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

1、<p>　　基于觸摸屏的天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　Design of Smart Monitoring System Based on Touch Screen for Natural Gas Pressure Regulating Station </p><p>　　基于觸摸屏的天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　

2、　[摘 要]該設(shè)計主要是關(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觸摸屏實現(xiàn)的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)通過實時監(jiān)測調(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界面上及時反映天然氣調(diào)壓站的實際工作狀況，并作用于執(zhí)行機構(gòu)進行實時調(diào)整，確保供氣系統(tǒng)安全、穩(wěn)定及高效運行。研究了如何實現(xiàn)友好人機界面的設(shè)計，并設(shè)計主菜單、數(shù)據(jù)顯示、動作控制、時間設(shè)置和參數(shù)設(shè)置等界面。而且系統(tǒng)可以通過本地

3、觸摸屏和遠程網(wǎng)絡(luò)兩種方式進行實時監(jiān)控，并為上位機預(yù)留了標準的Modbus通信接口，便于系統(tǒng)遠程網(wǎng)絡(luò)化控制和管理。</p><p>　　[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；人機界面</p><p>　　Design of the Monitoring System Based on Natural Gas Regulator Station Smart Touch S

4、creen</p><p>　　Electrical Engineering and Automation Specialty YUAN Jun-nan</p><p>　　Abstract：The design is implemented on the working principle of the natural gas regulator station and develope

5、d 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 p

6、ressure , valve position and flow reflect the actual working condition of the natural gas regulator station in time for the friendly touch screen interface , and the role </p><p>　　Key words: Touch screen; P

7、LC; monitoring system; natural gas regulator; man-machine inter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 課題背景以及意義1</p><p>　　1.2

8、 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1</p><p>　　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2</p><p>　　2.3 監(jiān)控系統(tǒng)各個部件的連接設(shè)置4</p><p>　　2.3.1 通信電纜的制作4</p><p>　　2.3.2 電腦與觸摸屏的連接5</p><p>　　2.3.

9、3 觸摸屏與PLC連接5</p><p>　　3 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計6</p><p>　　3.1 西門子S7-200 PLC芯片的I/O端口分配7</p><p>　　3.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)觸摸屏操作界面設(shè)計7</p><p>　　3.2.1 選擇編譯軟件ADP6.07</p><p>　

10、　3.2.2 觸摸屏界面的設(shè)計方法7</p><p>　　3.2.2 系統(tǒng)的操作界面具體設(shè)計8</p><p>　　3.2.3 人機界面的總體功能結(jié)構(gòu)9</p><p>　　3.2.4 主要功能界面設(shè)計9</p><p>　　3.3 S7-200 PLC芯片通信協(xié)議（MODBUS協(xié)議）13</p><p>　

11、　3.3.1 MODBUS協(xié)議應(yīng)用（主從模式）13</p><p>　　3.3.2 MODBUS協(xié)議概述13</p><p>　　3.3.3 通信協(xié)議設(shè)置13</p><p>　　4 主要的抗干擾措施14</p><p>　　4.1 抑制電源系統(tǒng)引入的干擾14</p><p>　　4.2 正確選擇接地點，完善

12、接地系統(tǒng)15</p><p>　　4.3 觸摸屏的抗干擾措施15</p><p><b>　　結(jié)束語16</b></p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p><b>　　致謝18</b></p><p><b>

13、　　1 引言</b></p><p>　　1.1 課題背景以及意義</p><p>　　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)的各項壓力參數(shù)指標在整個系統(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)壓目標的智能遠程監(jiān)控也成為天然氣調(diào)壓站的一個重要方向。良好的監(jiān)控系統(tǒng)可以極大地降低

14、工作人員的勞動強度，提高工作效率，提高天然氣供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性[1]。 </p><p>　　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于計算機控制系統(tǒng)有較為明顯的優(yōu)勢，體積小、使用方便、便于維護等都是PLC的優(yōu)點。日立觸摸屏以其易于操作、堅周耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間等優(yōu)點，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，解決了很多計算機所無法解決的問題。<

15、;/p><p>　　正是由于觸摸屏與PLC擁有許多其他工業(yè)自動控制元件所沒有的優(yōu)點,所以本設(shè)計才會使用日立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。</p><p>　　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</p><p>　　世界能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是向低碳化演變、最終向無碳化發(fā)展。到21世紀40年代,

16、天然氣在世界一次能源消費結(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。天然氣市場的發(fā)展取決于資源保障、運輸能力、價格、用戶(消費)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)域市場向全球市場過渡的發(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

17、基本模式,發(fā)電將成為天然氣利用的發(fā)展趨勢。對于天然氣的利用，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、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,發(fā)展利用天然氣需要從實際出發(fā)，發(fā)達國家在天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控技術(shù)的研究中有著一定的優(yōu)勢，相對完善的系統(tǒng)值得我們?nèi)W(xué)習(xí)。</p><p>　　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)、自動控制等技術(shù)

18、的發(fā)展，帶動了天然氣調(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)，對于天然氣輸送的智能化、自動化研究已經(jīng)有了很大的發(fā)展，特別是對于觸摸屏與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。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基礎(chǔ)，可以自己獨立完成天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了。所以研究天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個很有意義的工作，不但提高工作效率，消除安全隱患，還能產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。有了這樣的市場需求自然就要有相關(guān)的產(chǎn)品來滿足人們

19、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)展和市場需求的必然結(jié)果。</p><p>　　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</p><p>　　2.1 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)一般由調(diào)度中心計算機管理系統(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，是一個大型的集中管理、統(tǒng)一調(diào)度且分散控

20、制的計算機網(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]，同時負責(zé)將有關(guān)信息上傳給調(diào)度控制中心，并接受和執(zhí)行其下達的命令。對調(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)測數(shù)據(jù)對管網(wǎng)進行負載平衡控制；遠程壓力調(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。</p><p>　　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)和限流、調(diào)流系統(tǒng)兩個部分。調(diào)

21、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)和計量系統(tǒng)一起，限定下游用戶的用氣流量及在用戶達到預(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”方式進行管路設(shè)計。限流、調(diào)流系統(tǒng)通過遠程改變調(diào)壓器指揮器的壓力設(shè)定值來達到限制流量的目的，目前國內(nèi)使用較多的是LC-21遠程壓力調(diào)節(jié)馬流量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)

22、由電一氣執(zhí)行機構(gòu)及控制器兩個主要部分組成。電一氣執(zhí)行機構(gòu)由天然氣壓力儲罐、差壓調(diào)壓器、增壓電磁閥、泄壓電磁閥、放散閥、手動壓力疏水閥、壓力變送器、壓力表及相應(yīng)的隔斷閥組成?？刂破鹘邮諄碜粤髁坑嬎銠C的流量信號，并與控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定的流量限定值比較，若實際流量低于設(shè)定值，則系統(tǒng)不動作；若實際流量高于流量限定值，則系統(tǒng)動作，遠程降低調(diào)壓器的設(shè)定壓力，從而達到限定流量的目的。</p><p>　　2.2 天然氣調(diào)壓站智能

23、監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件組成部分</p><p>　　天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計目標是實現(xiàn)對調(diào)壓站內(nèi)各關(guān)鍵部位參數(shù)的全天候連續(xù)實時采集和處理，實現(xiàn)調(diào)壓站安全、可靠且經(jīng)濟運行。智能監(jiān)控系統(tǒng)需要采集的控制參數(shù)較多，既有進出口的壓力、溫度、壓差以及閥位、氣體泄漏報警等模擬量信號，也有回訊器、切斷閥和電動球閥等開關(guān)量信號，還有來自體積修正儀智能儀表的數(shù)字信號。經(jīng)過對系統(tǒng)需求的認真分析和對各種控制工具的反復(fù)比較，本系統(tǒng)選用功

24、能強大、抗干擾性能好、使用維護方便且參數(shù)設(shè)置修改靈活的日立觸摸屏和西門子S7—200系列PLC作為控制核心[4]，合理配置功能模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能需要。 </p><p>　　系統(tǒng)硬件主要有西門子S7-200PLC芯片、工業(yè)計算機、I/O處理模塊、信號變送器、電源、日立大尺寸液晶觸摸屏和執(zhí)行機構(gòu)等部分組成，是一個典型的智能化數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。如圖1

25、所示。</p><p>　　圖1 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　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S7—200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，一般為224及以上)，它們自帶有數(shù)量較多的開關(guān)量和部分模擬量I/O點。當自帶I/O點不足時，可擴展4路12位高精度模擬量輸入模塊16點24V直流輸入模塊。<

26、;/p><p>　?。?）電源部分。交流電源采用220V/50Hz標準工頻輸入，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。 </p><p>　　（3）液晶觸摸屏。選用日立大尺寸彩色Hit

27、ech 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、直觀地進行各種參數(shù)的顯示和修改設(shè)置。監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)除發(fā)出聲光報警信息外，還在液晶屏上閃爍顯示[5]。 </p><p>　?。?）隔離保護部分。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)計時充分考慮了對系統(tǒng)的隔離和保護措施。在電源進線處加入了防雷浪涌保護器，對各模擬輸入

28、信號回路在變送器與PLC輸入擴展模塊間均采用經(jīng)隔離安全柵等隔離安全措施。 </p><p>　　硬件系統(tǒng)設(shè)計選用的硬件設(shè)施不但考慮了可靠性、實用性和經(jīng)濟性，還充分考慮了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可維護性(設(shè)備標準化，接口、協(xié)議開放，易于維護)。</p><p>　　2.3 監(jiān)控系統(tǒng)各個部件的連接設(shè)置</p><p>　　2.3.1 通信電纜的制作 </p>

29、<p>　　首先準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)。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。</p><p>　　圖2 觸摸屏COM2與S7-200的連接線</p><p>　　如果電腦與觸摸屏的連接是通過觸摸屏的COM2連

30、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]。</p><p>　　圖3 電腦串口與觸摸屏COM2的連接線</p><p>　　圖4 PLC端8針針腳</p><p>　　2.3.2 電腦與觸摸屏的連接</p><p>　　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DIP—switch的設(shè)置為：sw5=OFF和s

31、w6=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。</p><p>　　圖5 DIP-switch</p><p>　　值得一提的是，當觸摸屏后面的DIP—switch的sw7在“0N"位置時，開機以后自動運行程序， </p><p>　　此時不能進行程序的上載，如果需要上下載程序，必須退出程序，返回觸摸屏C

32、onfigure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試，如果測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。</p><p>　　2.3.3 觸摸屏與PLC連接 </p><p>　　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，

33、表示觸摸屏已經(jīng)與PLC正常通信了[7]。 </p><p>　　3 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)通過對調(diào)壓站參數(shù)進行實時采樣，經(jīng)PLC進行運算處理，來判斷系統(tǒng)的狀態(tài)。當系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，上傳并實時顯示調(diào)壓站參數(shù)，通過對現(xiàn)場閥門的自動控制實現(xiàn)對天然氣出口壓力的動態(tài)調(diào)節(jié)，保證了天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，經(jīng)聲光報警和顯示屏字幕閃爍兩種方式發(fā)出

34、報警信號，并作用于相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)天然氣調(diào)壓站的自動運行。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是模擬量的采集處理、友好人機界面的設(shè)計和與RS485智能總線儀表的通信三大部分。軟件流程如圖6所示。</p><p>　　圖6 天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程</p><p>　　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4～20mA電流信號。雖然Hitech內(nèi)部自帶有模擬量濾波功能和采樣數(shù)值設(shè)

35、置，但是為了使顯示值更加穩(wěn)定，程序設(shè)計時使 用了算術(shù)平均濾波法，以實現(xiàn)對一般隨機干擾信號進行濾除。 </p><p>　　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)中的任何一種在標準的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]。</p><p>　　S7—200

36、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發(fā)送和接收造成的通信沖突，從而保證程序的正常運行。 </p><p>　　3.1 西門子S7-200 PLC芯片的I/O端口分配</p><p>　　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。</p&g

37、t;<p>　　表1 PLC的I/O分配表</p><p>　　I/O狀態(tài)的刷新包括兩種操作：一是采樣輸入信號。PLC的輸入是生產(chǎn)現(xiàn)場信號經(jīng)過輸入端子，進行光電隔離以提高抗干擾能力后送入緩沖器，當PLC進行輸入采樣時緩沖器中的內(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的狀態(tài)，因次輸入映像寄</p><p>　　存器的只有在采樣時才會與輸入

38、信號一致，其他時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。PLC接受輸入后執(zhí)行用戶程序，將運算結(jié)果送至輸出映像寄存器，在每次用戶程序結(jié)束后進行刷新，將輸出映像寄存器中的運算結(jié)果送至輸出鎖存器，再通過輸出驅(qū)動電路送到輸出端子驅(qū)動負載。與輸入相類似，只有在輸出刷新時輸出狀態(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(依賴于程序長短和掃描速度)，每次I／0刷新時間間隔很小，所以可以認為其輸入輸出是及時的

39、。</p><p>　　3.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)觸摸屏操作界面設(shè)計</p><p>　　3.2.1 選擇編譯軟件ADP6.0</p><p>　　ADO6.0是專門用與人機界面組態(tài)編輯軟件。該軟件為用戶提供了一個強大的集成開發(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

40、能組件，通過組態(tài)出的各種顯示和控制功能實現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)、當前過程值及故障的可視化[9]。</p><p>　　3.2.2 觸摸屏界面的設(shè)計方法 </p><p>　　人機界面的主要任務(wù)是迅速獲取、處理應(yīng)用系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)、命令，并以適當?shù)姆绞斤@示出來。人機界面的形式多種多樣，在設(shè)計時會存在不同的設(shè)計思路和方法。常用的人機界面設(shè)

41、計技術(shù)有兩種方法。 </p><p>　?。?）菜單界面設(shè)計： </p><p>　　人機界面是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)的實用性能。菜單界面設(shè)計是近年來應(yīng)用最為廣泛的一種人機界面設(shè)計技術(shù)，幾乎任一個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)計時，通常應(yīng)遵循以下幾個設(shè)計原則： </p><p>　　a．合理組織界面的層次和結(jié)

42、構(gòu)。 </p><p>　　b．每幅菜單應(yīng)有一個明確的標題。例如第一層菜單通常可命名為主菜單，主菜單中的菜單項反映了該PLC應(yīng)用系統(tǒng)的基本功能。 </p><p>　　c．菜單項的排列可依據(jù)使用功能、使用頻率的多少或字母順序排列。對于下拉式菜單中的菜單項，要合理地歸類、分組排列。 </p><p>　　d．為使菜單界面使用靈活，應(yīng)提供多種點擊菜單的方法。通?？芍С质?/p>

43、標和鍵盤，對菜單項可定義熱鍵和加速鍵。</p><p>　　e．對菜單項的點取應(yīng)設(shè)定反饋標志，例如為選中菜單項的前面加“√’’。</p><p>　?。?）圖形界面設(shè)計方式 </p><p>　　在PLC控制系統(tǒng)中，圖形界面也是常常采用的人機交互式界面。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，使人在計算機或可編程終端上操作，如同在控制臺上操作

44、一樣，十分形象、直觀。 </p><p>　　3.2.2 系統(tǒng)的操作界面具體設(shè)計 </p><p>　　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)計方式和圖形界面設(shè)計方式相結(jié)合的方法來設(shè)計的，顯示系統(tǒng)畫面菜單由HITECH系列的人機交互界面軟件HITECH—ADP V6.0設(shè)計出的，HI

45、TECH-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現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)、當前過程值及故障的可視化。利用人機界面操作監(jiān)控系統(tǒng)，對PLC中的實時數(shù)據(jù)進行顯示、記錄、存儲、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步驟： </p><p>　　界面的可視化設(shè)計

46、。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)實際控制功能的差異設(shè)計不同的畫面。</p><p>　　(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)I／0接點及存儲單元之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)觸摸屏敏感元件對PLC的控制及參數(shù)的輸入、PLC當前過程值及報警信號向觸摸屏的輸出[11]。 </p><p>　　(

47、3)設(shè)置通訊參數(shù)，實現(xiàn)觸摸屏與PLC的通訊。 </p><p>　　(4)通過編程，參數(shù)設(shè)置、輸入、輸出信號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。 </p><p>　　3.2.3 人機界面的總體功能結(jié)構(gòu)</p><p>　　人機界面總體功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。 </p><p>　　圖7 人機界

48、面總體功能結(jié)構(gòu)</p><p>　　其中主界面可以完成對各子界面的調(diào)用。輸出動作子界面包括控制各個閥位的開關(guān)等多項功能，可以操作多個執(zhí)行機構(gòu)的動作。參數(shù)設(shè)置子界面可以設(shè)定系統(tǒng)時間并可以對控制對象及控制目標值進行設(shè)置。實時數(shù)據(jù)子界面可以顯示系統(tǒng)時間并用數(shù)字、圖表等多種方式實時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歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和處理，并顯示出來[12]。</p><p>　　

49、3.2.4 主要功能界面設(shè)計</p><p>　?。?）啟動ADP6.0</p><p>　　在電腦上安裝好觸摸屏組態(tài)軟件HITECH—ADP V6.0后啟動HITECH—ADP V6.0，輸入注冊碼，然后點擊新建文件，這時將彈出界面如圖8所示。在這里我們可以新建一個文件放置我們設(shè)計的各個觸摸屏人機界面。</p><p><b>　　設(shè)置工作參數(shù)</

50、b></p><p>　　我們要使用HITECH—ADP V6.0軟件編譯觸摸屏人機界面，就需要根據(jù)所選擇的元件，設(shè)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。</p><p>　　然后我們按照下列要求設(shè)置參數(shù)：</p><p>　　·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)。</p>

51、;<p>　　·選擇所需的人機界面型號，將其拖入工程結(jié)構(gòu)窗口。在此我們選擇AP1600 mono。</p><p>　　·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</p><p>　　圖8 新建文件設(shè)置界面</p><p>　　圖9 一般工作參數(shù)設(shè)置界面</p><p>　　

52、SimaticS7-200.</p><p>　　·點開連線，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。</p><p>　　然后點擊確定后就可以進入組態(tài)王軟件的觸摸屏界面編譯環(huán)境了。</p><p>　　圖10 參數(shù)設(shè)置中的連線設(shè)置界面</p><p><b&

53、gt;　?。?）主菜單界面：</b></p><p>　　系統(tǒng)開機首先進入主菜單界面，同時系統(tǒng)啟動。通過主菜單界面的幾個按鈕可以連接到用戶所需要的功能界面，例如當用戶需要查看此時的監(jiān)控數(shù)據(jù)，就可以點擊實時數(shù)據(jù)按鈕轉(zhuǎn)換都實時數(shù)據(jù)界面。點擊歷史數(shù)據(jù)按鈕就可以進入歷史故障數(shù)據(jù)界面，查看以往的故障記錄。如圖11所示。</p><p>　　（4）輸出動作界面設(shè)計：</p>

54、<p>　　輸出動作子界面的功能是控制各執(zhí)行機構(gòu)的動作，如控制各個增壓電磁閥、泄壓電磁閥、放散閥等多個按鈕，并可根據(jù)系統(tǒng)情況進行增刪。輸出控制信號是通過觸摸屏的串行接口進行的，以調(diào)整各個管道的壓力，調(diào)整天然氣的輸送流量。如圖12所示。 </p><p>　　圖11主菜單 圖12 輸出動作界面</p><p>　?。?）參數(shù)設(shè)置界

55、面設(shè)計</p><p>　　參數(shù)設(shè)置子界面的功能是設(shè)置系統(tǒng)時間并對控制對象、控制邏輯以及控制目標值進行設(shè)置。包括系統(tǒng)時間設(shè)置按鈕、控制邏輯設(shè)置按鈕、控制對象設(shè)置按鈕以及控制目標設(shè)置按鈕。點擊后進入相應(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器中。如圖13所示。</p><p><b>　　圖13參數(shù)設(shè)置界面</b></p><

56、p>　　（5）實時數(shù)據(jù)界面設(shè)計</p><p>　　實時數(shù)據(jù)子界面的功能是實時地顯示出當前天然氣調(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)分為多個分頁。如圖14、圖15所示。</p><p>　　圖14 壓力值顯示界面 圖15 溫度值顯示界面</p>

57、<p>　?。?）歷史數(shù)據(jù)界面設(shè)計</p><p>　　歷史數(shù)據(jù)子界面的功能是將存儲在控制板上的歷史數(shù)據(jù)進行顯示并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其實現(xiàn)與實時數(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)計數(shù)據(jù)顯示值。因為其與實時數(shù)據(jù)子界面相差不多，所以也不再次重復(fù)圖片了。</p><p>　　3.3 S7-200 P

58、LC芯片通信協(xié)議（MODBUS協(xié)議）</p><p>　　3.3.1 MODBUS協(xié)議應(yīng)用（主從模式）</p><p>　　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)標準，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)，從而進行集中監(jiān)控[15]。 本設(shè)計也是選

59、用MODBUS協(xié)議作為我們的通用語言。</p><p>　　3.3.2 MODBUS協(xié)議概述</p><p>　　Modbus是一個請求/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識和使用的消息結(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)、命令和對答的

60、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)請求；主站也可以直接發(fā)消息修改從站的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。MODBUS規(guī)定，只有主站具有主動權(quán)，從站只能被動的響應(yīng)，包括回答出錯信息。</p><p>　　3.3.3 通信協(xié)議設(shè)置</p><p>　　標準的Modbus口是使用RS232C兼容串行接口, 它定義了

61、連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗, 控制器能直接或經(jīng)由Modem 組網(wǎng)?？刂破魍ㄐ攀褂弥鲝募夹g(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。</p><p>　　表2 典型的消息幀定義</p><p>　　Modbus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,

62、 這種方式的主要優(yōu)點是:在同樣的波特率下,可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。使用RTU模式時, 消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始,傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址, 可以使用的傳輸字符是十六進制數(shù)值。 通信期間, 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線, 包括停頓間隔時間內(nèi), 當?shù)谝粋€域( 地址域) 接收到, 每個設(shè)備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。 在最后一個傳輸字符之后, 至少要有3.5個字符時間的停頓以標定消息的結(jié)束,之后可開始新的消息傳

63、輸。使用RTU模式,消息包括了一個基于CRC方法的錯誤檢測域.CRC域檢測了整個消息的內(nèi)容。表3為MODBUS部分功能碼的定義。 </p><p>　　表3 部分功能碼定義</p><p>　　考慮到操作的方便性, 在系統(tǒng)初次安裝時, 先在PC 機上用上位機軟件將所有傳感器的ID搜索出來, 然后按實際安裝位置給每個傳感器編號, 讀溫度、壓力傳感器是否工作正常。在PLC上使用Modbus協(xié)議

64、通信時首先要對通信格式進行設(shè)定, 即對D8120寄存器進行寫操作,在本系統(tǒng)條件下設(shè)置為0C87，即數(shù)據(jù)長度為8位，無校驗，無起始位與停止位, 波特率9600 bps。 修改D8120設(shè)置后, 確保通斷PLC電源一次。 再用RS指令進行數(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)寫入指令進行相應(yīng)的操作[16]。</p><p>　　4 主要的抗干擾措施</p><p>　　4.1 抑制電源

65、系統(tǒng)引入的干擾</p><p>　　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、I／0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入的。 </p><p>　　4.2 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng) </p><p>　　良好的接

66、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，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、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，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，

67、當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，地線電流將更大。</p><p>　　4.3 觸摸屏的抗干擾措施 </p><p>　　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，這樣會對觸摸屏產(chǎn)生電磁干擾，會使觸摸屏輸出信號不穩(wěn)定甚至?xí)p壞觸摸屏。所以對觸摸屏加適當?shù)目垢蓴_措施是必要的[17]?？垢蓴_措施如下： </p><p>　?。?）最好單獨給觸摸屏供電

68、，不要讓觸摸屏和電感性負載使用相同電源，否則可能會引起觸摸屏的動作異常。如果現(xiàn)場電網(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的保險絲來確保設(shè)備安全。 </p><p>　?。?）電源和觸摸屏都要接地。不要將DC的負極接至機箱外殼，否則將可能由于機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，這將可

69、以保證不會由于接地回路的電感性而產(chǎn)生干擾。 </p><p>　?。?）通訊電纜一定不能與動力線平行鋪設(shè)，要用屏蔽雙腳線做信號線，且屏蔽層要接地。大功率電機、變頻器要盡量和屏之間間隔開，如果現(xiàn)場條件不允許，那么應(yīng)該把屏放在這些設(shè)備的上方。 </p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　本設(shè)計是通過對調(diào)壓站各關(guān)鍵部位參數(shù)的實時

70、采樣監(jiān)測，經(jīng)PLC運算和處理，并作用于執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了對調(diào)壓站天然氣的自動調(diào)壓限流。系統(tǒng)可以通過本地人機界面和遠程網(wǎng)絡(luò)兩種方式進行操作，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、報警設(shè)置和時間設(shè)置等各項常規(guī)操作，各功能均以菜單形式顯示，清楚明了，簡單方便；為了實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理和遠程監(jiān)控，本系統(tǒng)為上位機預(yù)留了標準的Modbus通信接口，可以方便地與上位機實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。經(jīng)多次模擬仿真證明，該系統(tǒng)工作安全、穩(wěn)定且可靠，抗干

71、擾能力強，性價比高，將為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟和社會效益 。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 常曉玲主編．電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器．北京：機械工業(yè)出版社．2004.</p><p>　　[2] 高欽和編著．可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計實例．北京：人民郵電出版社.2004. </p><

72、p>　　[3] 田明編著．觸摸式可編程終端．北京：機械工業(yè)出版社，2006. </p><p>　　[4] 張運剛編著．從入門到精通：觸摸屏技術(shù)與應(yīng)用．北京：人民郵電出版社．2007. </p><p>　　[5] 嚴盈富編著．觸摸屏與PLC入門．北京：人民郵電出版社.2006. </p><p>　　[6] 薛迎成編著．PLC與觸摸屏控制技術(shù)．北京：中國電力

73、出版社.2008. </p><p>　　[7] 蓋勒.D．A．GellerDavidA．著．可編程序控制器原理與設(shè)計．北京清華大學(xué)出版社.2006.</p><p>　　[8] 陳浩編著．案例解說PLC、觸摸屏及變頻器綜合應(yīng)用．北京：中國電力出版社.2007. </p><p>　　[9] 國家標準局編．電氣制圖及圖形符號國家標準匯編．北京：中國標準出版社.198

74、9． </p><p>　　[10] 榮大龍．組態(tài)軟件編程PLC串行通訊技術(shù)及應(yīng)用．微機算機信息．2002．11.</p><p>　　[11] 寥常初主編．西門子人機界面組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)．北京：機械工業(yè)出版社.2006．7． </p><p>　　[12] 于慶廣主編．可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計．清華大學(xué)出版

75、社．2004．1.</p><p>　　[13] SIEMENS公司．深入淺出西門子S7-200PIZ．北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2005．9. </p><p>　　[14] 殷洪義主編．可編程控制器選擇、設(shè)計與維護．北京：機械工業(yè)出版社．2003．1. </p><p>　　[15] S．Brian Morriss．Programmable Logic Ct

76、rollers．New York：Pearson Education Press．2002． </p><p>　　[16] Johnw．Webb．Ronald A．Reis．Programmable. Logic Ctrollers-principles and application．New York：Pearson Education Press．2002．</p><p>　　[1

77、7] Hansen.D．Review of EMC main aspects in fast PLC including some history．Electromagnetic Compatibility．Volume 1．11-16 May 2003．</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本設(shè)計是在導(dǎo)師張利娜張老師的嚴格要求和精心指導(dǎo)下完

78、成的。從設(shè)計的構(gòu)思、選題到設(shè)計的每一個細節(jié)都凝聚著導(dǎo)師的心血。半年來，導(dǎo)師給我提供了多次上機模擬實驗的機會，介紹了許多相關(guān)資料書籍讓我查閱學(xué)習(xí)，讓我的不斷學(xué)習(xí)親自解決實際問題，并且在學(xué)習(xí)和生活等各方面，導(dǎo)師都給了我無微不至的關(guān)懷。老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格、富有創(chuàng)造力的思維、淵博的學(xué)術(shù)知識和廣泛的實際經(jīng)驗深深地影響著我。在此，向張利娜張老師表示我最誠摯的感謝和最崇高的敬意。 </p><p>　　感謝電子與電氣工程學(xué)院的