工業閥門數據監控系統設計

楊 健

（湖北洪城通用機械股份有限公司，湖北荊州 434000）

1 引言

大口徑進出油氣水管道閥門具有截止、開啟、配送和調壓等功能，是保障遠距離輸送石油、天然氣及水輸送管道安全運行的重要設備，一般安裝于遠離城市的郊外，自然環境惡劣，基本都采用定期派人員巡視的管理方式。為了適應現代工業現場管理方式的需要，管理層要求適時了解當前各地的運行狀況，以便做出正確的決策，所以對油氣水管道及閥門的全程監控是一項長期而重要的工作。

根據這種要求，經分析決定采用分布式計算機監控方案，現場采用PLC控制，上位計算機與現場PLC通過通訊模塊交換數據，計算機工藝流程畫面顯示整個管線當前的工作狀態。所采用的數字化網絡技術、傳感器技術，可實現閥門等現場設備的開啟、預警、遠程監控和管理，以實現“無人值班、少人職守”。

2 工業閥門數據監控系統的控制過程

工業閥門數據監控系統是針對油氣水管網中閥門狀態及管道參數的數據采集監控系統，將各閥門站和管道內油氣水的流量、壓力、溫度等參數集中送往遠程監控中心計算機進行處理，并實現顯示、打印、貯存、報警、控制及繪制歷史記錄曲線等功能，管理人員隨時了解管道中的溫度、壓力等參數的變化與發展趨勢，掌握各參數對油氣水輸送效率的影響；現場PLC還內置有監控程序，當閥門站出現緊急情況時，PLC可不需系統命令直接使閥門開或關，減少了因通訊滯后或故障帶來的危險，增強了系統的可靠性；系統中關鍵參數自動記錄，根據設置的參數實現自動開、關閥及自動報警。

3 工業閥門數據監控系統的方案制訂

遠距離監控可建專網、拉專線、GPRS或CDMA等方式，但都存在初始投資大、運行成本高、可維護性差等問題。經方案比選，無線數傳模式能滿足系統在30km內的數據采集、現場控制、數據更新等方面的要求，且投資及運行成本低、可移植性好，也可免維護。

工業閥門數據監控系統采用無線電臺方式實現遠程數據采集、監視與控制，能夠對距離在30km的油氣水管網、基站、轉壓站、閥門站實現集中管理，并可擴展對油氣水管網的交流高低壓配電設備、控制柜的智能儀表、空壓機、閥門組等設備以及周圍環境的防盜、過壓、泄露、停電狀態進行數據采集、反向控制、故障診斷、遠程啟動，達到遙測、遙控、自動報警等功能。

工業閥門數據監控系統具體由監控中心上位機、監控中心數傳模塊及天線、開關電源、功放模塊、現場數傳模塊及天線、RS485接口模塊、PLC控制單元、輸入輸出模塊、傳感器組及閥門驅動裝置組成，系統采用點對多點、多地址無線網絡，組成了完整的數據采集與監控系統，如圖1所示。油氣管道現場控制閥無線控制器是系統的下位機，如圖2所示。

圖1 油氣管道遠距離監控系統框圖

圖2 油氣管道現場控制閥無線控制器原理框圖

4 硬件設計

系統監控中心硬件由上位機、數傳模塊、全向天線及饋線組成。上位機工況較好，故選用性能較好的PC機；監控中心數傳模塊選用2710C型數傳電臺，設定工作頻率為230MHz，帶寬25 kHz，速率9600 bps，碼型8N1，另配有2710P型內置25W功放模塊和TQJ-230C型全向天線以滿足系統遠距離數據傳輸的要求。

油氣管道控制閥無線控制器原理接線圖如圖3所示，控制器選用FX2N-32MR型PLC做控制單元，并擴展485BD通訊接口模塊。

現場數傳模塊選用2710C型數傳電臺，設定發射頻率TX為230MHz，接收頻率RX為235zMHz，帶寬25kHz，另配有2710P型內置25W功放模塊和TDJ-230Y7型定向天線以滿足系統遠距離數據傳輸的要求。數傳電臺通過RS232←→RS485轉換器與PLC相連，因為采用串行數據鏈模式，鏈中所有設備都應具有相同的數據格式，而2710C型數傳電臺不支持7N1、8E2和8O2這三種碼型，故選定速率9600bps，碼型7E1。PLC中的通信參數寄存器D8120設置為8058，含義是：協議為Link，數據位為7，校驗為偶校驗，停止位為1，傳輸波特率為9600，硬件為RS-485，數目檢查為yes，控制為format4，并在站號寄存器D8121中設定PLC的設備地址。

PLC通過FX2N-4AD數模轉換模塊分別與HT-130型溫度變送器和HT-806型壓力變送器相連，采集油氣管道溫度和壓力等物理參數的變化。溫度、壓力變送器工作電壓為DC24V，輸出為4mA-20mA，溫度測量范圍-20℃至70℃，壓力測量范圍0MPa-6MPa。為滿足環境的苛刻要求，溫度、壓力變送器均選用隔爆型產品，防爆等級為ExedⅡCT4，防護等級為IP65。

因為現場工作環境較為嚴酷，且2710C型數傳電臺發熱較大，散熱問題關系到系統的穩定運行，為此控制器在結構和風扇控制方面進行了特別設計。控制器的機箱采用雙風扇設計，控制風扇的兩個溫控器分別為40℃和55℃，為避免產生固定風場影響散熱效果，控制器在機箱兩側后部設計了蝶形散熱孔，蝶形散熱孔具有很好的紊流效應，經試驗測試散熱效果良好，滿足了系統的要求。

5 軟件設計

5.1 組態軟件

監控中心組態軟件組態王集成了控制技術、數據庫技術、人機界面技術、網絡通信技術、圖形技術，運行于監控級計算機的軟環境中，包含動態顯示、報警、控件、趨勢、及網絡通信等組件，用戶界面友好，可以在畫面上動態顯示現場數據及運行狀態，并可執行控制操作。它支持各種可編程控制器、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等。設備對工程開發人員來說是透明的，開發者不必關心組態王與設備間的具體通訊協議，而只需在設備庫中選擇設備和接口的類型，即可方便地配置驅動程序，簡化了監控系統的組建過程，可滿足工業自動化場合大多數控制設備和過程監控裝置之間的通信的需要，用戶可方便實現計算機集散控制系統的集中管理功能。

圖3 油氣水管道控制閥無線控制器原理接線圖

5.2 開發環境

操作系統：Windows XP

數據庫：SQL_Server

開發工具與語言：組態王King Veiw_6.5；編程軟件FXGP_WIN-C

5.3 系統軟件組成

組態王系統軟件主要由圖4所示的6個功能模塊組成。

圖4 系統軟件模塊組成結構圖

5.3.1 主畫面及監控中心

系統主畫面及監控中心設計采用了面向對象技術、模板技術及多任務技術，是基于工控組態軟件組態王的第二次開發，采用靜態圖形和動態畫面相結合，可直觀地反映了系統的結構與運行狀態。各閥門站的油氣水溫度、壓力等重要模擬量的顯示采用動態文本，畫面數據根據庫標簽數值的變化實時刷新。閥門既可由操作人員就地控制，也可通過監控系統實現遠程控制。圖5為監控系統主畫面。

5.3.2 數據趨勢曲線

趨勢曲線直觀地描述數據隨時間的變化關系，系統趨勢曲線包括實時曲線和歷史趨勢曲線。實時曲線是現場數據的圖形化表示，歷史趨勢曲線則記錄系統過去的數據信息，方便系統管理員對歷史數據及事件進行分析。歷史曲線可以反映出各模擬量的變化趨勢，通過設置的左右指示器可方便查看過去某一時段各個數據的最大、最小及平均值，了解管線中油氣壓力與溫度波動的關系，以便指導油氣水安全、合理的調配。同一歷史趨勢曲線圖中最多可顯示8個不同的歷史數據，用戶可根據實際需要打印某一時段一個或多個數據曲線。

系統歷史趨勢曲線可以完成歷史數據的查看工作，用戶很方便進行某個時間段內各閥門站一個或多個變量的查詢，一個畫面中可定義數量不限的趨勢曲線，在同一個趨勢曲線中最多可同時顯示8個變量的變化情況，系統歷史曲線瀏覽畫面如圖6所示。

圖5 監控系統主畫面

畫面由3部分組成。①曲線瀏覽區；②數據分析區（右）；③曲線控制區（下）。首先在畫面通過控件如歷史趨勢控件、按鈕、輸入輸出文本框等設計圖形；再選擇菜單“數據庫／數據詞典”。定義生成歷史記錄的變量屬性，只有在“變量定義”對話框中使變量的“是否記錄”選項有效時，才能在歷史趨勢曲線中顯示此變量的變化情況；接著選擇歷史趨勢控件要顯示的變量；最后根據系統要求對各圖形元素進行編程。

5.3.3 數據報表

系統數據報表分為時報表、日報表、月報表和年報表。時報表記錄閥門站主要數據參數（溫度、壓力、系統操作員等），按用戶提出的要求，每隔一分鐘，將系統采集的實時數據寫入報表中，每小時生成一個獨立的文件，文件名由系統當前時間加上必要的標識符組成，便于用戶管理。時報表由60條記錄組成，表頭包含閥門站號、日期、時間等基本信息，表尾是系統動態生成的這一時段內各參數的最大、最小及平均值。日報是反映系統參數每天的數據信息，由時報表的統計值派生而成。月、年報表的生成方法與日報表相同，多種不同的報表給用戶數據管理帶來極大的方便。

5.3.4 數據庫管理

數據是任何一個系統的靈魂，數據庫訪問是系統管理不可缺少的工具，也是工作報表的數據來源，數據庫功能的強弱程度直接關系到軟件所擁有的用戶量。由于組態王使用的內部數據庫格式是自定義的，與通用數據庫格式上不兼容，影響了用戶直接監控檢測數據，給用戶帶來不便；同時當采集頻率較高和存儲時間要求較長時，生成的歷史數據庫占用的磁盤空間會比較大；另外，提供的數據輸出形式主要以報表為主，數據統計與查詢功能較弱，一般不能很好地滿足實際工程的要求。系統利用組態王提供的通用數據庫的ODBC功能，直接將實時數據存入SQL Server數據庫中，數據之間的采樣間隔靈活，達到海量數據長期保存之目的，各閥門站的數據被存放于同一個數據表中，同時增加對數據的多種查詢、排序、插入、刪除和打印輸出及動態生成和選擇數據表等功能，實現對組態軟件數據庫功能的擴展，滿足不同管理者的需要。

5.3.4.1 與數據源進行連接與設置

首先在Windows控制面板的32位ODBC數據源管理器中選擇SQL Server驅動程序，定義一個數據源名（如dbkv6.5），并與準備好的數據庫連接；然后在指定的畫面中插入KVDBGrid數據庫控件并命名為grid；選擇控件右鍵菜單中“控件屬性”，彈出控件固有屬性頁，將其與預先定義好的數據源dbkv6.5進行連接，并選擇數據庫中的一個數據表作為初始值，如圖7所示，將表格、顏色、字體與打印等屬性頁進行設置。也可通過命令語言對grid的相關屬性進行修改。

圖7 數據表屬性配置示意圖

5.3.4.2 變量的定義

根據對數據庫操作的具體情況，在系統數據詞典中定義相關變量。本例系統每月自動生成一個與當前年月時間為名的數據表；將監控對象的實時數據每分鐘進行保存或根據需要隨時保存；選擇一個數據表作為當前數據對象，按條件和數據范圍進行數據動態查詢、按不同的關鍵字進行排序；將結果按設定的格式進行打印等。系統定義的主要變量如表1所示。

5.3.4.3 編寫數據庫表格模板和記錄體

為滿足系統運行時自動生成數據表，須編制一個與表結構相同的表格模板，本例模板名為Tabletemp，該模板的結構如表2所示。

向數據庫寫入數據是以記錄體為單位，記錄體的結構須與數據表的結構相匹配，記錄體中每個成員由系統內存變量或IO變量組成，其結構如表3所示。

表1 系統變量情況一覽表

表2 數據表格模板Tabletemp的結構

表3 記錄體結構表

5.3.4.4 功能實現

（1）動態生成和選擇數據表

系統采用將數據按月存放的方法，月初系統通過后臺方式自動生成以年月為名的數據表，并檢測該表是否存在。進行數據處理時用戶可任意選擇數據對象，如不選擇將默認為當月數據表。

（2）數據排序

排序是分析數據最基本的手段之一，用戶可用單選框選擇排序的關鍵字，并通過按鈕改變升、降序排列方式，實現多視角的數據分析與瀏覽。

（3）條件查詢

根據選擇的查詢對象，系統自適應輸入數據的類型，當選擇日期為查詢對象時，日歷將自動調整為與數據對象相適應，方便用戶快速輸入查詢條件，充分體現了人性化設計原則。

（4）范圍查詢

范圍查詢可適應不同的用戶對數據的需求，允許用戶輸入查詢對象所處的范圍，如輸入條件有誤系統則彈出錯誤提示框進行提示。

（5）歷史趨勢曲線ODBC數據顯示功能

歷史趨勢曲線控件可顯示ODBC數據源中的數據，但對數據表格有要求：表中必須有一個日期字段（為日期時間類型）和一個表示毫秒的字段（為整型）。寫入到數據庫中的日期字段應該為日期時間格式，在組態王中沒有日期時間型的字段，系統在自動生成數據表時，需要進行一些處理，先用JAVA編寫一個應用程序，然后采用調用外部應用程序的方式，將系統生成的日期字段改為滿足控件要求的類型。

通過對組態王數據庫功能的開發，增強了系統對數據的訪問能力，克服了原有數據輸出形式單一的不足，進一步提高了數據的可移植性和后續處理能力。圖8為本系統利用組態王進行數據庫管理運行的主要畫面。

圖8 數據庫管理畫面

5.3.5 報警及用戶管理

報警管理功能是監控系統的另一特色。組態王通過定義變量的報警屬性來產生變量的報警事件。當某變量的實際值超出其設定的報警范圍時立刻彈出報警畫面，并可通過語音提醒管理員及時處理。本系統也可設置成無人值守工作方式，在該方式下，當出現報警信息時，系統能自動處理，遇到緊急狀態則關閉或開啟相關閥門，以免發生重大安全事故。所有的報警信息和用戶的操作事件都可通過多種方式保存和輸出，方便管理員查詢。

系統安全管理功能為了保證正常監控的需要，防止誤操作造成重大事故，要明確操作人員的職責范圍，同時兼顧軟件本身的安全性，防止非操作人員誤操作。對于操作人員的職責范圍，在程序設計時候通過ID號及密碼確認，設定不同層次的操作者的操作權限和安全區，任何操作者不能越權和跨區的操作，保證系統的安全。

5.3.6 閥門站

閥門站PLC選用FX2N-32MR作為RTU單元，實時測控軟件采用邏輯梯形圖編制，兼有就地按鈕和遠方監控中心兩種控制方式，檢測閥門開啟、關閉、全開、全關、提升到位、下降到位以及閥門開、關過力矩等信號，并將現場采集壓力、溫度、振動、流量、閥門開度信號進行A／D轉換，然后將數據通過數傳電臺傳送到監控中心上位機，同時也通過數傳電臺從監控中心上位機接收控制指令，對閥門站電動裝置進行控制。當出現超溫、過壓和過力矩等緊急情況時PLC將執行緊急處理程序。其控制過程流程如圖9所示。

圖9 PLC監控程序流程圖

6 技術特點

基于無線電臺通信技術，上位機、PLC及無線電臺建立物理連接后，PLC實時采集各傳感器數據，每個掃描周期都把現場設備狀態的位元件和字元件采用串口通信和無線數傳方式上傳至上位機，再通過工程量轉換，在狀態監視畫面上用圖表的形式還原成設備的實際狀態；上位機也可通過下載命令字至PLC，調節現場閥門的運行狀態。通信實現簡便，實時性好，可靠性高。

基于面向對象、多線程、OLE、COM組件和組態軟件技術的監控系統將管理與控制相結合，不但能對工藝流程進行過程控制，而且還有數據報表等管理功能，從而省掉了大量的記錄儀、數顯表，既降低了投資成本，又可使采集的數據更直觀、準確、可靠；系統還具有多級權限，多方面保證系統安全可靠的運行。

智能型控制技術實現了自動操作及遠距離控制，具有自動緊急控制功能，避免人工干預，大大減少因誤操作引起事故的可能性，進一步提高了系統的安全性。

7 結束語

本系統已成功應用于城市天然氣管網項目中，運行狀態良好，解決了管理層遠方調控輸送管線工藝流程的問題。該系統通過分布式監控提高了系統的響應能力；過程控制模式使用戶準確了解當前和歷史運行狀況。監控系統運行穩定可靠，且節省了建設投資和維護成本，可推廣到其它工業現場監控領域，隨著我國經濟的進一步發展，“無人值班，少人職守”的先進管理模式將進一步普及，數據監控系統的應用將更為廣泛。

［1］FX2N系列可編程控制器使用手冊.三菱電機公司.

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［3］邱公偉.可編程控制器網絡通信及應用［M］.清華大學出版社，2000.

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