張 興，周 炳，司江舸，唐乾偉，徐正榮，馬振超

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

某些海上老齡平臺(tái)發(fā)電機(jī)組儀表系統(tǒng)缺乏有效數(shù)字化監(jiān)測(cè)手段，機(jī)組元器件多采用模擬量指針儀表，誤差大。為進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，本文提出一種數(shù)字化儀表系統(tǒng)，通過總線技術(shù)、PLC控制技術(shù)和嵌入式Linux技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化儀表系統(tǒng)。

1 發(fā)電機(jī)一般儀表監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

發(fā)電機(jī)組一般儀表監(jiān)控系統(tǒng)常用獨(dú)立傳感器+儀表的簡(jiǎn)單組成形式，儀表系統(tǒng)硬件多、線路復(fù)雜，無通信擴(kuò)展接口或接口不統(tǒng)一，有的儀表系統(tǒng)在機(jī)旁與遠(yuǎn)程控制箱各設(shè)置1套儀表系統(tǒng)，維護(hù)成本高。

對(duì)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)而言，除上述儀表用傳感器以外，還需要各種控制開關(guān)器件，如機(jī)組溫度測(cè)量。除了滿足測(cè)量?jī)x表使用外，還必須安裝溫控開關(guān)滿足控制要求，有時(shí)預(yù)報(bào)警、報(bào)警、停機(jī)等功能對(duì)應(yīng)多個(gè)控制開關(guān)，極大增加了系統(tǒng)繁雜性。

常見儀表監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)儀表及控制系統(tǒng)布置圖

雖然這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功能單一，器件多，硬件體積大，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化等高級(jí)管理功能。

2 發(fā)電機(jī)組數(shù)字化儀表系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件

數(shù)字化儀表系統(tǒng)綜合采用模擬量傳感器、變送器、總線型儀表作為數(shù)據(jù)采集前端，通過 Modbus總線數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，而后通過PC機(jī)或PLC控制器+HMI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出與顯示。

發(fā)電機(jī)組數(shù)字化儀表系統(tǒng)的硬件構(gòu)成見圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由本地、遠(yuǎn)程系統(tǒng)2部分組成，本地部分實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和本地?cái)?shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)程部分用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化和信息化。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊采用研華ADAM4017+8通道16位AD模擬量輸入采集模塊，可采集電壓和電流模擬量信號(hào)，8通道都提供了可獨(dú)立編程量程范圍，支持 Modbus協(xié)議。本設(shè)計(jì)主要利用ADAM4017+來監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。各項(xiàng)傳感數(shù)據(jù)經(jīng)采集模塊的RS485接口總線發(fā)送到PLC控制器（西門子S7-1200系列PLC），PLC解析數(shù)據(jù)后將參數(shù)顯示在本地HMI上，同時(shí)再經(jīng)過RS485通信模塊繼續(xù)把參數(shù)傳輸?shù)絃inux嵌入式工控機(jī)，而后由工控機(jī)軟件系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的存儲(chǔ)、報(bào)警處理和顯示功能。

硬件設(shè)計(jì)部分包括：

1）根據(jù)ADAM4700系列軟件配置各個(gè)端口類型，選擇端口對(duì)應(yīng)信號(hào)類型（4-20Ma或0-5V），配置ADAM4700+模塊Modbus總線地址、通信速率、通道量程范圍、數(shù)據(jù)格式、工作方式和通信協(xié)議等。

2）組態(tài)PLC硬件組態(tài)，需使用2個(gè)CM1241 RS485通信接口模塊，其中 1#模塊用于與ADAM4700+通信，2#模塊用于與嵌入式 Linux工控機(jī)通信。

3）博途TIA軟件對(duì)S7-1200PLC編程，使用Modbus-RTU協(xié)議，將ADAM4700+模塊監(jiān)測(cè)參數(shù)，包括發(fā)電機(jī)組壓力、水溫和速度等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 DB模塊。

4）通過Profinet協(xié)議，將DB數(shù)據(jù)過濾處理后傳輸并顯示在HMI界面上，硬件采用MCGS帶以太網(wǎng)接口觸摸屏，它自帶西門子1200PLC網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，能快捷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

5）PLC控制器通過2# CM1241模塊，把DB數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)，并加載到平臺(tái)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，為其他部門提供開放數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和優(yōu)化等功能。

2.2 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

上位機(jī)軟件包括2部分程序：一部分程序是基于C的后臺(tái)數(shù)據(jù)通信程序，主要實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)與PLC控制器之間的數(shù)據(jù)通信和傳輸，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 Sqlite數(shù)據(jù)庫中；另一部分程序是基于 PHP的Web系統(tǒng)，運(yùn)行在嵌入式Linux系統(tǒng)下，該Web系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化綜合處理。軟件部分工作具體包括：

1）嵌入式 Linux工控機(jī)配置，主要包括安裝Nginx引擎、PHP服務(wù)器、Sqlite3數(shù)據(jù)庫、串口驅(qū)動(dòng)，也可通過安裝LNMP方式快速安裝。

2）編寫數(shù)據(jù)處理程序，接收PLC控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在Linux系統(tǒng)中。針對(duì)Modbus-RTU協(xié)議，在Linux系統(tǒng)中使用Mobus庫libmodbus-dev，安裝后直接在C程序中調(diào)用＜modbus.h＞文件。

3）輕量級(jí)Sqlite3數(shù)據(jù)庫，廣泛用于通信、工業(yè)生產(chǎn)等嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，并提供C/C++的API接口，主要如下。

（1）sqlite3_open(const char *filename, sqlite3**ppDb)，打開一個(gè)指向SQLite數(shù)據(jù)的文件連接。

（2）Sqlite3_exec(sqlite3*, const char *sql,sqlite_callback, void *data, char **errmsg)，執(zhí)行SQL命令，由 sql提供，語句格式為標(biāo)準(zhǔn) SQL語句；sqlite_callback是回調(diào)函數(shù)。

（3）sqlite3_close(sqlite3*)，關(guān)閉sqlite3_open()打開的數(shù)據(jù)庫連接。

利用上述API函數(shù)，通過C語言編寫數(shù)據(jù)接口程序，實(shí)現(xiàn)將各運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫中。

編寫Web網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)程序，主要基于PHP軟件，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面、數(shù)據(jù)管理后臺(tái)等。利用SpeedPHP框架設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用MVC模式，將數(shù)據(jù)和邏輯分開處理，同時(shí)封裝數(shù)據(jù)庫操作，可實(shí)現(xiàn)高效Web系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

通過研華ADAM4700+遠(yuǎn)程IO模塊采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過Modbus-RTU總線傳輸數(shù)據(jù)到PLC系統(tǒng)，再由PLC系統(tǒng)通過通信模塊與嵌入式Linux系統(tǒng)工控機(jī)連通起來，實(shí)現(xiàn)一套自上而下的數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)儀表監(jiān)控系統(tǒng)。

與普遍采用常規(guī)儀表控制相比，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成，降低了布線量，提升了系統(tǒng)數(shù)字化性能，同時(shí)軟件系統(tǒng)配置靈活，總線組網(wǎng)可以不斷擴(kuò)展功能。另外也可將ADAM4000模塊直接與MCGS軟件連接通信，能進(jìn)一步降低監(jiān)控系統(tǒng)成本。