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基于组态王的在线监测系统（数据采集）.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.53M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要
    1 绪言
    1.1 项目背景意义
    1.2课题研究的主要内容
    2 矿井主通风机在线监测系统方案设计
    2.1 系统整体方案的设计
    2.2 信号处理单元方案选择
    2.3 上位机组态软件选择
    3 矿井主通风机在线监测系统的硬件配置与电路设计
    3.1 监测点统计与布置
    3.1.1 监测点统计
    3.1.2 监测点的布置
    3.2 主要硬件设备选型
    3.2.1 工控机的选型
    3.2.2 传感器（变送器）的选型
    3.2.3 采集卡的选型
    3.2.4 系统供电电路的选用
    3.3 信息采集板卡接口电路
    4 矿井通风机监测系统的组态设计与实现
    4.1 数据采集板卡的安装与测试
    4.1.1 I/O地址的选择
    4.1.2 windows XP下板卡的安装
    4.1.3 板卡的测试
    4.2 数据采集方式
    4.3 基于组态王的监测系统设计
    4.3.1 通风机监测系统功能设计
    4.3.2 监测系统的设计流程
    4.3.3 监控系统主界面与监测功能的设计与运行
    5系统总结与展望
    参考文献
    摘要 随着现代工业技术的发展，矿井主通风机在线监测技术已成为领域研究的 热点，一方面人们对通风机的安全、稳定、满负荷运行、可靠性的要求逐步提 高；另一方面计算机技术、信号分析与处理技术得到越来越广泛而成功的应用， 使得当今风机在线监测技术日新月异，基于组态王和信息数据采集板卡的在线 监测系统越来越受到国内外的重视。正是在这一背景下，本文结合“矿井主通 风机在线监测系统的设计”这一课题做了相关的研究工作，文中着重从应用上 结合相关理论来研究了风机监测的技术实现，对其中的关键技术进行了分析， 对需要解决的问题作了较为深入的探讨。本设计主要完成以下工作： (1)完成了风机在线监测系统的整体设计，利用研华工控机和信息采集板卡 开发出低成本、高效能的监测硬件系统。 (2)采用组态王软件作为系统软件开发平台，完成风机运行状态监测系统的 软件设计开发，使系统能够将风机的运行状态和启动停止操作直观地显示在图 形界面上；同时，结合实时数据库技术，能够动态地模拟参数的显示以及历史 记录。 (3)完成了数据采集层的设计，包括风机监测参数、部位的确定和论证以及 测试元件的选择和论证，并对风机振动参数的的监测进行了相关研究。 关键词：矿井主风机；状态监测；工控机；信息采集板卡 I
    目录 1.1 1.2 摘要.......................................................................................................................................................... I 1 绪言...................................................................................................................................................... 1 项目背景意义...........................................................................................................................1 课题研究的主要内容................................................................................................................2 2 矿井主通风机在线监测系统方案设计....................................................................................................3 2.1 系统整体方案的设计.................................................................................................................... 3 2.2 信号处理单元方案选择.................................................................................................................4 上位机组态软件选择................................................................................................................4 2.3 3 矿井主通风机在线监测系统的硬件配置与电路设计.............................................................................. 8 3.1 监测点统计与布置......................................................................................................................... 8 3.1.1 监测点统计............................................................................................................................8 3.1.2 监测点的布置........................................................................................................................ 8 3.2 主要硬件设备选型......................................................................................................................... 9 3.2.1 工控机的选型........................................................................................................................ 9 3.2.2 传感器（变送器）的选型.................................................................................................... 10 3.2.3 采集卡的选型...................................................................................................................... 10 3.2.4 系统供电电路的选用............................................................................................................11 3.3 信息采集板卡接口电路...............................................................................................................11 4 矿井通风机监测系统的组态设计与实现............................................................................................ 12 4.1 数据采集板卡的安装与测试.........................................................................................................12 4.1.1 I/O地址的选择..................................................................................................................12 4.1.2 windows XP下板卡的安装..................................................................................................13 4.1.3 板卡的测试.......................................................................................................................... 14 4.2 数据采集方式...............................................................................................................................15 4.3 基于组态王的监测系统设计.........................................................................................................17 4.3.1 通风机监测系统功能设计...................................................................................................17 4.3.2 监测系统的设计流程..........................................................................................................17 4.3.3 监控系统主界面与监测功能的设计与运行......................................................................... 21 5 系统总结与展望................................................................................................................................... 25 参考文献.................................................................................................................................................26 II
    1 绪言 1.1 项目背景意义 在井工采煤中，矿井通风是矿井生产系统的一个重要组成部分，只有在当 矿井内建立与地面近似的大气条件时，采掘工作才能大规模地在深部进行。这 就要求必须在矿井这个特殊环境中实现通风。而主通风机是矿井四大固定设备 之一，由于其功率大，昼夜连续运转，因而耗电量大。因此，对生产部门来说， 及时准确地掌握主通风机的运转特性，对保障安全生产和提高经济效益又十分 重要的意义。 风机的监测系统主要有两类：一类是专用监测仪器系统，另一类是计算机 监测系统。专用监测仪器系统硬件所占比例很大，处理速度快，能给出精确的 直观图形。但这类设备价格往往较贵，专用性强，处理功能固定，不易作迸一 步的开发和改进，对分析结果的判定需要工程技术人员丰富的经验；近年来， 随着计算机技术的迅速进步，以计算机为核心的状态监测系统得到了很大的发 展。将计算机应用于风机的在线监测，可研制出一套既具有信息处理、比较、 判断、决策、显示等功能，又具有实时监测、控制能力的新型智能化仪表系统。 此类系统不但灵活性高。适应能力强，易于维护和升级，而且成本低。 利用计算机监测系统对风机实行在线监控，能给风机日常管理带来了很大 的方便，管理者随时都可以了解风机的运行情况。采用风机监测系统，风机出 现异常能够及时发现报警并进行处理，使得风机的运行周期增长，保证生产正 常进行。多数通风机都是进行定期检修，这不仅需要较大的人力和财力，而且 不能及时发现通风机的故障。因此，本文对矿井通风机的在线监测方面的研究 显得尤为重要。 本文从监测系统用户需求与功能分析出发，综合运用传感与检测技术，数 据采集技术、人机界面监测技术等，对风机运行状态在线监测控系统进行了研 究和开发，对工业生产具有十分重要意义。 1
    1.2 课题研究的主要内容 综上所述，为了对风机的运行状态实行在线监测，本文在分析状态监测技 术的现状及其发展的基础上，开展了以下的研究： (1)风机在线监测系统总体方案设计： (2)风机在线监控系统的整体设计，利用研华数据信息采集卡开发出低成 本、高效能的监测网络硬件系统； (3)风机监测参数、部位的确定和论证以及测试控制元件的选择和论证； (4)采用组态王软件作为系统软件开发平台，完成风机运行状态监测系统的 软件设计开发。 2
    2 矿井主通风机在线监测系统方案设计 2.1 系统整体方案的设计 方案一：考虑采用基于单片机和 A/D 转换芯片的矿井主通风机在线监测系 统设计，主要优点是成本低，缺点是由于数据采集量比较大，模数转换电路复 杂，单片机编程相比较而言相对繁琐，具体实施比较困难。 方案二：采用基于工控机和 PLC，以组态王作为上位机监测软件的方案进行 系统设计。以 PLC 及相关模块采集数据并用于相关参数的监测，但是众所周知， PLC 主要适用于系统的控制，本系统主要用于数据采集，用 PLC 成本高，不宜采 用。 方案三：采用以工控机和数据采集卡为主的硬件及相关组态软件进行矿井 主通风机在线监测系统的设计。依照数据采集卡的采用不同又可分为以下两种 方案： （1）风机监测系统的硬件部分由工控机、数据采集模块 、通信模块及其 它外围设备构成。数据采集由数据采集模块完成,并由通信模块把 RS-485 信号 转换 RS-232 信号并经通信线路接至工控机的 Com1 口。为了从串行口获得数据, 采用 VB 中的 Mscomm 控件。这种方法虽然比较成熟了，但是真正操作起来比较 复杂，特别是串口通信和编程不太方便，而且这些数据采集模块和信号转换模 块价格昂贵。 （2）采用工控机和数据采集卡作为硬件，它直接插入 ISA 扩展槽，接受传 感器采集的模拟信号。该方案可以省去复杂的通信设置，工控机可以通过直接 访问板卡设置的 IO 口地址来直接读取数据，而且功耗较低，价格便宜，便于实 施。 根据该系统所要完成的各项工作和方法，综合考虑各方面的因素，本系统 是一个可在实际矿井环境下应用的数据采集与分析系统，决定采用方案三中的 第（2）种方案，以工控机为核心，采用较高精度变送器、数据采集卡以及 Windows xp 环境下的组态王处理软件，实现风机性能参数的自动采集、监测、异常预报 警、记录存储、查询打印等功能。系统整体框图如图 2-1。 3
    2.2 信号处理单元方案选择 图 2-1 系统整体框图 由于工矿中的实际环境所决定，环境中有多种干扰，多为工业交流电引起 的工频干扰、电磁状态突变引起的脉冲干扰、地面或其它部位振动引起的脉动 干扰,以及温度环境变化引起的缓变误差干扰等。在实际现场环境中,由于干扰 源并非是单一的,传感器所拾取的信号一般包含有上述多种噪声信号。而且板卡 要求输入信号为 0-10V 模拟信号，所以传感器（变送器）所采集到的 4-20mA 电 流信号需要先转换成 0-10V 电流信号，然后在经过隔离，最后经过滤波之后输 入到数据采集卡端口。于是采集到的信号要经过一个数据处理单元进行处理才 能得到系统所必须的信号。 方案一：采用一些专用芯片或者市场上的一些成品模块，比如 Link-Max 产 品中的“环变系列”LM-1C1V 单路 4-20mA 转单路 0-10V 信号有源隔离转换器， 该方案实施起来方便易行，但是市场中的该类产品一般价格比较昂贵，性价比 不是太高。 方案二：采用分立元件和集成运放以及光耦等搭建信号处理模块，先是将 变送器采集到的 4-20mA 电流信号经 I/V 电路转换为 0-10V 电压电路，再经带偏 执电路抑制了非线性的光耦隔离，最后在进行有源低通滤波电路，得到复合监 测需要的信号送入到信号采集板卡。 从性价比及功耗上比较，决定采用方案二。 2.3 上位机组态软件选择 组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解 4
    为“组态式监控软件”。“组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置” 等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功 能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次 开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。 “监控（Supervisory Control）”， 即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和 管理。 组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文 SCADA，即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制)。它是指一些数据采集 与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发 环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能 的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、 给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。 在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System Remote Terminal Unit)。 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的 概念最早出现在工业计算机控制中。如 DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程 控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。在其他行业也有 组态的概念，如 AutoCAD，PhotoShop 等。不同之处在于，工业控制中形成的组 态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特 定的任务。 工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类 BASIC 语言，有的支持 VB，现在有的组态软件甚至支持 C#高级语言。 组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分 布式数据管理和网络功能。对应于原有的 HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的 HMI 的软件工 具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方 编写 HMI 应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统， 通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交 互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态 5
    软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据 库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对 I/O 设备的广泛支持已 经成为它的主要内容监控组态软件将会不断被赋予新的内容。 方案一：采用国外的一些组态软件进行监测界面的设计，如万维公司的 InTouch 或者 GE Fanuc 智能设备公司的 IFix 组态软件，但对这些软件接触不多， 使用不是很广泛，而且稍显复杂，不易于实施。 方案二：采用由北京亚控科技发展有限公司开发的国内组态软件组态王 KingView，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。 组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以 及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流 汇集在一起，实现最优化管理。它基于 Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系 统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时 信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、 提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适 用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控 管理系统的开发。 组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。 工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工 程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。 工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、 监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统 组态工具。 运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览 器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。 组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的 PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：西门子 PLC、莫迪 康 PLC、欧姆龙 PLC、三菱 PLC、研华模块等等）通过常规通讯接口（如串口 方式、USB 接口方式、以太网、总线、GPRS 等）进行数据通讯。 6
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