基于虛擬儀器的電動閥門遠程監(jiān)控系統(tǒng)

李歡歡，楊世鳳，呂志成，于 樂，郝曉兵，李天琦

(1.天津科技大學電子信息與自動化學院，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)行機構(gòu)，廣泛應用于石油、化工、水電、船舶等重要領域[1]，其運行狀態(tài)直接關系到工業(yè)生產(chǎn)的可靠性及安全性[2]。如何遠程監(jiān)控與各產(chǎn)業(yè)節(jié)點掛鉤的閥門運行狀態(tài)，從而保證各產(chǎn)業(yè)鏈的正常運行，是企業(yè)關注的一個重點。

傳統(tǒng)的閥門遠程監(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)檢修維護難度大，且多采用觸摸屏或組態(tài)王進行開發(fā)，人機交互界面不夠直觀友好，均僅能實現(xiàn)單一的數(shù)據(jù)采集與復現(xiàn)，難以實現(xiàn)復雜算法對采集數(shù)據(jù)的處理優(yōu)化等。

本文提出一種新型電動閥門遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用虛擬儀器技術，結(jié)合可編程邏輯控制器及無線終端，其創(chuàng)新點在于既解決了長距離布線的維護難度大等問題，同時又實現(xiàn)了電動閥門的遠距離監(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LabVIEW與下位機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，上位機獲取數(shù)據(jù)后進行分析處理。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量的動作指令和模擬量的設定指令；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)信息由上位機軟件進行統(tǒng)一判別處理，上位機實時獲取現(xiàn)場閥門的運行參數(shù)，并以圖文形式顯示，實時監(jiān)測現(xiàn)場閥門的運行狀態(tài)，充分發(fā)揮了LabVIEW圖形界面的優(yōu)勢[4]。當監(jiān)測到現(xiàn)場閥門運行狀態(tài)與預期設定不符時系統(tǒng)自動報警并顯示故障原因，同時閥門設備可自動運行到預設安全位置(全開、全關或中間位置)，從而保護現(xiàn)場設備和人身安全。用戶可通過上位機軟件對參數(shù)進行設定或修改，無需深入現(xiàn)場，無需更改程序即可完成對現(xiàn)場閥門的遠程操作控制，并結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)系統(tǒng)相關參數(shù)的設定及存儲等，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展模塊，數(shù)字量控制部分涉及閥門的開關停的動作等，控制部分涉及閥位設定等，通過數(shù)學計算預備足夠的I/O點將閥門開關信號及閥位控制信號下達至執(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行規(guī)劃，最終確定系統(tǒng)可編程邏輯控制器的擴展模塊配置。為保護系統(tǒng)CPU以及方便后期維護工作展開，系統(tǒng)將輸入模塊和輸出模塊分開供電，嚴格遵守電源功率預算標準。

本系統(tǒng)結(jié)合實際需求對PLC進行如下配置：

(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行設定并將其反饋給上位機；

(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。

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對電動閥門的開關單元的控制，主要包括閥位控制指令和保護指令；通過配置模擬量模塊完成上位機和下位機的各模擬量參數(shù)的設定與采集。隨著工業(yè)現(xiàn)場總線的誕生，擴展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)采用點對點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，控制部分的部分信號則采用點對點硬接線的方式，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)遠距離信息交互，本系統(tǒng)在上位機和下位機均配備無線數(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)議及標準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3 km，且該距離根據(jù)實際需求進行相應配置。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)軟件設計

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

3.1 下位機程序設計

下位機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眾多，涉及變量也眾多，為簡化邏輯，提高程序的復用性，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用及可擴展的優(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。下位機程序流程圖如圖3所示。

圖3 下位機程序流程框圖

系統(tǒng)運行后，經(jīng)初始化后啟動各工作子程序，一方面接收上位機的控制指令，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展模塊以及總線傳至上位機，最終電動閥門所有相關信息均匯總到上位機，由上位機對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析處理。

3.2 上位機程序設計

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展性的狀態(tài)機編程思想[5]，提高了程序運行的速度，充分發(fā)揮了LabVIEW在工業(yè)自動化領域的優(yōu)勢。

3.2.1 上位機軟件編程思想

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)設定，電動閥門各參數(shù)的設定，如閥位值、采樣時間間隔、采樣周期、遠程現(xiàn)場切換等參數(shù)的設置；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)進行分析和處理；三是故障報警操作，涵蓋報警條件的設定及處理，維護電動閥門所在生產(chǎn)線的穩(wěn)定持續(xù)運行以及周邊環(huán)境安全，保證電動閥門安全穩(wěn)定運行；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為上位機軟件功能框圖。

圖4 上位機軟件功能框圖

3.2.2 系統(tǒng)上位機串口程序設計

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行實時通訊?？紤]到系統(tǒng)的兼容性及擴展性，LabVIEW利用VISA串口與PLC進行串口通信[3，7]，通過在程序中設置合理的波特率、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)點來設定串口的端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位及停止位[8]；二是寫串口；三是加入適當延時，以保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性；四是關閉串口。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，相關狀態(tài)的數(shù)字量信號由總線反饋給上位機，經(jīng)解析后對應相關指示燈及故障代碼，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，通過對設定值和響應值進行數(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)響應參數(shù)，驗證其動態(tài)性能。

為驗證電動閥門響應的時效性，需獲取系統(tǒng)運行過程中的動態(tài)響應參數(shù)，從而表征電動閥門的響應時效。通過在響應控制指令的動態(tài)運行區(qū)間內(nèi)連續(xù)采集多個點，系統(tǒng)自動計算采樣點間隔區(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的給定曲線和響應曲線的積分比得到電動閥門的響應時效。據(jù)此構(gòu)建數(shù)學模型如圖6所示，2條曲線分別代表給定曲線(a)和響應曲線(b)，其中，縱坐標分別為當前給定閥位及響應閥位千分比，橫坐標是時間，選取中間某段作為示意，設該段起始點、轉(zhuǎn)折點及終點分別為t1、t2、t3，則有：

(1)

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

圖6 響應時效示意圖

y1(t)、y2(t)由系統(tǒng)連續(xù)多個采樣點擬合而成。執(zhí)行器內(nèi)部響應在初期未接近目標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)響應時效表征值。為獲取系統(tǒng)實時平均響應時效表征值，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時效平均值傳遞給輸入，結(jié)合式(2)即可獲取當前響應時效平均值，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)平均的運算采用條件結(jié)構(gòu)以區(qū)分方向，并分別加以計算。假設當前閥門是正常運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)當前響應值滿足式(3)任一條件時，系統(tǒng)會判定當前執(zhí)行器發(fā)生故障。

(3)

式中：γ為響應時效報警參數(shù)；|η|為當前響應平均值；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，但為預防系統(tǒng)誤報警，設計時仍需給系統(tǒng)判斷留有一定裕量，經(jīng)多次試驗，本系統(tǒng)最終采用當前響應值小于當前響應平均值的80%時，系統(tǒng)會判定當前執(zhí)行器發(fā)生故障。如式(3)所示，給定一個既定保護閾值變量α，當設定值與響應值差值絕對值超出α時，系統(tǒng)同樣會判定當前執(zhí)行器發(fā)生故障。系統(tǒng)發(fā)生報警時，一方面人機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，播放預設的報警鈴聲；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行到預設安全位置，確保設備不受損壞。

3.2.4 數(shù)據(jù)庫管理

LabVIEW上位機中采用ACCESS數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行實時存儲等[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。將相關數(shù)據(jù)存于后臺的 Access 數(shù)據(jù)庫文件中，在PC端進行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便可通過與目標數(shù)據(jù)庫相關聯(lián)的DSN訪問該目標數(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)進行讀寫訪問，實現(xiàn)了用戶通過界面上的按鍵完成人機交互功能，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)；三是隨機調(diào)節(jié)。給定調(diào)節(jié)由用戶自行給定閥位變化曲線，設置閥位值變化的時間點和閥位值，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；隨機調(diào)節(jié)則隸屬系統(tǒng)默認設置選項，用戶設置好變化時間后，系統(tǒng)閥位千分比在0～1 000之間隨機變化，從而自動生成閥位隨機給定曲線。將運行曲線相關參數(shù)設置完畢，經(jīng)曲線刷新后單擊確認，即可將指令發(fā)送給電動閥門讓其自動運行。給定曲線設置效果圖如圖8所示。

圖8 閥門給定曲線設置界面

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)功能進行監(jiān)測。給定均值調(diào)節(jié)，在圖8所示的給定曲線設置界面進行均值參數(shù)設定后，實時監(jiān)測閥門運行狀態(tài)。測試結(jié)果如圖9所示，可知閥門當前為自動運行測試狀態(tài)，運行正常，參照閥位跟隨曲線，響應跟隨給定效果良好，且曲線走向與執(zhí)行器內(nèi)部響應跟隨器設計有較好的一致性，故而判斷，當前閥門運行正常，系統(tǒng)監(jiān)測功能良好。

圖9 上位機運行效果圖

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的新型電動閥門遠程監(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)可以在此基礎上完善設定功能，添加執(zhí)行器功能參數(shù)等。