)，可鼠標(biāo)單擊切換到對應(yīng)的壓縮機(jī)畫面。

圖3 監(jiān)控畫面組成圖

單臺(tái)壓縮機(jī)畫面由下拉式菜單和流程圖組成。流程圖顯示的是壓縮機(jī)的設(shè)備、管道、閥門的連接情況和運(yùn)行原理，當(dāng)系統(tǒng)沒有啟動(dòng)時(shí)，整個(gè)畫面為靜態(tài)。一旦系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行，畫面上將顯示當(dāng)前設(shè)備的啟停和閥門開度，管道內(nèi)的介質(zhì)不停地流動(dòng)，同時(shí)從現(xiàn)場檢測的溫度、壓力、振動(dòng)、潤滑油溫度和壓力顯示在對應(yīng)位置，振動(dòng)數(shù)據(jù)采用實(shí)時(shí)趨勢曲線來表示。當(dāng)有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，有聲音和指示燈閃爍報(bào)警，并且彈出報(bào)警提示框和故障類型判別框，對當(dāng)前報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)后，進(jìn)行故障的排除。

管道內(nèi)的介質(zhì)不停地流動(dòng)的動(dòng)畫和報(bào)警時(shí)指示燈閃爍動(dòng)畫是通過Draw中的動(dòng)畫連接功能實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)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(dá)式建立聯(lián)系，進(jìn)入圖形界面運(yùn)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(dá)式的變化按動(dòng)畫連接的要求進(jìn)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(dá)式的變化啟動(dòng)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(shè)計(jì)了具有Windows風(fēng)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(xiàng)或子菜單項(xiàng)，可以執(zhí)行切換窗口、報(bào)警記錄查詢、顯示歷史曲線和歷史數(shù)據(jù)、打印窗口等動(dòng)作或其它自定義動(dòng)作。

3.2 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

在Draw的導(dǎo)航器中單擊“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫組態(tài)”，啟動(dòng)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是以“點(diǎn)”為數(shù)據(jù)對象來索引數(shù)據(jù)的，一個(gè)點(diǎn)由若干參數(shù)組成，系統(tǒng)以點(diǎn)參數(shù)為單位存放各種信息，即點(diǎn)相當(dāng)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)鍵字，點(diǎn)參數(shù)相當(dāng)于字段。系統(tǒng)中各檢測點(diǎn)的振動(dòng)、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(shí)，首先按照點(diǎn)類型(模擬點(diǎn)、數(shù)字點(diǎn)、累計(jì)點(diǎn)、控制點(diǎn)或運(yùn)算點(diǎn))創(chuàng)建新點(diǎn)，對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括基本參數(shù)和報(bào)警參數(shù)，并且進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，然后把已創(chuàng)建的點(diǎn)和點(diǎn)參數(shù)與現(xiàn)場的I/O設(shè)備檢測到的某一具體數(shù)據(jù)項(xiàng)建立映射關(guān)系，當(dāng)這一關(guān)系建立以后，數(shù)據(jù)庫中的點(diǎn)和點(diǎn)參數(shù)才與來自I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)源建立了一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路。當(dāng)然，數(shù)據(jù)庫與現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)通信必須通過力控提供的這類設(shè)備的I/O驅(qū)動(dòng)程序來完成。當(dāng)數(shù)據(jù)庫需保存點(diǎn)參數(shù)值的變化過程形成歷史數(shù)據(jù)時(shí)，就必須進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)組態(tài)，指定哪些點(diǎn)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(dāng)數(shù)據(jù)的變化超過多少比例時(shí)，才記錄這一變化)和保存時(shí)間。

數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建好之后，則可將點(diǎn)參數(shù)與趨勢或歷史報(bào)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化過程。力控中的趨勢、歷史報(bào)表都是以標(biāo)準(zhǔn)圖形的形式給出的，開發(fā)者需要對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.。趨勢中的參數(shù)包括時(shí)間范圍、掃描周期、數(shù)值范圍、數(shù)據(jù)源等，歷史報(bào)表中的參數(shù)則包括報(bào)表的起始時(shí)刻、時(shí)間范圍、時(shí)間間隔、數(shù)據(jù)源、變量等。

3.3 工況自動(dòng)切換

為了自動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的加載工況和卸載工況的互相切換，使用力控組態(tài)時(shí)運(yùn)用條件動(dòng)作，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過用戶設(shè)定壓力時(shí)，遠(yuǎn)程加載離散量置0，遠(yuǎn)程卸載離散量置1，設(shè)備由加載工況轉(zhuǎn)為卸載工況；當(dāng)系統(tǒng)壓力小于用戶設(shè)定壓力的84%時(shí)，遠(yuǎn)程卸載離散量置0，遠(yuǎn)程加載離散量置1，設(shè)備由卸載工況轉(zhuǎn)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(fēng)鉆設(shè)備壓力穩(wěn)定。

3.4 設(shè)備遠(yuǎn)程操作與管理

為了減輕運(yùn)行管理人員的勞動(dòng)量，系統(tǒng)能通過上位機(jī)對設(shè)備的啟停進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要定義設(shè)備啟停狀態(tài)和加載卸載狀態(tài)的開關(guān)型變量，通過通信接口將這些變量與現(xiàn)場控制單片機(jī)相應(yīng)的地址連接。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同的工況要求，當(dāng)現(xiàn)場控制機(jī)的遠(yuǎn)程控制開關(guān)置為有效時(shí)，用腳本對設(shè)備啟停和加載卸載的變量賦值1或0，就可以完成遠(yuǎn)程啟停控制和加載卸載工況切換。當(dāng)設(shè)備檢修時(shí)，系統(tǒng)則關(guān)閉此功能，由維修人員直接在現(xiàn)場控制。為了延長設(shè)備的使用壽命，通過累計(jì)各設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)行選擇性地啟動(dòng)或停機(jī)，加載時(shí)，啟動(dòng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的設(shè)備；卸載時(shí)，關(guān)閉累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的設(shè)備，則使各設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間平衡。

3.5 通訊接口設(shè)計(jì)

下位機(jī)為單片機(jī)，通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，對基本通訊模塊編址和通信參數(shù)設(shè)置后，由于力控支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，在力控導(dǎo)航器“I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)”項(xiàng)目下找到相應(yīng)的Modbus協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序，雙擊激活設(shè)備配置對話框，進(jìn)行設(shè)備地址及相應(yīng)通訊參數(shù)的設(shè)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(shí)間的設(shè)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(diǎn)參數(shù)與單片機(jī)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(diǎn)參數(shù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信鏈路。讀取模擬量時(shí)使用Modbus協(xié)議的三、四號指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停和加載卸載等離散量賦值操作時(shí)使用Modbus協(xié)議的一、五號指令。這樣，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序，按照接口協(xié)議的規(guī)定完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

4、結(jié)束語

本文的創(chuàng)新點(diǎn)為：利用力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了六臺(tái)空壓機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，工況自動(dòng)切換，遠(yuǎn)程操作與智能管理，使六臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)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(gè)多月來的運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，監(jiān)控過程顯示形象直觀，不但滿足了這些關(guān)鍵設(shè)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(jì)效益。