数据采集与监视控制（共4篇）
数据采集与监视控制 篇1
0 引言
随着当今居民住宅小区、厂矿车间、店房门面等用电场所的自动化、现代化、智能化发展, 传统的人工抄表、手工输入、逐条核算、挨户收费的方法已不符合现代电力管理人员精简、高效集成、方便迅捷、采核准确等高标准要求[1]。另外, 电能计量中的“防窃电”问题也是电力部门长期下大力气治理的问题。窃电的技术和装备也在“日益进步”, 大量的窃电、漏电行为不仅扰乱了电力企业的正常运营, 造成其大量损失, 而且造成了用电紊乱, 甚至引发大面积停电、火灾、爆炸等安全隐患。基于以上问题, 本文有针对性地提出了基于无线采集与监视的自动抄表系统, 并在当前普遍应用的自动抄表系统进行优化改进, 以期更好地实现电能计量的采集和监视功能。
1 电能计量的无线采集与监视系统组成
1.1 远程自动抄表系统
远程自动抄表系统是将网络、微电子、计算机、通信等技术高度集成, 通过远程控制实现数据传输、信号采集、数据转换、参数计量、分析诊断、故障处理等功能, 该系统有抄收迅捷、核计精准、实时同步、便于拓展等优点。采用远程自动抄表系统可以大幅精简人员、降低误差, 并能实时监控线路损耗。
由于当今的配电网络趋于结构复杂、数据繁冗、分布散乱, 因此, 通信环节的稳定畅通是保证系统可靠运行的基础。目前常用的通信方式包括:无线电、电话线、载波和光纤, 然而无线通信所涉及的频率申报、载波技术、费用过高等问题严重阻碍了远程抄表的实现。
近年来GPRS网络覆盖面大幅扩展, 目前已形成遍及全国的辐射网络, 其高效、便捷、低耗、经济等特点可以为电力部门所用, 实现远程自动抄表以及监控工作。
1.2 图像监控系统[2]
图像监控是各行业广为关注和研究的重点技术, 它以界面形象直观、信息丰富具体、对话简单容易被广泛应用。通过分析监控所实现的目的及其所应用的环境和条件, 综合设置并集成涉及图像的采集、处理、传输、管理、控制等相关元件设备, 使其形成有机统一整体。
由于通过图像获取信息较为直观、形象、生动, 再加之很多场合由于客观条件限制, 不便或者无法直接获取作业现场的相关信息, 此时, 图像监控系统就成为延伸的“眼睛”帮助人们进行观察和监控。
图像监控系统主要用于对目标景物进行实时监视和控制, 其中核心控制元件用于精准、全面、如实地再现图像, 通过控制、调节、完善, 以求达到高质高效的图像质量。另外, 大多场合需要将监视过程和图像、影像资料进行截选或者全部进行存录, 便于以后参考和查阅, 目前已有许多先进的处理软件和存储硬件广泛应用, 帮助解决了这一难题。
1.3 GPRS网络技术
GPRS (即通用分组无线业务) 是在GSM系统基础上引入新的部件而构成的第2.5代移动通信系统, 主要用于在移动终端和Internet结点之间传输分组数据。GPRS作为一种分组交换系统, 特别适用于时断时续、无规律突发、少量而频繁以及不时的大量数据传输。
2 现有系统技术组成及其不足和改进方向
2.1 现场总体构成
电能计量的无线采集与监视系统的组成及其功能罗列如下, 其组成包括电表、采集器、集中器、GPRS模块、监控中心、上位机终端等, 各组成部分功能如下:
(1) 电能表数据采集终端, 用于进行用电计量和数据采集。
(2) 现场单元由摄像 (负责捕获窃电现场的图像证据) 、通信 (负责与GPRS进行网络通信) 、控制 (负责总体控制协调) 3个模块组成。
(3) GPRS网络作为串联整个系统的媒介, 负责信息、语音、IP、X.25等数据的传输和接发。
(4) 控制终端负责数据信息的接收、分析、处理以及指令的编制、确认、发送。
(5) 管理中心是操作终端, 用于操作人员对现场情况进行实时监控, 并对各种数据进行管理。
2.2 现场单元组成
现场单元各组成部分如表1所示, 结构框图如图1所示。
2.3 现有系统的不足及改进方向
虽然目前实际应用的系统可以在一定程度上实现既定功能, 但还有一些方面需要完善和改进, 现将其罗列如下:
(1) 大多系统遵循ABB协议, 造成国产电能表“水土不服”, 以下将对此进行改进。
(2) 大多系统采用电子邮件方式发送现场单元获取的数据, 但在实际应用中常会出现服务器繁忙、数据不畅、邮箱满溢等现象, 需要对无线通信模块的数据传输方式进行改进。
(3) 缺乏参数设置的人机界面。在用的系统虽然也可在一定程度上实现操作界面的人机交互, 但一些参数的设置需要修改参数并将其通过仿真器下载到单片机芯片中, 这就需要就这一问题进行改进, 在操作界面实现参数设置功能。
(4) 由于现场单元需要完成AC-DC转换, 同时考虑到外部接入可达性以及断电时系统工作持续性等问题, 应在现有系统中进行设置, 解决这3方面问题。
3 系统优化改进
3.1 多功能电能表通信协议DL/T645
DL/T645标准适用于本地系统, 通过设置并规定电能表的费率装置的数据交换方式中的物理连接、通信链路及应用技术规范等进行制定。
该标准是参照国际标准IEC关于本地和总线之间数据通信的有关内容, 同时结合我国电力系统多功能电能表使用中的实际情况编写的, 协议各层级及其构成和原则如表2所示。
3.2 无线通信模块的Socket通信
本系统采用的无线通信模块是内嵌TCP/IP协议的GPRS Modem, 它包括GPRS模块 (采用工业级的西门子MC35) 和IP (内嵌TCP/IP协议栈) 模块2部分, 这2个模块之间彼此独立。
要实现Socket通信, 管理中心必须具有公网IP地址及相应的服务器软件, 首先要实现内网IP服务器建设, 本系统通过端口映射程序, 将网关的一个端口映射到本机的一个端口, 在网关上执行端口映射软件如图2所示。
3.3 人机界面的软件设计
参数设置的程序包括管理中心上执行的VB程序和现场单元上执行的汇编程序2部分, 一般通过RS232串口实现管理中心和现场单元的通信, 完成现场单元参数的设置。
在参数设置之前, 现场单元和管理中心的串口需要进行事先连接, 在管理中心中选择好串口并按要求设置VB程序参数。
3.4 电源的改进
为了便于AC-DC转换以及设备选配, 在原有系统基础上内设了DC电源, 对外提供AC220接口。另外, 为了保证在停电情况下系统依然能够正常运转, 内设一个备用电源, 主备用电源工作情况如图3所示。
当AC220 V正常供电时: (1) U1输出12 V, 经U2输出9V, JP1常开闭合接通备用电源进行充电; (2) 12 V经U3、U4连续转换, 输出3.3 V电压为单片机供电。
当停电的时候, U1停止工作, JP1常闭闭合, 则备用电源通过U3、U4连续转换, 输出3.3 V给单片机供电。
3.5 现场单元改进
现场单元电源模块将AC220 V转换成DC12 V, 所配置的备用电源负责在停电状态下为现场单元提供电源;无线通信模块负责在GPRS网络上进行数据传输;摄像模块和感应模块用于感应启动照相。
现场单元安装使用时必须注意以下几点: (1) 现场单元的感应模块和摄像模块应正对要监视的区域, 并且应选择合适的高度; (2) 现场单元的安装位置必须在中国移动通信公司的GPRS网络覆盖范围内; (3) 确保接好天线的接头; (4) 用电现场的电能表应是具有RS485接口的全电子式电度表; (5) 现场单元机壳应在安装现场可靠地接地。
4 结语
本文在对电能计量采集与监视系统的应用现状、结构组成及不足之处进行分析的基础上, 着重从4个方面进行了优化改进, 有针对性地解决了这4个方面的问题, 希望可以为工程实践提供一定的参考。
摘要：在对电能计量采集与监视系统的应用现状、结构组成及不足之处进行分析的基础上, 着重从通信协议、数据传输、人机界面、电源系统4个方面进行了优化改进, 有针对性地解决了这4个方面的问题, 可为此方面的应用研究提供参考。
关键词：电能计量,无线采集,监视,优化
参考文献
[1]白海成.学生公寓智能电能管理系统的设计与实现[D].大连理工大学, 2005
[2]张胜.电能计量终端的远程实时监视[J].电力系统自动化, 2006, 30 (22)
数据采集与监视控制 篇2
一、电能计量的无线采集
该系统主要由电能表 (全电子式) 、现场单元、GPRS网络、控制终端 (手机) 和管理中心等五个部分组成。在进行无线采集, 会通过数据网络接口, 结合设备驱动程序, 进行系统操作, 在进行处理时, 还要利用电缆的物理接口, 接着由网络层负责寻址, 寻找数据, 通过路由器, 完成在网终中的活动。
电能计量的无线采集系统设计, 其主要的功能体现在三个方面:一方面, 编辑记录, 定位要修改的记录使之成为当前记录, 调用Edit方法, 给各字段赋值, 调用Update方法, 确定所做的修改。另一方面, 可以增加记录, 即调用Add New方法, 调用Up date方法, 给各字段赋值, 确定所做的添加, 将缓冲区内的数据写入数据库。第三方面, 主要是删除记录, 在经过系统定位的条件下, 将已经被删除记录, 变为当前记录, 调用Delete方法;移动记录指针。
在采集系统运行时, 其通过电能计量, 将由发电厂、输电线、配电系统及负荷组成的数据信息, 由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备, 传送到操作系统。
在电力网络中电压分布中, 取用电设备的额定电压为线路额定电压, 使所有设备能在接近它们的额定电压下运行, 线路始端电压为额定电压的105%;发电机的额定电压为线路额定电压的105%, 通过变压器分升压变和降压变一次侧电源, 进行二次侧接负荷, 所得到的数据取二次侧额定电压等于线路额定电压。另外, 系统将用电设备的额定电压, 直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压, 连接线路始端, 向负荷供电, 应比线路的额定电压高5%, 加上变压器内耗5%, 然后通过线路末端, 向负荷供电的数据, 就可以通过系统传输过来。
二、电能计量的监视系统性能分析
电能计量是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。如何保证正常、稳态运行时的电能质量和经济性问题, 是我们考虑的重点问题之一。其主要优点是能够深入研究系统状态, 失稳距离和机理低CPU适合于多事件/状态的研究。
大量的规划和运行研究, 并且可以进行在线分析;但是其存在的缺点就是没有时间轨迹, 需对模型进行假设或简化, 注意保证模型的基本特性, 有时难以预测失稳的特性 (快速的控制和非线性环节的影响) , 因此, 就需要电能计量的监视系统来完成。
首先, 对于多电压级网络监视系统, 其主要是应用等值电路模型时, 所有参数和变量都要作电压级归算, 并且通过等值变压器模型时, 进行所有参数和变量可的归算。在系统中, 还需要电力网络特性计算所需的原始数据, 结合用户变电所的负荷功率及其容量, 将电源的供电电压和枢纽变电所的母线电压以及绘制等值电路所需的各元件参数进行处理, 从中通过监视系统, 发现相互之间的关联、关系等。
其次, 要根据网络接线图以及各元件参数计算等值电路, 并将等值电路简化, 以采集系统中所已知的负荷功率和网络额定电压, 从受电端推算到送电端, 逐一近似计算各元件的功率损耗, 求出各节点的注入和流出的功率, 从而得到电力网络的功率分布。但是在这个过程中, 要注意的一点通过监视系统, 由于只计算功率分布和电压分布, 因此, 若要计算结果达到精度要求, 可反复上列步骤, 形成一种迭代算法, 直到精度满足要求为止, 只是在迭代计算中, 第二步不再用额定电压, 而用在上次计算中得到的各点电压近似值进行计算。
第三, 对于报警时间, 其主要有两组16位报警时间, 频率事件设置寄存器, 用于设置报警时间或频率事件, 它们由INT-x-AE与INT-x-FE控制。设定的标志位24小时对应。因为, 对于电能计量本身而言, 其必须要经济调度, 而在经济调度时, 第一个问题就是研究用户的需求, 即进行电力负荷预测, 按照调度计划的周期, 可分为日负荷预测, 周负荷预测和年负荷预测。不同的周期的负荷有不同的变化规律:
第一种变动幅度很小, 周期又很短, 这种负荷变动有很大的偶然性。
第二种变动幅度较大, 周期也较长, 属于这种负荷的主要有:电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷变动。
第三种变动基本上可以预计, 其变动幅度最大, 周期也最长, 是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。
其中, 负荷预测的精度直接影响经济调度的效益, 提高预测的精度就可以降低备用容量, 减少临时出力调整和避免计划外开停机组, 以利于电网运行的经济性和安全性。负荷预测, 在安全监视过程中的超短期负荷预测, 要通过操作系统, 完成日调度计划、周负荷预测、年负荷预测以及规划电源和网络发展时需要用1-20年的负荷预测值。
第四, 在监视系统中, 系统会根据负荷变化, 将电能计量的有功功率和频率调整大体上也可分为:一次调频:由发电机调速器进行;二次调频:由发电机调频器进行;三次调频:由调度部门根据负荷曲线进行最优分配。前两种是事后的, 第三种是事前的。一次调频是所有运行中的发电机组都可参加的, 取决于发电机组是否已经满负荷发电。这类称为负荷监视。二次调频是由平衡节点来承担, 对于非故障处电流, 如果电压一般不满足边界条件, 需要由监视系统进行计算:一、计算参数, 作出正、负、零序网, 二、由复合序网及序电压方程求得故障处的各序电流、电压;三、在各序网中求非故障处的序电流、序电压;
三、合成得到非故障处的各相电流、电压。
第五, 在电能计量中, 稳定性和安全性的判断依据, 其中, 对于稳定的判断依据, 是以不同的事故可以有不同要求, 也可以结合三者确定安全运行极限, 而安全性判断, 则是根据所有事件的稳定裕度大于某些无功源的储备在一定的范围内, 对于电压判据和对电压的控制策略, 主要是通过监视, 结合电能计量的动态问题, 在时间和区域上进行划分, 在区域上, 一般划分为:模型合理性和参数的合理性, 合理的稳定指标, 主要是通过线性物理量来确定, 结合参数灵敏度作好进一步分析。
结语
本系统具有成本低、体积小、操作方便、无需建网和网络维护、通信费用少
等优点, 基本上能满足电力部门抄表的要求。随着综合自动化技术的不断提
高, 自动抄表的功能不断更新和增强, 相信通过实践使用, 系统不断发展完善,
能够更好的适应今后的发展, 在生产中发挥更大作用。今后的研究工作还可以从
以下几个方面展开:
1不断增强系统的功能, 对通讯协议的兼容性和可扩充性进行充分考虑。现场单元和管理中心软件设计上还需进一步优化, 提高可操作性, 为用户提供简便、易操作的界面。例如, 参数设置界面还要完善。
2系统的可扩展性需增强。目前在软硬件设计中只对电能表应用, 对水表、气表和其它类型的计量工具尚未提供接口。下一步的开发中应对系统的扩展性做进一步研究, 使系统的适用范围更广
摘要：多功能电子式电能表的应用, 有效促进了电力系统的发展。本文主要针对电能计量的无线采集与监视系统性能分析进行了简单分析和探讨。
关键词：电能计量,无线采集,监视系统,性能,分析
参考文献
[1]邬佳奇.无线电能远程抄表监测终端的设计与研究[D].辽宁工程技术大学, 2010.
[2]宇文肖娣.电力用户用电信息采集系统的研究与应用[D].华北电力大学 (北京) , 2011.
[3]刘世宇.智能仪器监控程序设计研究[D].重庆大学, 2008.
[4]冯洋.下水道可燃性气体预警系统关键技术研究[D].重庆大学, 2009.
数据采集与监视控制 篇3
隔离开关的主要作用是将用电设备与高低压电源进行隔离, 以保证对设备和线路进行安全检修。是一次回路当中不可缺少的重要元件。它具有以下特点:断开后有明显可见的断开间隙, 而且断开间隙的绝缘及相间绝缘都是足够可靠的, 以充分保证设备检修时的人身安全。但是隔离开关没有专门的灭弧装置, 因而不允许带负荷操作 (即隔离开关合闸时应先合隔离开关再合相应断路器;隔离开关跳闸时应先断断路器后断隔离开关) 。
隔离开关的控制电路的构成原则如下:
(1) 为了防止带接地合闸, 其控制回路要受相应接地刀闸的闭锁, 以保证在接地刀闸合闸的状态下不能操作隔离开关。
(2) 由于隔离开关本身没有灭弧装置, 所以其控制回路必须受相应的断路器的闭锁, 以保证电气操作的规范性 (即不能在断路器合闸状态下操作隔离开关) 。
(3) 完成操作后应能自动切除操作脉冲。
(4) 应设置相应的位置指示信号。
隔离开关的操作机构一般可分为电动、气动和电动液压操作三种形式, 因此相对应的电气控制回路也有三种形式。设计时应首先确定各个隔离开关的闭锁断路器;然后应考虑到可能存在的相应接地刀闸的互锁;再次应考虑到相应隔离开关的终端开关的影响。根据以上原则, 分别设计隔离开关与母线监控的控制回路如下:
1隔离开关的控制回路设计
对于隔离开关来说, 其控制回路基本相似, 只不过是相应的闭锁回路的闭锁元件不一样而已, 如图1所示为隔离开关QS1的控制回路, 之中QF3为隔离开关QS1的闭锁断路器;QSE1为可能存在的相应的接地刀闸;SB1、SB2为合、跳闸按钮;K1、K2为相应的自动合跳闸继电器触电;YC、YT为合跳闸线圈;S1、S2为合跳闸终端开关;P为隔离开关QS1的位置指示器。
(1) 手动合、跳闸操作
隔离开关合闸操作时, 相应的闭锁断路器QF3跳闸, 其辅助的常闭触点处于闭合状态;接地刀闸QSE1在断开位置, 其辅助常闭触点闭合;隔离开关QS1在跳闸终端位置, 其辅助常闭触点闭合, 跳闸终端开关S2闭合, 此时按下按钮SB1, 合闸线圈YC带电, 隔离开关进行合闸, 并通过YC的辅助触点自保持, 使隔离开关合闸到位。
隔离开关跳闸过程类似。
(2) 自动合、跳闸操作
自动合、跳闸操作由相应的自动装置触点K1和保护装置的出口继电器触点完成。
(3) 隔离开关的电气闭锁电路
图示中, YA1为隔离开关QS1的电磁锁开关, QF3为其闭锁断路器。断开线路时, 首先应断开断路器QF3, 使其辅助常闭触点闭合, 此时负电源接至电磁锁开关YA1。通过电钥匙带开隔离开关QS1的电磁锁开关, 拉断QS1后再取下电钥匙, 使QS1锁在端来位置。这样就避免了误操作的发生。
隔离开关的控制回路如下:
2母线监视回路的设计
母线电压绝缘监视系统。其详细设计图如下:
图中, TV为电压互感器, SA为电压转换开关, PV为电压表, KV是电压继电器, KS为信号继电器, WC是控制小母线, WS为信号小母线, WFS是预告信号小母线。
在本设计中, 电压互感器TV接成开口三角型的二次绕组, 从而构成零序电压过滤器。在系统正常运行时, 开口三角的开口处电压接近于零, 继电器不动作。当一次电路发生接地故障时, 将在开口三角的开口处出现零序电压, 使电压继电器动作, 进而发出报警的灯光信号和音响信号。
参考文献
[1]何永华.发电厂及变电站的二次回路[M].北京:中国电力出版社, 2007.
数据采集与监视控制 篇4
随着计算机技术的快速发展,自动控制技术日新月异。以PLC为基础的自动控制系统的设计从以往的上位机系统与下位机系统分别设计的方式逐渐转变成在集成的自动自动化软件平台下完成组态、编程工作,以此为代表的是西门子自动化软件平台TIA的推出,这种转变使各行业自动控制系的设计开发和集成更快捷简便与可靠,在钻机装备制造中也不例外。本文讨论利用博途软件完成钻机绞车模块的控制系统设计,提高钻机制造效率的方法。
博途软件是西门子最新一代自动化框架软件,是西门子集成自动化系列所有用于工程、编程、和调试自动化设备和驱动系统的基础[1,2]。与以往版本按任务独立的自动化软件如Step7、Win CC、Win CC Flexible等软件不同,全新的TIA平台采用统一的工程组态和软件项目环境,几乎适用于所有的自动化任务,让用户节省大量时间,体现了其高效、易用的特点。本文主要使用博途的Step7和Win CC模块。
1 绞车的硬件结构与控制原理
绞车是钻机八大件之一,也是钻机八大系统中起升系统的主要设备。绞车是集机械、电气、液压为一体的机械传动设备。在钻机中主要承担旗下钻具、控制钻压、处理卡转、下套管、起放井架、底座等作用。绞车的主要部件包括滚筒轴、制动机构、传统系统、控制系统、润滑系统、支撑结构、和动力装置[3]。目前钻机市场主流是采用交流变频电驱动绞车。其动力装置一般采用两台交流变频电机、传动机构采用齿轮变速箱,根据钻机具体要还可以选配送钻电机以满足钻井工艺。绞车大致原理和结构如图1、图2所示。
交流变频电驱动绞车由交流变频电动机经连轴器同步将动力输入齿轮减速箱输入轴,动力经过经齿轮箱耦合后由齿轮减速后传递到主滚筒轴。制动装置与滚筒主轴相连,实现绞车刹车、悬停等功能。绞车的调速完全由控制系统通过控制变频器实现变频调速以及扭矩的控制,本文则主要讨论绞车主电机的传动控制。
1.1 绞车主回路
绞车主回路电路与原理如图3所示,其中变频器采用ABB公司的ACS800系列变频器。ABB变频器整流模块将交流母线上的交流电转化成直流母排上的直流电源。逆变器将直流母排上直流电转换成频率可控的交流电源并分别输送给各个变频电动机[4]。另外直流母线上的制动斩波器和制动电阻构成直流回路。绞车下放钻杆的时候产生回升电能,制动电阻则通过该直流回路吸收这些回升电能,起能耗制动的作用。
1.2 绞车控制网络
绞车控制系统是钻机控制系统的一部分,所以绞车的控制网络的设计不仅要结合钻机的控制系统整理设计,同时还需要考虑绞车传动控制的特殊要求。如图4所示,钻机一般采用典型的三层工业控制网络。最顶层为人机交互层,主要实现在线监视与控制等功能。中间是PLC站点与各种控制模块,主要完成信号采集与运算任务,实现设备控制逻辑等功能。最底层是各种传感器、执行器等模块,是控制网络的现场设备。其中最顶层由工控机和触摸屏等组成在线监视与控制网络。触摸屏可以实现在线监视和多点控制功能,工控机则完成参数曲线监视以及变量归等功能。上层网络要求高通信速率和较高的可靠性,一般采用以太网通信,可保证较远的传输距离与可靠性。
PLC与现场设备之间的现场总线网络则要求良好的抗干扰性能和较高的通信速率,同时还要考虑系统兼容性、成本、以及钻机控制系统整体要求。而Profibus、moudleb us、Profinet网络是钻机种最常用的几种现场总线控制网络。其中Profibus DP网络以优良的可靠性、较高的通信速率、良好的市场普及兼容性和低成本成为首选。如图4所示,PLC与变频器的通信模块通过Porfibus DP网联系在一起组成底层通信网络。
绞车电传动系统中两台绞车变频电机的动力在齿轮减速箱中耦合后输出到滚筒主轴,在不同的钻井工艺中有时需要双电机工作以提供尽可能大的扭矩,有时需要单电机工作以达到节能的目的。在双电机工作时连个电机功能分担滚筒扭矩,这个过程是由ABB变频控制器实现的。ABB变频器之间通过变频器的ROMI光纤通信模块完成各耦合电机之间的传动参数的传输,使各个电机协调完成扭矩与速度的控制。这样得益于变频器的强大功能,各个电机都能快速响应各自的负载和速度变化,而且还大大减小了PLC的程序复杂程度。
1.3 PLC选型
PLC是下位机的控制核心,其选型的依据主要包括系统输入输出点规模、数据计算规模、所需CPU运算速率等。市场上PLC一般分为小型PLC其I/O点数在256点以下,中型PLC其I/O点数介于256至2048之间,和大型PLC其点数大于2048。钻机控制系统输入输出点数在大约在1000以下,因此选用中型PLC。本文所涉及的绞车控制系统选用西门子出品的S7315型PLC,其运算性能优良而且CPU带以太网接口与可配置的Profibus DP网接口。
1.4 上位机系统
如1.2节所述,上位机监控系统由工控机和触摸屏组成。工控机监视软件采用Win CC Runtime,触摸屏采用西门子Multi Touch系列触屏。触屏可以实现多点监控功能,而工控机主要完成数据归档等功能[5]。
2软件编程
软件编程分两部分,一部分为PLC编程,另一部分是为触屏或工控完成人机交互界面(HMI)。前者使用TIA的Step7模块完成后者用TIA的Win CC模块完成。
STEP7是用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的Win AC的编程、监控和参数设置,是SIMATIC工业软件的重要组成部分。博途软件下集成的Step7组价不仅支持新系列PLCS7-1200、S7-1500,对300400系列PLC完美兼容,在硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等方面的功能更强大、界面更直观和人性化。
SIMATIC Win CC(Windows Control Center)—视窗控制中心(简Win CC)是最常用的HMI软件之一,Win CC以其卓越的使用性能已然成为市场的领导者。目前常用的工控机HMI组态采用SIMATIC Win CC,触屏HMI组态采用Win CC Flexible,在博途中SIMATIC Win CC Professional组件具备所有HMI功能,包括SMATIC Win CC Basic、SMATIC Win CC Advance、SMATIC Win CC professional可完成所有触屏和工控机的HMI编程。
2.1 设备和网络组态
首先在博途软件里按照设计方案完成设备组态。在博途软件的设备与网络视图中添加相应的设备,然后配置正确的网络连接。相关信息如图5所示,上层工业以太网需为每个设备配置正确的IP地址,线场层Profibus DP网络需配置正确的站点地址、波特率。须注意在设备与网络视图中添加工控机站点时不仅需添加工控机设备,还要添加以太网卡设备与应用软件Win CC RT Professional作为工控机选配模块。对于变频器站点,只需添加变频器通信模块,在此之前还需要先安装变频器厂商提供的相应设备的GSD文件,最后在变频器站点配置所需要的PPO消息字段。PPO消息字段是PLC通过总线网络与各通信站点进行信息交换的I/O地址段。
2.2 下位机PLC编程
完成设备和网络组态后在项目树的设备标签下可以找到所所添加的PLC站点。站点里包含该PLC站点的程序块、数据库、变量表、工艺对象等所有相关数据。编程前首先根据程序流程图规划所需的主要数据,在程序块文件夹下建立相应的数据块。程序块文件夹下建立所需的函数模块FB或FC。博途提供多种编程语言,包括梯形图LAD、功能块FBD、语句表STL或SCL语言,可以实现使用两种以上的语言混合编程。博途软件采用块文件夹对程序块和数据块进行管理,提高了程序的管理效率与可读性。
2.3 触屏编程
与PLC站定相似,每个触摸屏的工程文件都包含在站点文件夹内,每个触屏站点下包含画面、HMI变量、连接、脚本、报表等文件夹。在画面文件夹下便新建HMI画面,组态按钮、I/O域、文本域、图形域等控件。对于触屏HMI变量的使用,可以直接从PLC站点下的DB块、变量表中用鼠标拖拽到画面里或HMI变量表里,系统会在该站点下自动为变量添加正确的网络连接,使下位机系统与上位机系统的衔接、集成更方便。最后再根据需要完成脚本程序代码,触屏HMI可以使用VB脚本实现上位机控制功能和计算任务。
2.4 工控机编程
工控机站点下的HMI Run Time模块下包含工控机HMI工程文件,与触摸屏站点相似。除在脚本程序方面,Run Time功能更强大,不仅支持VB代码还支持VC代码。其余的编程方法也与触摸屏完全相同。
3 实验室调试验证
调试前应首先检查硬件设备并按照设计原理检查电路,正确无误后给系统合闸上电,并按一下步骤进行调试验证。
1)从操作面板为各变频器配置正确的参数。主要包括:(1)Profibus通信参数如地址、波特率、PPO类型、以及PPO字段中的参数指针和用于主从传动应用的光纤通信参数等;(2)电机传动参数并包括进行电机辨识,如电机额定电压、额定电流、功率、功率因数等;(3)其他必要的应用参数,如电机的主从耦合应用参数组。
2)下载PLC程序至CPU,并用博途软件在线调试功能,排除程序逻辑错误。
3)下载HMI程序至触摸屏,并在线调试排除逻辑错误,和运行Win CCRun Time排除工控机HMI程序的逻辑错误。
其中对于电传动系统中电机的主从应用,主从电机的典型耦合方式包括齿轮耦合、链条耦合、皮带轮耦合。前两者属于刚性耦合,适宜采用扭矩控制模式、第三种属于柔性耦合适宜采用速度控制模式。对于绞车电传动系统,如上文所述绞车电机A和绞车电机B通过齿轮耦合,所以需配置从机变频器参数组为扭矩控制模式。
对于主电机和从电机的主控字工作方式又有独立控制、从属控制、混合方式。独立控制是指主、从电机变频分别从现场总线拾取PLC发送的主控字与给定值。从属控制方式是指PLC只为主机发送主控字与给定值,从机的控制字和给定由主机通过光纤链路发送至从机。混合方式则介于两者之间,从机的控制字由PLC与主机的控制字组合而成。三总方式可根据具体控制需求随意选择,并通过配置变频器的主从应用参数组实现。
4 结束语
本文以钻机绞车系统为对象,采用西门子博途软件为自动化平台,实现了绞车控制系统的集成化设计、编程、调试。调试过程表明采用TIA集成自动化软件具有很多优点。博途软件具有友好的人机界面,统一的项目平台有利于项目文件的集成管理,提高了工程文件管理效率。博途是一个自动化集成平台,它有利于技术人员调高开发效率、方便交流,使技术人员以最少的变量连接实现最优化的设计。尤其是博途软件采用统一平台使Step7与Win CC之间无缝连接,所有的变量只需要输入一次不仅大大减少了工程组态时间、降低了成本,同时这种集中的数据管理机制让还减小了错误的风险。博途软件对于新老型号的自动化设备具备良好的兼容性。可以看出集成化的自动化组态软件是自动化的发展方向。利用如像博途这种集成自动化软件完成工程项目能大幅提高效率,节约成本。
参考文献
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