LabVIEW和PLC技術(shù)在燃煤鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

徐桂華，徐保國(guó)

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫　214122)

1　燃煤鍋爐系統(tǒng)工藝流程分析

燃煤鍋爐系統(tǒng)主要由：給水系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)和排污系統(tǒng)等部分構(gòu)成[1]，系統(tǒng)流程如圖1和圖2所示。首先用點(diǎn)燃的木柴對(duì)爐膛預(yù)熱，此過程成為烘爐，烘爐的目的是為了脫除襯里中的自然水和結(jié)晶水。烘爐結(jié)束后，將煤粉通過傳輸帶、煤斗運(yùn)送到爐排上開始燃燒，燃燒過程中，引風(fēng)機(jī)不斷地將煙氣經(jīng)過除塵器處理后通過煙囪排出來，鼓風(fēng)機(jī)用來增加爐膛內(nèi)的含氧量，使煤充分燃燒，水泵將凈化處理后的軟水通過省煤器傳送到鍋筒，鍋筒內(nèi)的水經(jīng)過加熱，產(chǎn)生汽水混合物，傳送到汽包，通過汽包內(nèi)的汽水分離器，將蒸汽傳送到白酒生產(chǎn)車間。

2　系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1軟硬件配置

2．1．1硬件配置

硬件配置包括SIMATIC工控機(jī)，PLC S7-300 (CPU315-2DP)，引風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)，水泵等電機(jī)，變頻器，變送器，CP5611卡，氧化鋯煙氧含量傳感器，壓力傳感器，液位傳感器等。其中CP5611卡用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的PROFIBUS通訊；各類傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過變送器實(shí)時(shí)顯示、并將測(cè)量值變送為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出給PLC的AI模塊；變頻器連接引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和水泵，通過改變電機(jī)工作電源頻率來控制其運(yùn)行。

2．1．2軟件配置

圖1　鍋爐風(fēng)、煤、煙、渣系統(tǒng)框圖

圖2　鍋爐汽、水系統(tǒng)框圖

LabVIEW 2011：為上位機(jī)編程軟件；SIMATIC NET PC SOFTWARE V6．5：用于在工控機(jī)上通過PROFIBUS建立OPC服務(wù)器；STEP 7 V5．4：對(duì)PLC進(jìn)行硬件組態(tài)及軟件編程，并組態(tài)OPC服務(wù)器。

2．2系統(tǒng)總體構(gòu)成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，安裝在爐膛內(nèi)的壓力傳感器、煙氧含量傳感器、溫度傳感器，鍋筒內(nèi)的液位傳感器以及汽包內(nèi)的蒸汽壓力傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給變送器，變送器將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)輸出給PLC的AI模塊，PLC通過PROFIBUS總線傳送數(shù)據(jù)至上位機(jī)。基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件通過DataSocket技術(shù)對(duì)OPC Server訪問，從而讀取PLC上所有開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的控制要求，通過RS485總線方式控制變頻器頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)以及水泵的運(yùn)行速度。利用變頻器調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和水泵這3個(gè)主要電機(jī)，極大的節(jié)約了能源、提高了鍋爐運(yùn)行效率。

圖3　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1LabVIEW與PLC之間的通訊

LabVIEW與PLC之間通過PROFIBUS-DP總線技術(shù)通訊[2-3]，由于LabVIEW和PLC編程軟件來自不同的廠商，我們采用OPC SERVER來建立這兩者間的通信連接。OPC(OLE for Process Control) 是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用它可以將不同開發(fā)商研發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用軟件有機(jī)的集成或連接起來。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對(duì)客戶的透明性。LabVIEW與PLC實(shí)時(shí)通信的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

3．1．1OPC Server的組態(tài)

安裝完CP5611卡和SIMATIC NET軟件后，點(diǎn)擊Station Configuration Eidtior，配置其窗口，在一號(hào)槽中插入OPC Server，在3號(hào)槽中插入CP5611并配置PROFIBUS通信的參數(shù)，設(shè)置地址為3、波特率為1.5 M、Bus profile為DP，點(diǎn)擊“Station Name”按鈕指定PC站的名稱為“Coal-fired Boiler”確認(rèn)后即完成PC站的硬件組態(tài)。

3．1．2配置控制臺(tái)(Configuration Console)的設(shè)置

配置控制臺(tái)是PC機(jī)組態(tài)設(shè)置和診斷的核心工具，在完成PC機(jī)的硬件配置后，打開配置控制臺(tái)，如果CP5611沒有轉(zhuǎn)變成Configuration Mode，則手動(dòng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)镃onfiguration Mode，此外在Access Points設(shè)置窗口中將S7ONLINE指向PC internal(local)，此設(shè)置是為PC站組態(tài)的下載做準(zhǔn)備。

3．1．3在Step7中組態(tài)PC Station

打開SIMATIC Manager新建一個(gè)項(xiàng)目，插入一個(gè)PC站，注意此PC站的名稱要與在OPC服務(wù)器里組態(tài)的PC站名稱一致，在硬件組態(tài)中，PC硬件機(jī)架的配置選擇與在Simatic Net中硬件組態(tài)相同，雙擊CP5611打開其屬性對(duì)話框，設(shè)置PROFIBUS 地址和波特率與步驟(1)中一致，并進(jìn)行編譯下載，這一步完成后，進(jìn)入NETPro相應(yīng)界面，選擇OPC服務(wù)器，點(diǎn)擊右鍵插入一個(gè)新的連接，在S7連接屬性對(duì)話框中對(duì)Profibus地址進(jìn)行相應(yīng)的配置，編譯并下載到PC機(jī)上，在Step7上對(duì)S7-300PLC進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)完成后下載到PLC上。

3．1．4OPC Scout中變量的設(shè)定

OPC Scout是OPC Server中用于調(diào)試OPC通信的軟件，在OPC Scout中可以定義與PLC連接的變量，在OPC Scout的左框圖雙擊 OPC SimaticNET建立一個(gè)組，然后雙擊組名進(jìn)入OPC-Navigator界面，雙擊Connection，在PLC的存儲(chǔ)區(qū)建立需要監(jiān)控的變量。

3．1．5LabVIEW與PLC通訊的建立

設(shè)計(jì)使用DataSocket技術(shù)，DataSocket技術(shù)是面向測(cè)控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，用于共享和發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能支持本地計(jì)算機(jī)上不同應(yīng)用程序?qū)μ囟〝?shù)據(jù)的同時(shí)應(yīng)用，DataSocket中隱含著OPC client可通過該OPC client與OPC server進(jìn)行通訊，通過訪問OPC Server實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的通訊。DataSocket以URL的方式訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)項(xiàng)目，訪問OPC的URL基本結(jié)構(gòu)為：OPC：//主機(jī)名//OPC服務(wù)器名/數(shù)據(jù)項(xiàng)目。程序框圖如圖4所示，其中l(wèi)ocalhost為主機(jī)名，S7 connection_1是組態(tài)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)、定義S7連接時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)的ID名稱，IB0、 PIW128為所需讀取的存儲(chǔ)區(qū)首地址。

圖4　LabVIEW與PLC通訊程序框圖

3．2LabVIEW與稱重儀表通訊的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)要求，將每次消耗的煤粉重量在上位機(jī)上顯示出來，稱重儀表通過RS485總線的方式與上位機(jī)通訊，在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)串口通訊主要有2種途徑：一是利用其自身的VISA驅(qū)動(dòng)程序；二是利用標(biāo)準(zhǔn)串口通訊函數(shù)[4-5]。

文中利用標(biāo)準(zhǔn)串口通訊函數(shù)在VC++中開發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)(DLL)供LabVIEW調(diào)用實(shí)現(xiàn)串口通訊。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)被裝入和鏈接的，而不是把源代碼復(fù)制到應(yīng)用程序中去，因此使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用程序之間代碼和資源的共享，該方法比直接利用VISA驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)通訊方式更加的靈活，而且節(jié)省了內(nèi)存和購(gòu)買VISA模塊的費(fèi)用。

3．2．1基于VC++的串口讀寫動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)開發(fā)

串口通訊函數(shù)庫(kù)中包含comInit、comRead、comWrite 3個(gè)函數(shù)，分別負(fù)責(zé)對(duì)串口進(jìn)行初始化及讀寫任務(wù)。

在使用串口進(jìn)行讀寫操作時(shí)，首先需要對(duì)串行端口進(jìn)行一些初始化配置，這是通過設(shè)置設(shè)備控制塊DCB結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)成員來實(shí)現(xiàn)的，DCB結(jié)構(gòu)中包含諸如波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、奇偶校驗(yàn)和停止位數(shù)等重要的串口信息，通常在成功打開串口后，應(yīng)用程序可以先調(diào)用GetCommState函數(shù)獲取串行口的當(dāng)前配置信息，再根據(jù)自身要求修改串口配置信息，這是通過修改DCB結(jié)構(gòu)中部分?jǐn)?shù)據(jù)成員的值、調(diào)用SetCommState函數(shù)設(shè)置串口配置信息實(shí)現(xiàn)的。

除設(shè)置DCB結(jié)構(gòu)外，應(yīng)用程序一般還需要設(shè)置I/O緩沖區(qū)的大小及傳輸超時(shí)，Win32系統(tǒng)使用系統(tǒng)I/O緩沖區(qū)來暫存串口的傳輸數(shù)據(jù)，如果通訊速率較高，那么應(yīng)用程序應(yīng)該設(shè)置較大的系統(tǒng)I/O緩沖區(qū)。設(shè)置傳輸超時(shí)的作用是：當(dāng)在指定時(shí)間內(nèi)沒有讀取或發(fā)送指定數(shù)量的字符時(shí)，ReadFile函數(shù)或WriteFile函數(shù)的操作仍然可以結(jié)束，不會(huì)出現(xiàn)無限等待的情況，該設(shè)置可以通過SetCommTimeouts函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用程序主要通過ReadFile函數(shù)和WriteFile函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行讀寫操作，在讀寫時(shí)采用重疊I/O方式執(zhí)行，采用此方式時(shí)，即使讀寫操作尚未完成，這兩個(gè)函數(shù)也會(huì)立即返回，I/O操作留給后臺(tái)處理。需要注意的是：在完成串口讀寫操作后需要關(guān)閉串口，否則串口將一直被暫用，下次將無法打開串口，關(guān)閉串口非常簡(jiǎn)單，只需使用CreateFile函數(shù)返回的句柄作為參數(shù)調(diào)用CloseHandle函數(shù)即可。具體程序如下所示：

MFCDLL_API int comRead (int *data，int n，int Number)

//*data存放返回的模擬量值，n連續(xù)讀取儀表數(shù)量，Number指定的串口號(hào)

{ int i；

HANDLE hcomm1；//串口句柄

DWORD dw=0，rec=0；//實(shí)際讀寫操作時(shí)讀取和寫入的字節(jié)數(shù)

unsigned char strsend[8]={0}；//寫串口指令組

unsigned char strrece[10]={0}；//儀表返回指令組

char str[4]；//設(shè)置串口編號(hào)

sprintf(str，"COM%d"，Number)；

hcomm1=CreateFile(str，GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，0，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL)；//打開串口

if (hcomm1==(HANDLE)-1) {return -12；}

for (i=0；i

{strsend[0]=0x80+(unsigned char)i+1；//地址+80H

strsend[1]=0x80+(unsigned char)i+1；

strsend[2]=0x52；//儀表讀標(biāo)志

strsend[3]=1；//

strsend[4]=0；

strsend[5]=0；

strsend[6]=(strsend[3]*256+82+strsend[0]-128)%256；//計(jì)算CRC校驗(yàn)碼

strsend[7]=(strsend[3]*256+82+strsend[0]-128)/256；

if(!WriteFile(hcomm1，strsend，8，&dw，NULL)) return -1；//寫入串口

if(!ReadFile(hcomm1，strrece，10，&rec，NULL)) return -1；//讀取儀表返回值

else

{ unsigned int check；

check=(unsigned char)strrece[1]*256+(unsigned char)strrece[0]；

check+=(unsigned char)strrece[3]*256+(unsigned char)strrece[2]；

check+=(unsigned char)strrece[5]*256+(unsigned char)strrece[4]；

check+=(unsigned char)strrece[7]*256+(unsigned char)strrece[6]；

check+=(unsigned char)strsend[0]-128；

if((unsigned char)strrece[8]==check%256 &&

(unsigned char)strrece[9]==check/256)

{data[i] = (unsigned char)strrece[0]+strrece[1]*256；}

else

data[i]=8888；//校驗(yàn)錯(cuò)誤，返回校驗(yàn)失敗標(biāo)志8888

}

}

CloseHandle(hcomm1)；//關(guān)閉串口

return 11；//讀取成功，返回成功標(biāo)志11

}

3．2．2基于DLL技術(shù)的LabVIEW與稱重儀表通信的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是通過CLF節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，即調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)(Call Library Function)，位于“函數(shù)→互連接口→庫(kù)與可執(zhí)行程序”中，使用前首先需要雙擊對(duì)其進(jìn)行配置 。在選擇好“庫(kù)名/路徑”后，在函數(shù)名中將出現(xiàn)上文編譯DLL庫(kù)文件時(shí)所定義好的3個(gè)函數(shù)，即comInit、comRead、comWrite，選擇相應(yīng)需要的函數(shù)并在參數(shù)欄中對(duì)其輸入輸出參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，各輸入輸出的數(shù)據(jù)類型及含義和DLL函數(shù)庫(kù)中所定義的對(duì)應(yīng)函數(shù)一致。另外，需要注意的是在該設(shè)置窗口的函數(shù)一欄中需將線程設(shè)置為“在任意線程中運(yùn)行”，否則上位機(jī)在對(duì)串口進(jìn)行讀寫操作時(shí)將獨(dú)占線程，致使其他線程無法正常響應(yīng)，進(jìn)而易造成程序假死現(xiàn)象。成功設(shè)置好CLF節(jié)點(diǎn)后即可進(jìn)行串口讀寫操作，LabVIEW讀取稱重儀表數(shù)據(jù)程序框圖如圖5所示。

圖5　LabVIEW讀取稱重儀表數(shù)據(jù)

4　結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于LabVIEW 和PLC技術(shù)的燃煤鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)。創(chuàng)新利用了DLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)稱重儀表與上位機(jī)的通信，節(jié)約了系統(tǒng)資源、提高了系統(tǒng)靈活性。實(shí)踐證明：該系統(tǒng)不僅有助于提高鍋爐生產(chǎn)效率和資源利用率，而且對(duì)于推進(jìn)節(jié)能減排的發(fā)展有著重要的影響。

參考文獻(xiàn)：

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