基于觸摸屏的天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 基于觸摸屏的天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)design of smart monitoring system based on touch screen for natural gas pressure regulating station 基于觸摸屏的天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要該設(shè)計(jì)主要是關(guān)于天然氣調(diào)壓站的工作原理及由西門子公司開發(fā)的s7-200plc芯片和hitech觸摸屏實(shí)現(xiàn)的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)壓站關(guān)鍵部位的壓力、壓差、閥位和流量等主要參數(shù)，在友好的觸摸屏人機(jī)界面上及時(shí)反映天然氣調(diào)壓站的實(shí)際工作狀況，并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保供氣系統(tǒng)安全、穩(wěn)定及高效運(yùn)

2、行。研究了如何實(shí)現(xiàn)友好人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)主菜單、數(shù)據(jù)顯示、動(dòng)作控制、時(shí)間設(shè)置和參數(shù)設(shè)置等界面。而且系統(tǒng)可以通過本地觸摸屏和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)兩種方式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并為上位機(jī)預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)的modbus通信接口，便于系統(tǒng)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化控制和管理。關(guān)鍵詞觸摸屏；可編程序邏輯控制器；監(jiān)控系統(tǒng)；天然氣調(diào)壓；人機(jī)界面design of the monitoring system based on natural gas regulator station smart touch screen abstract：the design is implemented on the working principle of

3、the natural gas regulator station and developed by siemens s7-200plc chip and hitachi touch screen intelligent monitoring system. the main parameters of the system by real-time monitoring of pressure regulating stations for key parts of the pressure , differential pressure , valve position and flow

4、reflect the actual working condition of the natural gas regulator station in time for the friendly touch screen interface , and the role of real-time adjustments to the implementing agencies to ensure safe, stable and efficient operation of the gas supply system . examining how to achieve a friendly

5、 man-machine interface design , and design of the main menu , the data show that the motion control, time setting and parameter setting interface . and the system can be two ways for the local touch screen and remote network for real-time monitoring and reserved for the host computer with standard m

6、odbus communications interfaces for remote network control and management .key words: touch screen; plc; monitoring system; natural gas regulator; man-machine inter 目 錄1 引言11.1 課題背景以及意義11.2 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12.2 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件組成部分22.3 監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)部件的連接設(shè)置42.3.1 通信電纜的制作42.3.2 電腦與觸摸屏的連接52.3.3 觸摸屏與plc連接

7、53 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.1 西門子s7-200 plc芯片的i/o端口分配73.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)觸摸屏操作界面設(shè)計(jì)73.2.1 選擇編譯軟件adp6.073.2.2 觸摸屏界面的設(shè)計(jì)方法73.2.2 系統(tǒng)的操作界面具體設(shè)計(jì)83.2.3 人機(jī)界面的總體功能結(jié)構(gòu)93.2.4 主要功能界面設(shè)計(jì)93.3 s7-200 plc芯片通信協(xié)議（modbus協(xié)議）133.3.1 modbus協(xié)議應(yīng)用（主從模式）133.3.2 modbus協(xié)議概述133.3.3 通信協(xié)議設(shè)置134 主要的抗干擾措施144.1 抑制電源系統(tǒng)引入的干擾144.2 正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)154.3 觸

8、摸屏的抗干擾措施15結(jié)束語16參考文獻(xiàn)17致謝181 引言1.1 課題背景以及意義天然氣調(diào)壓站是城市天然氣輸送系統(tǒng)的核心之一，而天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)是天然氣調(diào)壓站的重要組成部分。集中監(jiān)控與管理天然氣輸送系統(tǒng)的各項(xiàng)壓力參數(shù)指標(biāo)在整個(gè)系統(tǒng)中占著極其重要的地位。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普遍應(yīng)用，天然氣調(diào)壓目標(biāo)的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控也成為天然氣調(diào)壓站的一個(gè)重要方向。良好的監(jiān)控系統(tǒng)可以極大地降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，提高天然氣供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性1。 可編程邏輯控制器(plc)和日立觸摸屏應(yīng)用在天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)中2，其穩(wěn)定性及抗干擾性相對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，體積小、使用方便、便于維護(hù)

9、等都是plc的優(yōu)點(diǎn)。日立觸摸屏以其易于操作、堅(jiān)周耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，解決了很多計(jì)算機(jī)所無法解決的問題。正是由于觸摸屏與plc擁有許多其他工業(yè)自動(dòng)控制元件所沒有的優(yōu)點(diǎn),所以本設(shè)計(jì)才會(huì)使用日立hitech觸摸屏與西門子s7-200plc芯片為基本應(yīng)用元件的天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)研究。1.2 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀世界能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是向低碳化演變、最終向無碳化發(fā)展。到21世紀(jì)40年代,天然氣在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例將超過石油,成為第一能源。天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，發(fā)達(dá)國家天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略地位早已確立。天然氣

10、市場(chǎng)的發(fā)展取決于資源保障、運(yùn)輸能力、價(jià)格、用戶(消費(fèi))以及政策法規(guī)五大要素。其利用領(lǐng)域極為廣泛，諸如化學(xué)工業(yè)原料、工業(yè)燃料、商業(yè)及民用燃料、汽車燃料、集中供熱與發(fā)電等，是主要的一次性消耗能源之一。目前世界天然氣正處于由區(qū)域市場(chǎng)向全球市場(chǎng)過渡的發(fā)展階段。國外天然氣有以民用和商用為主以及以發(fā)電為主兩種基本模式,發(fā)電將成為天然氣利用的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于天然氣的利用，國外已經(jīng)形成了一套專業(yè)成熟的開發(fā)研究利用方法。天然氣的利用與本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、居民收入和環(huán)保的發(fā)展水平密切相關(guān)。鑒于天然氣有自身固有的特點(diǎn),發(fā)展利用天然氣需要從實(shí)際出發(fā)，發(fā)達(dá)國家在天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控技術(shù)的研究中有著一定的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)完善的系

11、統(tǒng)值得我們?nèi)W(xué)習(xí)。在國內(nèi)，雖然在天然氣相關(guān)研究上落后于外國，但是隨著電子技術(shù)、自動(dòng)控制等技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。在國內(nèi)，對(duì)于天然氣輸送的智能化、自動(dòng)化研究已經(jīng)有了很大的發(fā)展，特別是對(duì)于觸摸屏與plc的相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)讓我們得到了很多經(jīng)驗(yàn)。到了現(xiàn)在，我們已經(jīng)具備相關(guān)的電子器件與軟件知識(shí)基礎(chǔ)，可以自己獨(dú)立完成天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了。所以研究天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)很有意義的工作，不但提高工作效率，消除安全隱患，還能產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。有了這樣的市場(chǎng)需求自然就要有相關(guān)的產(chǎn)品來滿足人們的需要，所以天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)是相關(guān)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需

12、求的必然結(jié)果。2 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)一般由調(diào)度中心計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、調(diào)壓站、區(qū)域調(diào)壓站及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等構(gòu)成，是一個(gè)大型的集中管理、統(tǒng)一調(diào)度且分散控制的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。其中智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成對(duì)站區(qū)內(nèi)的各種電子設(shè)備、智能儀表的監(jiān)控和管理3，同時(shí)負(fù)責(zé)將有關(guān)信息上傳給調(diào)度控制中心，并接受和執(zhí)行其下達(dá)的命令。對(duì)調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求一般包括：根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行負(fù)載平衡控制；遠(yuǎn)程壓力調(diào)節(jié)；根據(jù)用戶的消耗量來調(diào)整供氣量；向調(diào)度中心上傳數(shù)據(jù)參數(shù)；限流等。完整的天然氣調(diào)壓站自控系統(tǒng)一般包括調(diào)壓系統(tǒng)和限

13、流、調(diào)流系統(tǒng)兩個(gè)部分。調(diào)壓系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)門站出口壓力，為下游用戶提供壓力穩(wěn)定的氣源，并與限流、調(diào)流系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)一起，限定下游用戶的用氣流量及在用戶達(dá)到預(yù)定的用氣量之后切斷氣源。調(diào)壓系統(tǒng)包括工作調(diào)壓器、監(jiān)控調(diào)壓器、切斷閥、放散閥和相應(yīng)的管道閥門，根據(jù)使用環(huán)境和用戶要求的不同通常采用“一用一備”或“兩用一備”方式進(jìn)行管路設(shè)計(jì)。限流、調(diào)流系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程改變調(diào)壓器指揮器的壓力設(shè)定值來達(dá)到限制流量的目的，目前國內(nèi)使用較多的是lc-21遠(yuǎn)程壓力調(diào)節(jié)馬流量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電一氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制器兩個(gè)主要部分組成。電一氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)由天然氣壓力儲(chǔ)罐、差壓調(diào)壓器、增壓電磁閥、泄壓電磁閥、放散閥、手動(dòng)壓力疏水閥、壓

14、力變送器、壓力表及相應(yīng)的隔斷閥組成。控制器接收來自流量計(jì)算機(jī)的流量信號(hào)，并與控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定的流量限定值比較，若實(shí)際流量低于設(shè)定值，則系統(tǒng)不動(dòng)作；若實(shí)際流量高于流量限定值，則系統(tǒng)動(dòng)作，遠(yuǎn)程降低調(diào)壓器的設(shè)定壓力，從而達(dá)到限定流量的目的。2.2 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件組成部分天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓站內(nèi)各關(guān)鍵部位參數(shù)的全天候連續(xù)實(shí)時(shí)采集和處理，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓站安全、可靠且經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。智能監(jiān)控系統(tǒng)需要采集的控制參數(shù)較多，既有進(jìn)出口的壓力、溫度、壓差以及閥位、氣體泄漏報(bào)警等模擬量信號(hào)，也有回訊器、切斷閥和電動(dòng)球閥等開關(guān)量信號(hào)，還有來自體積修正儀智能儀表的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)需

15、求的認(rèn)真分析和對(duì)各種控制工具的反復(fù)比較，本系統(tǒng)選用功能強(qiáng)大、抗干擾性能好、使用維護(hù)方便且參數(shù)設(shè)置修改靈活的日立觸摸屏和西門子s7200系列plc作為控制核心4，合理配置功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能需要。 系統(tǒng)硬件主要有西門子s7-200plc芯片、工業(yè)計(jì)算機(jī)、i/o處理模塊、信號(hào)變送器、電源、日立大尺寸液晶觸摸屏和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，是一個(gè)典型的智能化數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。如圖1所示。 圖1 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（1） plc及i/o處理部分。結(jié)合調(diào)壓站功能需要，控制系統(tǒng)選用西門子s7200系列plc作為控制核心(根據(jù)各調(diào)壓站需求的不同選用該系列中的不同型號(hào)，一般為224及以上)，它們自帶有數(shù)

16、量較多的開關(guān)量和部分模擬量i/o點(diǎn)。當(dāng)自帶i/o點(diǎn)不足時(shí)，可擴(kuò)展4路12位高精度模擬量輸入模塊16點(diǎn)24v直流輸入模塊。（2）電源部分。交流電源采用220v/50hz標(biāo)準(zhǔn)工頻輸入，直流電源為24v工業(yè)開關(guān)電源模塊，直流電源的作用是為模擬和開關(guān)信號(hào)的輸入輸出處理提供能源，體積修正儀、智能儀表所需9v電源由安全柵直接提供?？紤]到城市用氣的不間斷要求，系統(tǒng)配備了ups后備電源，確保系統(tǒng)在停電情況下仍能繼續(xù)工作2h。 （3）液晶觸摸屏。選用日立大尺寸彩色hitech 液晶觸摸屏，它具有mpi/profibus dp接口和2mb flash memory，支持中文組態(tài)軟件，可以方便、直觀地進(jìn)行各種參數(shù)的

17、顯示和修改設(shè)置。監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)除發(fā)出聲光報(bào)警信息外，還在液晶屏上閃爍顯示5。 （4）隔離保護(hù)部分。由于系統(tǒng)是工作在易燃易爆的天然氣環(huán)境，所以在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了對(duì)系統(tǒng)的隔離和保護(hù)措施。在電源進(jìn)線處加入了防雷浪涌保護(hù)器，對(duì)各模擬輸入信號(hào)回路在變送器與plc輸入擴(kuò)展模塊間均采用經(jīng)隔離安全柵等隔離安全措施。 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的硬件設(shè)施不但考慮了可靠性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，還充分考慮了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性(設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，接口、協(xié)議開放，易于維護(hù))。2.3 監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)部件的連接設(shè)置2.3.1 通信電纜的制作 首先準(zhǔn)備好觸摸屏與編程電腦和觸摸屏與plc的連接線(又稱編程電纜、通信電纜

18、)。觸摸屏的coml和com2都可以與plc連接，而com1主要是連接rs232的，我們使用的是rs485接線，所以我們使用的是com2連接。連接線如下圖2所示。 圖2 觸摸屏com2與s7-200的連接線如果電腦與觸摸屏的連接是通過觸摸屏的com2連接，連接線如圖3所示。圖4是連接plc端公接頭8針的針腳圖6。 圖3 電腦串口與觸摸屏com2的連接線 圖4 plc端8針針腳2.3.2 電腦與觸摸屏的連接用圖3制作好的連接線把電腦與觸摸屏連接好，觸摸屏后面dipswitch的設(shè)置為：sw5=off和sw6=off，其他的保留在“on”位置，如圖5所示，再把觸摸屏的24v電源連接上。 圖5 di

19、p-switch值得一提的是，當(dāng)觸摸屏后面的dipswitch的sw7在“0n位置時(shí)，開機(jī)以后自動(dòng)運(yùn)行程序， 此時(shí)不能進(jìn)行程序的上載，如果需要上下載程序，必須退出程序，返回觸摸屏configure畫面，如圖5所示。設(shè)置完成后觸摸屏可以上電了。剛上電觸摸屏開始自我測(cè)試，如果測(cè)試正常觸摸屏就可以與plc通信；如果不正常，觸摸屏不能與plc通信。2.3.3 觸摸屏與plc連接 用圖3所示連接方法做的觸摸屏com2與s7-200的連接線，用這根連接線把觸摸屏與plc連接上，連接完后重新上電，看到觸摸屏面板上的“”指示燈在很快閃爍，表示觸摸屏已經(jīng)與plc正常通信了7。 3 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件

20、系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過對(duì)調(diào)壓站參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，經(jīng)plc進(jìn)行運(yùn)算處理，來判斷系統(tǒng)的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，上傳并實(shí)時(shí)顯示調(diào)壓站參數(shù)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣出口壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證了天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，經(jīng)聲光報(bào)警和顯示屏字幕閃爍兩種方式發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并作用于相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)天然氣調(diào)壓站的自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是模擬量的采集處理、友好人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和與rs485智能總線儀表的通信三大部分。軟件流程如圖6所示。圖6 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程模擬量的采集處理部分包括壓力、溫度和壓差，經(jīng)過變換器輸出的420ma電流信號(hào)。雖然hitech內(nèi)部自帶有模擬量濾

21、波功能和采樣數(shù)值設(shè)置，但是為了使顯示值更加穩(wěn)定，程序設(shè)計(jì)時(shí)使 用了算術(shù)平均濾波法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一般隨機(jī)干擾信號(hào)進(jìn)行濾除。 智能儀表采用modbus協(xié)議通過雙絞線與plc通信，modbus是應(yīng)用于電子控制器上的一種常用協(xié)議?？刂破髂茉O(shè)置為兩種傳輸模式(ascii或rtu)中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的modbus網(wǎng)絡(luò)通信。本系統(tǒng)根據(jù)儀表的要求，選擇了rtu方式8。s7200的通信端口為rs485接口，rs485接口為半雙工接口程序的關(guān)鍵是避免在通信端口上同時(shí)發(fā)送和接收。按照本系統(tǒng)中通信采用的這種編程模式編寫自由口通信程序可以有效避免因同時(shí)發(fā)送和接收造成的通信沖突，從而保證程序的正常運(yùn)行。 3.1 西門子s7-

22、200 plc芯片的i/o端口分配天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備及端口分配如表1所示。 表1 plc的i/o分配表輸入輸出信號(hào)名稱地址信號(hào)名稱地址信號(hào)名稱地址進(jìn)口壓力a100001壓差d100301g1閥位開01001進(jìn)口壓力a200002壓差d200302g2閥位開01002出口壓力b100101g1閥位00401g3閥位開01003出口壓力b200102g2閥位00402g1閥位關(guān)02001溫度c100201g3閥位00403g2閥位關(guān)02002溫度c200202氣體泄漏00501g3閥位關(guān)02003系統(tǒng)啟動(dòng)00500系統(tǒng)停止00510i/o狀態(tài)的刷新包括兩種操作：一是采樣輸入信號(hào)。

23、plc的輸入是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過輸入端子，進(jìn)行光電隔離以提高抗干擾能力后送入緩沖器，當(dāng)plc進(jìn)行輸入采樣時(shí)緩沖器中的內(nèi)容才送到plc的輸入映像寄存器，每次采樣plc從輸入映像寄存器中讀取到各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，因次輸入映像寄存器的只有在采樣時(shí)才會(huì)與輸入信號(hào)一致，其他時(shí)間輸入映像寄存器的內(nèi)容將保持不變：二是刷新輸出信號(hào)。plc接受輸入后執(zhí)行用戶程序，將運(yùn)算結(jié)果送至輸出映像寄存器，在每次用戶程序結(jié)束后進(jìn)行刷新，將輸出映像寄存器中的運(yùn)算結(jié)果送至輸出鎖存器，再通過輸出驅(qū)動(dòng)電路送到輸出端子驅(qū)動(dòng)負(fù)載。與輸入相類似，只有在輸出刷新時(shí)輸出狀態(tài)才改變，刷新后的狀態(tài)要保持到下次刷新為止。由于通常來說plc掃描周期很短(依

24、賴于程序長(zhǎng)短和掃描速度)，每次i0刷新時(shí)間間隔很小，所以可以認(rèn)為其輸入輸出是及時(shí)的。3.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)觸摸屏操作界面設(shè)計(jì)3.2.1 選擇編譯軟件adp6.0ado6.0是專門用與人機(jī)界面組態(tài)編輯軟件。該軟件為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化工、電力、印刷、紡織、食品、國防和工程機(jī)械，智能家居，高速鐵路等各領(lǐng)域。adp6.0提供了多種控制器件庫、圖形控件和功能組件，通過組態(tài)出的各種顯示和控制功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)、當(dāng)前過程值及故障的可視化9。3.2.2 觸摸屏界面的設(shè)計(jì)方法 人機(jī)界面的主要任務(wù)是迅速獲取、處理應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)、命令，并以適當(dāng)?shù)姆绞斤@示出來。人機(jī)界面

25、的形式多種多樣，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)存在不同的設(shè)計(jì)思路和方法。常用的人機(jī)界面設(shè)計(jì)技術(shù)有兩種方法。 （1）菜單界面設(shè)計(jì)： 人機(jī)界面是plc應(yīng)用系統(tǒng)中不可缺少的一部分，它直接關(guān)系到應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)用性能。菜單界面設(shè)計(jì)是近年來應(yīng)用最為廣泛的一種人機(jī)界面設(shè)計(jì)技術(shù)，幾乎任一個(gè)plc軟件產(chǎn)品都使用了菜單界面技術(shù)10。在菜單界面設(shè)計(jì)時(shí)，通常應(yīng)遵循以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則： a合理組織界面的層次和結(jié)構(gòu)。 b每幅菜單應(yīng)有一個(gè)明確的標(biāo)題。例如第一層菜單通?？擅麨橹鞑藛危鞑藛沃械牟藛雾?xiàng)反映了該plc應(yīng)用系統(tǒng)的基本功能。 c菜單項(xiàng)的排列可依據(jù)使用功能、使用頻率的多少或字母順序排列。對(duì)于下拉式菜單中的菜單項(xiàng)，要合理地歸類、分組排列。 d

26、為使菜單界面使用靈活，應(yīng)提供多種點(diǎn)擊菜單的方法。通?？芍С质髽?biāo)和鍵盤，對(duì)菜單項(xiàng)可定義熱鍵和加速鍵。e對(duì)菜單項(xiàng)的點(diǎn)取應(yīng)設(shè)定反饋標(biāo)志，例如為選中菜單項(xiàng)的前面加“。（2）圖形界面設(shè)計(jì)方式 在plc控制系統(tǒng)中，圖形界面也是常常采用的人機(jī)交互式界面。為了照顧工程人員的習(xí)慣用法，在屏幕上形象地畫出若干圖形、按鈕等，使人在計(jì)算機(jī)或可編程終端上操作，如同在控制臺(tái)上操作一樣，十分形象、直觀。 3.2.2 系統(tǒng)的操作界面具體設(shè)計(jì) 從基本原理上講，圖形界面與菜單界面是一樣的，都是在滿足系統(tǒng)控制要求的情況下給用戶一個(gè)直觀的方便的操作交互界面。本系統(tǒng)的觸摸屏界面采用的是菜單界面設(shè)計(jì)方式和圖形界面設(shè)計(jì)方式相結(jié)合的方法來設(shè)

27、計(jì)的，顯示系統(tǒng)畫面菜單由hitech系列的人機(jī)交互界面軟件hitechadp v6.0設(shè)計(jì)出的，hitech-adp提供了多種控制器件庫、圖形控件和功能組件，通過組態(tài)出的各種顯示和控制功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)、當(dāng)前過程值及故障的可視化。利用人機(jī)界面操作監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)plc中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、記錄、存儲(chǔ)、處理，從而滿足各種監(jiān)控要求。軟件還可以為不同的操作人員設(shè)置不同的操作密碼和相應(yīng)的操作權(quán)限。觸摸屏軟件的設(shè)計(jì)包括創(chuàng)建畫面和信息，并將它們和plc程序相連。具體概括為以下三個(gè)步驟： (1) 界面的可視化設(shè)計(jì)。界面組態(tài)具體涉及輸入輸出區(qū)域組態(tài)、指示器組態(tài)、功能鍵組態(tài)、控制鍵組態(tài)及文本顯示等各種格式，可根據(jù)

28、實(shí)際控制功能的差異設(shè)計(jì)不同的畫面。(2)設(shè)定變量。變量在觸摸屏的組態(tài)功能(輸入輸出區(qū)域、功能鍵等)與plc的相應(yīng)i0接點(diǎn)及存儲(chǔ)單元之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏敏感元件對(duì)plc的控制及參數(shù)的輸入、plc當(dāng)前過程值及報(bào)警信號(hào)向觸摸屏的輸出11。 (3)設(shè)置通訊參數(shù)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與plc的通訊。 (4)通過編程，參數(shù)設(shè)置、輸入、輸出信號(hào)和故障查詢等均由軟件控制，硬件連接少，能大大降低硬件故障發(fā)生率，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 3.2.3 人機(jī)界面的總體功能結(jié)構(gòu)人機(jī)界面總體功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。 圖7 人機(jī)界面總體功能結(jié)構(gòu)其中主界面可以完成對(duì)各子界面的調(diào)用。輸出動(dòng)作子界面包括控制各個(gè)閥位的開關(guān)等多項(xiàng)功能，可以操作多個(gè)

29、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。參數(shù)設(shè)置子界面可以設(shè)定系統(tǒng)時(shí)間并可以對(duì)控制對(duì)象及控制目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)置。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)子界面可以顯示系統(tǒng)時(shí)間并用數(shù)字、圖表等多種方式實(shí)時(shí)顯示傳感器采集來的數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)子界面可以讓使用者對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，并顯示出來12。3.2.4 主要功能界面設(shè)計(jì)（1）啟動(dòng)adp6.0在電腦上安裝好觸摸屏組態(tài)軟件hitechadp v6.0后啟動(dòng)hitechadp v6.0，輸入注冊(cè)碼，然后點(diǎn)擊新建文件，這時(shí)將彈出界面如圖8所示。在這里我們可以新建一個(gè)文件放置我們?cè)O(shè)計(jì)的各個(gè)觸摸屏人機(jī)界面。（2） 設(shè)置工作參數(shù)我們要使用hitechadp v6.0軟件編譯觸摸屏人機(jī)界面，就需要根據(jù)所選擇的元件，設(shè)

30、定好工作參數(shù)13。本文選擇的是西門子s7-200plc。則參數(shù)設(shè)置如圖9所示。然后我們按照下列要求設(shè)置參數(shù)：輸入應(yīng)用名稱，我們輸入基于觸摸屏的天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)。選擇所需的人機(jī)界面型號(hào)，將其拖入工程結(jié)構(gòu)窗口。在此我們選擇ap1600 mono。選擇需要連線的plc類型,拖入工程結(jié)構(gòu)窗口里。在此我們選擇選擇plc種類為 圖8 新建文件設(shè)置界面 圖9 一般工作參數(shù)設(shè)置界面simatics7-200.點(diǎn)開連線，我們可以把通訊口設(shè)置為com2，傳輸速率為9600，資料位為8，校檢位為even，停止位為1。如圖10所示。然后點(diǎn)擊確定后就可以進(jìn)入組態(tài)王軟件的觸摸屏界面編譯環(huán)境了。 圖10 參數(shù)設(shè)置中

31、的連線設(shè)置界面（3）主菜單界面：系統(tǒng)開機(jī)首先進(jìn)入主菜單界面，同時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)。通過主菜單界面的幾個(gè)按鈕可以連接到用戶所需要的功能界面，例如當(dāng)用戶需要查看此時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，就可以點(diǎn)擊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按鈕轉(zhuǎn)換都實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面。點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)按鈕就可以進(jìn)入歷史故障數(shù)據(jù)界面，查看以往的故障記錄。如圖11所示。（4）輸出動(dòng)作界面設(shè)計(jì)：輸出動(dòng)作子界面的功能是控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，如控制各個(gè)增壓電磁閥、泄壓電磁閥、放散閥等多個(gè)按鈕，并可根據(jù)系統(tǒng)情況進(jìn)行增刪。輸出控制信號(hào)是通過觸摸屏的串行接口進(jìn)行的，以調(diào)整各個(gè)管道的壓力，調(diào)整天然氣的輸送流量。如圖12所示。 圖11主菜單 圖12 輸出動(dòng)作界面（5）參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置子界

32、面的功能是設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間并對(duì)控制對(duì)象、控制邏輯以及控制目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)置。包括系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置按鈕、控制邏輯設(shè)置按鈕、控制對(duì)象設(shè)置按鈕以及控制目標(biāo)設(shè)置按鈕。點(diǎn)擊后進(jìn)入相應(yīng)子界面，設(shè)置好的信息通過串口發(fā)送到控制板，再保存至控制板的存儲(chǔ)器中。如圖13所示。 圖13參數(shù)設(shè)置界面（5）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)子界面的功能是實(shí)時(shí)地顯示出當(dāng)前天然氣調(diào)壓站管道內(nèi)的壓力、溫度等狀態(tài)，主要包括管道進(jìn)出口的壓力、溫度、壓差以及閥位開關(guān)狀況顯示等，我們把這些參數(shù)分為多個(gè)分頁。如圖14、圖15所示。 圖14 壓力值顯示界面 圖15 溫度值顯示界面（6）歷史數(shù)據(jù)界面設(shè)計(jì)歷史數(shù)據(jù)子界面的功能是將存儲(chǔ)在控制板上的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并對(duì)

33、數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其實(shí)現(xiàn)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)子界面基本相同，差別只是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同，歷史數(shù)據(jù)子界面顯示的是在控制板內(nèi)存中保存的歷史數(shù)據(jù)以及中央處理器處理過的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示值。因?yàn)槠渑c實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)子界面相差不多，所以也不再次重復(fù)圖片了。3.3 s7-200 plc芯片通信協(xié)議（modbus協(xié)議）3.3.1 modbus協(xié)議應(yīng)用（主從模式）modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信?，F(xiàn)今，modbus協(xié)議已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)行集中監(jiān)控15。 本設(shè)計(jì)也是選用modbus

34、協(xié)議作為我們的通用語言。3.3.2 modbus協(xié)議概述modbus是一個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。modbus協(xié)議包括ascii、rtu、tcp等，并沒有規(guī)定物理層。協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。modbus的ascii、rtu協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和對(duì)答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用maser（主站）/slave（從站）方式，主站發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，從站接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主站以響應(yīng)請(qǐng)求；主站也可以直接發(fā)消息修改從站的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。modbus規(guī)定，只有主站具有主動(dòng)權(quán)，從站只能被動(dòng)的響應(yīng)，包括回答出錯(cuò)信息。3.

35、3.3 通信協(xié)議設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的modbus口是使用rs232c兼容串行接口, 它定義了連接口的針腳、電纜、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn), 控制器能直接或經(jīng)由modem 組網(wǎng)。控制器通信使用主從技術(shù), 即僅一設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢) , 其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。表2為典型的消息幀定義。 表2 典型的消息幀定義 起始位 設(shè)備地址 功能碼 數(shù)據(jù)共 crc校檢 停止位 t1 t4 8位 8位 n個(gè)8位 16位 t1-t4modbus通訊協(xié)議有兩種傳送方式，rtu方式和ascii方式。本系統(tǒng)使用rtu模式, 這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是:在同樣的波特率下,可比ascii方式

36、傳送更多的數(shù)據(jù)。使用rtu模式時(shí), 消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始,傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址, 可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制數(shù)值。 通信期間, 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線, 包括停頓間隔時(shí)間內(nèi), 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域( 地址域) 接收到, 每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。 在最后一個(gè)傳輸字符之后, 至少要有3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓以標(biāo)定消息的結(jié)束,之后可開始新的消息傳輸。使用rtu模式,消息包括了一個(gè)基于crc方法的錯(cuò)誤檢測(cè)域.crc域檢測(cè)了整個(gè)消息的內(nèi)容。表3為modbus部分功能碼的定義。 表3 部分功能碼定義功能碼 名稱 作用01讀取線圈狀態(tài)取得一組邏輯線圈的當(dāng)前狀態(tài)02讀取輸

37、入狀態(tài)取得一組開關(guān)輸入的當(dāng)前狀態(tài)03讀取保持寄存器在一個(gè)或多個(gè)保持寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值04讀取輸入寄存器在一個(gè)或多個(gè)輸入寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值06預(yù)置單寄存器把具體二進(jìn)制裝入一個(gè)保持寄存器考慮到操作的方便性, 在系統(tǒng)初次安裝時(shí), 先在pc 機(jī)上用上位機(jī)軟件將所有傳感器的id搜索出來, 然后按實(shí)際安裝位置給每個(gè)傳感器編號(hào), 讀溫度、壓力傳感器是否工作正常。在plc上使用modbus協(xié)議通信時(shí)首先要對(duì)通信格式進(jìn)行設(shè)定, 即對(duì)d8120寄存器進(jìn)行寫操作,在本系統(tǒng)條件下設(shè)置為0c87，即數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，無校驗(yàn)，無起始位與停止位, 波特率9600 bps。 修改d8120設(shè)置后, 確保通斷pl

38、c電源一次。 再用rs指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。按照所述程序格式，即可在數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)寫入指令進(jìn)行相應(yīng)的操作16。4 主要的抗干擾措施4.1 抑制電源系統(tǒng)引入的干擾采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾。在plc控制系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。電網(wǎng)干擾串入plc控制系統(tǒng)主要通過plc系統(tǒng)的供電電源(如cpu電源、i0電源等)、變送器供電電源和與plc系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的。 4.2 正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng) 良好的接地是保證plc可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。接地的的通常有兩個(gè)，即為了安全；為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是plc控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措

39、施之一。plc控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對(duì)plc系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端a、b都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí)，地線電流將更大。4.3 觸摸屏的抗干擾措施 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)中有plc、變壓器、接觸器、繼電器等干擾性元件，這樣會(huì)對(duì)觸摸屏產(chǎn)生電磁干擾，會(huì)使觸摸屏輸出信號(hào)不穩(wěn)定甚至?xí)p壞觸摸屏。所以對(duì)觸摸屏加適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施是必要的17?？垢蓴_措施如下： （1）最好單獨(dú)給觸摸屏供電，不要讓觸摸屏和電感性

40、負(fù)載使用相同電源，否則可能會(huì)引起觸摸屏的動(dòng)作異常。如果現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)不穩(wěn)就要加濾波器。為保證所有的輸入電源線正確連接，觸摸屏內(nèi)部使用la的保險(xiǎn)絲來確保設(shè)備安全。 （2）電源和觸摸屏都要接地。不要將dc的負(fù)極接至機(jī)箱外殼，否則將可能由于機(jī)箱外殼的接地阻抗過高而因此產(chǎn)生干擾。接地的導(dǎo)體要盡量短而粗，一定要考慮到短路時(shí)導(dǎo)體所要承受的最大短路電流。接地導(dǎo)體必須連接到星形接地點(diǎn)，這將可以保證不會(huì)由于接地回路的電感性而產(chǎn)生干擾。 （3）通訊電纜一定不能與動(dòng)力線平行鋪設(shè)，要用屏蔽雙腳線做信號(hào)線，且屏蔽層要接地。大功率電機(jī)、變頻器要盡量和屏之間間隔開，如果現(xiàn)場(chǎng)條件不允許，那么應(yīng)該把屏放在這些設(shè)備的上方。 結(jié)束語本設(shè)計(jì)是通過對(duì)調(diào)壓站各關(guān)鍵部位參數(shù)的實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測(cè)，經(jīng)plc運(yùn)算和處理，并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)壓站天然氣的自動(dòng)調(diào)壓限流。系統(tǒng)可以通過本地人機(jī)界面和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)兩種方式進(jìn)行操作，能夠在觸摸屏上完成儀表數(shù)據(jù)、狀態(tài)顯示、管道數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警設(shè)置和時(shí)間設(shè)置等各項(xiàng)常規(guī)操作