李歡歡，楊世鳳，呂志成，于 樂，郝曉兵，李天琦

(1.天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222；2.天津奧美自動化系統(tǒng)有限公司，天津 300457)

0 引言

電動閥門是工業(yè)自動化系統(tǒng)中的一個重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、水電、船舶等重要領(lǐng)域[1]，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)的可靠性及安全性[2]。如何遠(yuǎn)程監(jiān)控與各產(chǎn)業(yè)節(jié)點(diǎn)掛鉤的閥門運(yùn)行狀態(tài)，從而保證各產(chǎn)業(yè)鏈的正常運(yùn)行，是企業(yè)關(guān)注的一個重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的閥門遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)雖然能滿足基本控制需求，但隨著工業(yè)自動化的發(fā)展[3]，已不能滿足智能化的需要，主要體現(xiàn)在布線繁瑣、施工周期長、線纜易損壞，后續(xù)系統(tǒng)檢修維護(hù)難度大，且多采用觸摸屏或組態(tài)王進(jìn)行開發(fā)，人機(jī)交互界面不夠直觀友好，均僅能實現(xiàn)單一的數(shù)據(jù)采集與復(fù)現(xiàn)，難以實現(xiàn)復(fù)雜算法對采集數(shù)據(jù)的處理優(yōu)化等。

本文提出一種新型電動閥門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合可編程邏輯控制器及無線終端，其創(chuàng)新點(diǎn)在于既解決了長距離布線的維護(hù)難度大等問題，同時又實現(xiàn)了電動閥門的遠(yuǎn)距離監(jiān)測控制、數(shù)據(jù)分析處理、顯示與報警等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)在LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺上搭建了監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。上位機(jī)LabVIEW與下位機(jī)可編程邏輯控制器均通過RS485物理接口與無線終端相連，兩個無線終端之間通過無線Modbus協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交互。下位機(jī)通過控制繼電器吸合控制電動閥門動作的同時將電動閥門的狀態(tài)信息通過無線終端上傳給上位機(jī)，上位機(jī)獲取數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)信號傳輸主要涉及控制部分和反饋部分，控制部分主要涉及開關(guān)量的動作指令和模擬量的設(shè)定指令；反饋部分則涉及執(zhí)行器的諸多狀態(tài)信息的實時上傳，如遠(yuǎn)程現(xiàn)場切換指令、到位信號、綜合故障報警、模擬通訊故障等信號。系統(tǒng)采集的閥門實時狀態(tài)信息由上位機(jī)軟件進(jìn)行統(tǒng)一判別處理，上位機(jī)實時獲取現(xiàn)場閥門的運(yùn)行參數(shù)，并以圖文形式顯示，實時監(jiān)測現(xiàn)場閥門的運(yùn)行狀態(tài)，充分發(fā)揮了LabVIEW圖形界面的優(yōu)勢[4]。當(dāng)監(jiān)測到現(xiàn)場閥門運(yùn)行狀態(tài)與預(yù)期設(shè)定不符時系統(tǒng)自動報警并顯示故障原因，同時閥門設(shè)備可自動運(yùn)行到預(yù)設(shè)安全位置(全開、全關(guān)或中間位置)，從而保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備和人身安全。用戶可通過上位機(jī)軟件對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定或修改，無需深入現(xiàn)場，無需更改程序即可完成對現(xiàn)場閥門的遠(yuǎn)程操作控制，并結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定及存儲等，方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理等。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器是整個控制系統(tǒng)的傳輸媒介[4-5]。為滿足本系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)控制需要合理選擇并配置擴(kuò)展模塊，數(shù)字量控制部分涉及閥門的開關(guān)停的動作等，控制部分涉及閥位設(shè)定等，通過數(shù)學(xué)計算預(yù)備足夠的I/O點(diǎn)將閥門開關(guān)信號及閥位控制信號下達(dá)至執(zhí)行器的中央控制單元；反饋部分則根據(jù)閥門功能情況和系統(tǒng)實際所需交互信息進(jìn)行規(guī)劃，最終確定系統(tǒng)可編程邏輯控制器的擴(kuò)展模塊配置。為保護(hù)系統(tǒng)CPU以及方便后期維護(hù)工作展開，系統(tǒng)將輸入模塊和輸出模塊分開供電，嚴(yán)格遵守電源功率預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)。

本系統(tǒng)結(jié)合實際需求對PLC進(jìn)行如下配置：

(1)數(shù)字量模塊通過控制繼電器吸合斷開動作進(jìn)而控制電動閥門的動作；

(2)模擬量模塊對電動閥門實時閥位值進(jìn)行設(shè)定并將其反饋給上位機(jī)；

(3)系統(tǒng)通過給可編程邏輯控制器配置Modbus總線，通過該總線實時傳遞閥門諸多狀態(tài)信息給上位機(jī)。

可編程邏輯控制器部分配置圖如圖2所示，可編程邏輯控制器通過配置數(shù)字量模塊完成上位機(jī)對電動閥門的開關(guān)單元的控制，主要包括閥位控制指令和保護(hù)指令；通過配置模擬量模塊完成上位機(jī)和下位機(jī)的各模擬量參數(shù)的設(shè)定與采集。隨著工業(yè)現(xiàn)場總線的誕生，擴(kuò)展Modbus通信模塊即可實現(xiàn)信息雙向交互，出于實時性、安全性及可靠性考慮，本系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)和總線并行傳輸方式，系統(tǒng)反饋部分通過總線方式將閥門所有的狀態(tài)信息傳遞給上位機(jī)，控制部分的部分信號則采用點(diǎn)對點(diǎn)硬接線的方式，配置如上所述，既減少了中間繼電器的使用，避免現(xiàn)場冗余接線，又對閥門控制實時性有了很大改善，在保證系統(tǒng)信息完整性的前提下顯著縮減了系統(tǒng)成本。

圖2 可編程邏輯控制器部分配置圖

2.2 無線終端

為實現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息交互，本系統(tǒng)在上位機(jī)和下位機(jī)均配備無線數(shù)傳終端，該終端為歐美系PLC專用無線終端，內(nèi)嵌RS232和RS485雙接口，多波特率可選，完全兼容PPI協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，采用全數(shù)字加密無線傳輸方式，內(nèi)部集成EMI抗干擾濾波單元，具備穿墻繞射的能力，適用于惡劣工況環(huán)境，無線可靠傳輸距離達(dá)3 km，且該距離根據(jù)實際需求進(jìn)行相應(yīng)配置。該無線終端與LabVIEW和PLC之間均采用Modbus-RTU協(xié)議，而兩個終端之間采用無線Modbus協(xié)議或無線PPI協(xié)議，內(nèi)置隔離模塊，有效減小同頻干擾，最終實現(xiàn)中控室與現(xiàn)場之間的數(shù)據(jù)無線傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)和下位機(jī)2部分，硬件配置后經(jīng)合理的軟件設(shè)計即可實現(xiàn)二者的雙向?qū)崟r通訊，從而實現(xiàn)上位機(jī)對閥門的實時監(jiān)測和控制。

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計

下位機(jī)程序主要涉及主程序、下發(fā)指令和數(shù)據(jù)采集等多個子程序的調(diào)用，主要完成上位機(jī)指令的傳輸及控制對象的信息采集。由于可編程控制器輸入輸出點(diǎn)眾多，涉及變量也眾多，為簡化邏輯，提高程序的復(fù)用性，系統(tǒng)采用子程序調(diào)用方式同時采集多臺電動閥門信息，充分發(fā)揮了模塊化編程可復(fù)用及可擴(kuò)展的優(yōu)勢，在保證信息完整性的前提下減少了系統(tǒng)編程工作量。下位機(jī)程序流程圖如圖3所示。

圖3 下位機(jī)程序流程框圖

系統(tǒng)運(yùn)行后，經(jīng)初始化后啟動各工作子程序，一方面接收上位機(jī)的控制指令，其中動作指令和調(diào)節(jié)指令由CPU分析處理后分別經(jīng)由輸出擴(kuò)展模塊傳遞給電動閥門。另一方面，將實時獲取的閥門反饋信息由輸入擴(kuò)展模塊以及總線傳至上位機(jī)，最終電動閥門所有相關(guān)信息均匯總到上位機(jī)，由上位機(jī)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)，采用數(shù)據(jù)流編程方式及具有極大靈活性及可擴(kuò)展性的狀態(tài)機(jī)編程思想[5]，提高了程序運(yùn)行的速度，充分發(fā)揮了LabVIEW在工業(yè)自動化領(lǐng)域的優(yōu)勢。

3.2.1 上位機(jī)軟件編程思想

本監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對電動閥門的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)狀態(tài)信息的讀取、分析處理和結(jié)果顯示等功能，主要由4部分構(gòu)成：一是參數(shù)設(shè)定，電動閥門各參數(shù)的設(shè)定，如閥位值、采樣時間間隔、采樣周期、遠(yuǎn)程現(xiàn)場切換等參數(shù)的設(shè)置；二是數(shù)據(jù)操作，實現(xiàn)對電動閥門的諸多信息，如實時閥位值、實時力矩、到位信號等的實時采集，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理；三是故障報警操作，涵蓋報警條件的設(shè)定及處理，維護(hù)電動閥門所在生產(chǎn)線的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行以及周邊環(huán)境安全，保證電動閥門安全穩(wěn)定運(yùn)行；四是數(shù)據(jù)庫操作，主要涉及數(shù)據(jù)存儲、歷史查詢等報表管理功能。圖4為上位機(jī)軟件功能框圖。

圖4 上位機(jī)軟件功能框圖

3.2.2 系統(tǒng)上位機(jī)串口程序設(shè)計

鑒于同波特率下，Modbus-RTU協(xié)議相對Modbus-ASCII協(xié)議能傳送更多數(shù)據(jù)[6]，故LabVIEW采用Modbus-RTU協(xié)議與可編程邏輯控制器進(jìn)行實時通訊。考慮到系統(tǒng)的兼容性及擴(kuò)展性，LabVIEW利用VISA串口與PLC進(jìn)行串口通信[3，7]，通過在程序中設(shè)置合理的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位及停止位來實現(xiàn)與下位機(jī)實時信息互傳的功能，串口通訊主要步驟如下：一是串口初始化，利用VISA配置串口節(jié)點(diǎn)來設(shè)定串口的端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位及停止位[8]；二是寫串口；三是加入適當(dāng)延時，以保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性；四是關(guān)閉串口。圖5為串口通訊部分程序。

圖5 串口通訊部分程序

3.2.3 曲線擬合與故障報警

系統(tǒng)基本報警機(jī)制包括布爾狀態(tài)信息報警和動態(tài)性能報警。布爾狀態(tài)信息報警體現(xiàn)在執(zhí)行器發(fā)生故障時，相關(guān)狀態(tài)的數(shù)字量信號由總線反饋給上位機(jī)，經(jīng)解析后對應(yīng)相關(guān)指示燈及故障代碼，已涵蓋執(zhí)行器基本故障信息；動態(tài)性能報警則可視為驗證電動閥門的運(yùn)行性能時一個必要輔助工具，利用其可充分驗證閥門實時動態(tài)特性，通過對設(shè)定值和響應(yīng)值進(jìn)行數(shù)據(jù)差值分析，完成閥位檢測與故障報警等功能的同時實時分析閥門的動態(tài)響應(yīng)參數(shù)，驗證其動態(tài)性能。

為驗證電動閥門響應(yīng)的時效性，需獲取系統(tǒng)運(yùn)行過程中的動態(tài)響應(yīng)參數(shù)，從而表征電動閥門的響應(yīng)時效。通過在響應(yīng)控制指令的動態(tài)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)連續(xù)采集多個點(diǎn)，系統(tǒng)自動計算采樣點(diǎn)間隔區(qū)間內(nèi)的線段積分，計算曲線報表中的同一采樣時段對應(yīng)的給定曲線和響應(yīng)曲線的積分比得到電動閥門的響應(yīng)時效。據(jù)此構(gòu)建數(shù)學(xué)模型如圖6所示，2條曲線分別代表給定曲線(a)和響應(yīng)曲線(b)，其中，縱坐標(biāo)分別為當(dāng)前給定閥位及響應(yīng)閥位千分比，橫坐標(biāo)是時間，選取中間某段作為示意，設(shè)該段起始點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)及終點(diǎn)分別為t1、t2、t3，則有：

(1)

式中：η為執(zhí)行器的響應(yīng)時效表征值；y1(t)、y2(t)分別為給定曲線(a)和響應(yīng)曲線(b)的曲線函數(shù)。

圖6 響應(yīng)時效示意圖

y1(t)、y2(t)由系統(tǒng)連續(xù)多個采樣點(diǎn)擬合而成。執(zhí)行器內(nèi)部響應(yīng)在初期未接近目標(biāo)指令時主要是比例調(diào)節(jié)，呈線性增長趨勢；在后期趨近目標(biāo)指令時結(jié)合積分調(diào)節(jié)及微分調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，減小超調(diào)量，此時響應(yīng)曲線近似于多項式，經(jīng)多次試驗，曲線擬合在前后期分別采用線性擬合和多項式擬合，系統(tǒng)采集所需數(shù)據(jù)經(jīng)由系統(tǒng)分析處理后得到執(zhí)行器動態(tài)響應(yīng)時效表征值。為獲取系統(tǒng)實時平均響應(yīng)時效表征值，采用帶偏差修正的指數(shù)加權(quán)平均法，公式如下：

(2)

系統(tǒng)利用LabVIEW中的移位寄存器直接將前一次響應(yīng)時效平均值傳遞給輸入，結(jié)合式(2)即可獲取當(dāng)前響應(yīng)時效平均值，相對于保存最近的幾組數(shù)據(jù)加權(quán)平均獲取平均值的方法，指數(shù)加權(quán)平均法更為方便，整個過程只需圍繞上式進(jìn)行，占用內(nèi)存更少。鑒于執(zhí)行器動作存在正反向，整個加權(quán)平均的運(yùn)算采用條件結(jié)構(gòu)以區(qū)分方向，并分別加以計算。假設(shè)當(dāng)前閥門是正常運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)當(dāng)前響應(yīng)值滿足式(3)任一條件時，系統(tǒng)會判定當(dāng)前執(zhí)行器發(fā)生故障。

(3)

式中：γ為響應(yīng)時效報警參數(shù)；|η|為當(dāng)前響應(yīng)平均值；α為執(zhí)行器閥位安全閾值。

執(zhí)行器的比例系數(shù)起伏不大，基本穩(wěn)定，但為預(yù)防系統(tǒng)誤報警，設(shè)計時仍需給系統(tǒng)判斷留有一定裕量，經(jīng)多次試驗，本系統(tǒng)最終采用當(dāng)前響應(yīng)值小于當(dāng)前響應(yīng)平均值的80%時，系統(tǒng)會判定當(dāng)前執(zhí)行器發(fā)生故障。如式(3)所示，給定一個既定保護(hù)閾值變量α，當(dāng)設(shè)定值與響應(yīng)值差值絕對值超出α?xí)r，系統(tǒng)同樣會判定當(dāng)前執(zhí)行器發(fā)生故障。系統(tǒng)發(fā)生報警時，一方面人機(jī)界面報警指示燈閃爍，LabVIEW利用ActiveX控件調(diào)用Windows系統(tǒng)自帶的媒體播放器，播放預(yù)設(shè)的報警鈴聲；另一方面，系統(tǒng)故障時間、次數(shù)及代碼會自動存儲于數(shù)據(jù)庫，方便后續(xù)故障排查。在故障報警時刻電動閥門會自動運(yùn)行到預(yù)設(shè)安全位置，確保設(shè)備不受損壞。

3.2.4 數(shù)據(jù)庫管理

LabVIEW上位機(jī)中采用ACCESS數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時存儲等[9]，使用Database Connectivity Toolkit工具包來實現(xiàn)LabVIEW和數(shù)據(jù)庫之間的動態(tài)交互功能，對相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲、檢索均使用SQL語句與G語言配合編寫。將相關(guān)數(shù)據(jù)存于后臺的 Access 數(shù)據(jù)庫文件中，在PC端進(jìn)行ODBC(open database connectivity)數(shù)據(jù)源配置[9]，主要涉及DSN及數(shù)據(jù)庫文件的創(chuàng)建?；静僮鞑渴鹜瓿珊?，LabVIEW便可通過與目標(biāo)數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)的DSN訪問該目標(biāo)數(shù)據(jù)庫。利用LabVIEW自帶的 database 函數(shù)通過 ODBC 數(shù)據(jù)庫訪問接口對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫訪問，實現(xiàn)了用戶通過界面上的按鍵完成人機(jī)交互功能，LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫示例見圖7。

圖7 LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫部分程序

4 系統(tǒng)測試

本監(jiān)測系統(tǒng)兼容老化試驗自動測試等功能，該自動測試功能有3種模式：一是給定調(diào)節(jié)；二是均值調(diào)節(jié)；三是隨機(jī)調(diào)節(jié)。給定調(diào)節(jié)由用戶自行給定閥位變化曲線，設(shè)置閥位值變化的時間點(diǎn)和閥位值，經(jīng)曲線刷新即可自動生成；均值調(diào)節(jié)在均值曲線調(diào)節(jié)界面設(shè)置需求曲線的閥位變化范圍、時間間隔及閥位變化增量；隨機(jī)調(diào)節(jié)則隸屬系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置選項，用戶設(shè)置好變化時間后，系統(tǒng)閥位千分比在0～1 000之間隨機(jī)變化，從而自動生成閥位隨機(jī)給定曲線。將運(yùn)行曲線相關(guān)參數(shù)設(shè)置完畢，經(jīng)曲線刷新后單擊確認(rèn)，即可將指令發(fā)送給電動閥門讓其自動運(yùn)行。給定曲線設(shè)置效果圖如圖8所示。

圖8 閥門給定曲線設(shè)置界面

為檢驗該電控閥門監(jiān)測系統(tǒng)的性能，將本系統(tǒng)作用于視距1 km的1臺調(diào)節(jié)型電動閥門，對系統(tǒng)功能進(jìn)行監(jiān)測。給定均值調(diào)節(jié)，在圖8所示的給定曲線設(shè)置界面進(jìn)行均值參數(shù)設(shè)定后，實時監(jiān)測閥門運(yùn)行狀態(tài)。測試結(jié)果如圖9所示，可知閥門當(dāng)前為自動運(yùn)行測試狀態(tài)，運(yùn)行正常，參照閥位跟隨曲線，響應(yīng)跟隨給定效果良好，且曲線走向與執(zhí)行器內(nèi)部響應(yīng)跟隨器設(shè)計有較好的一致性，故而判斷，當(dāng)前閥門運(yùn)行正常，系統(tǒng)監(jiān)測功能良好。

圖9 上位機(jī)運(yùn)行效果圖

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的新型電動閥門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了電動執(zhí)行器動態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲及故障報警等功能，借助虛擬儀器平臺，用戶在PC端即可實時遠(yuǎn)程監(jiān)測現(xiàn)場閥門，系統(tǒng)投入現(xiàn)場使用后表明，本系統(tǒng)能夠高效能、低延時、高精度地完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和控制，具有良好的魯棒性、可靠性及實時性，后續(xù)可以在此基礎(chǔ)上完善設(shè)定功能，添加執(zhí)行器功能參數(shù)等。