工业阀门数据监控系统设计

杨 健

（湖北洪城通用机械股份有限公司，湖北荆州 434000）

1 引言

大口径进出油气水管道阀门具有截止、开启、配送和调压等功能，是保障远距离输送石油、天然气及水输送管道安全运行的重要设备，一般安装于远离城市的郊外，自然环境恶劣，基本都采用定期派人员巡视的管理方式。为了适应现代工业现场管理方式的需要，管理层要求适时了解当前各地的运行状况，以便做出正确的决策，所以对油气水管道及阀门的全程监控是一项长期而重要的工作。

根据这种要求，经分析决定采用分布式计算机监控方案，现场采用PLC控制，上位计算机与现场PLC通过通讯模块交换数据，计算机工艺流程画面显示整个管线当前的工作状态。所采用的数字化网络技术、传感器技术，可实现阀门等现场设备的开启、预警、远程监控和管理，以实现“无人值班、少人职守”。

2 工业阀门数据监控系统的控制过程

工业阀门数据监控系统是针对油气水管网中阀门状态及管道参数的数据采集监控系统，将各阀门站和管道内油气水的流量、压力、温度等参数集中送往远程监控中心计算机进行处理，并实现显示、打印、贮存、报警、控制及绘制历史记录曲线等功能，管理人员随时了解管道中的温度、压力等参数的变化与发展趋势，掌握各参数对油气水输送效率的影响；现场PLC还内置有监控程序，当阀门站出现紧急情况时，PLC可不需系统命令直接使阀门开或关，减少了因通讯滞后或故障带来的危险，增强了系统的可靠性；系统中关键参数自动记录，根据设置的参数实现自动开、关阀及自动报警。

3 工业阀门数据监控系统的方案制订

远距离监控可建专网、拉专线、GPRS或CDMA等方式，但都存在初始投资大、运行成本高、可维护性差等问题。经方案比选，无线数传模式能满足系统在30km内的数据采集、现场控制、数据更新等方面的要求，且投资及运行成本低、可移植性好，也可免维护。

工业阀门数据监控系统采用无线电台方式实现远程数据采集、监视与控制，能够对距离在30km的油气水管网、基站、转压站、阀门站实现集中管理，并可扩展对油气水管网的交流高低压配电设备、控制柜的智能仪表、空压机、阀门组等设备以及周围环境的防盗、过压、泄露、停电状态进行数据采集、反向控制、故障诊断、远程启动，达到遥测、遥控、自动报警等功能。

工业阀门数据监控系统具体由监控中心上位机、监控中心数传模块及天线、开关电源、功放模块、现场数传模块及天线、RS485接口模块、PLC控制单元、输入输出模块、传感器组及阀门驱动装置组成，系统采用点对多点、多地址无线网络，组成了完整的数据采集与监控系统，如图1所示。油气管道现场控制阀无线控制器是系统的下位机，如图2所示。

图1 油气管道远距离监控系统框图

图2 油气管道现场控制阀无线控制器原理框图

4 硬件设计

系统监控中心硬件由上位机、数传模块、全向天线及馈线组成。上位机工况较好，故选用性能较好的PC机；监控中心数传模块选用2710C型数传电台，设定工作频率为230MHz，带宽25 kHz，速率9600 bps，码型8N1，另配有2710P型内置25W功放模块和TQJ-230C型全向天线以满足系统远距离数据传输的要求。

油气管道控制阀无线控制器原理接线图如图3所示，控制器选用FX2N-32MR型PLC做控制单元，并扩展485BD通讯接口模块。

现场数传模块选用2710C型数传电台，设定发射频率TX为230MHz，接收频率RX为235zMHz，带宽25kHz，另配有2710P型内置25W功放模块和TDJ-230Y7型定向天线以满足系统远距离数据传输的要求。数传电台通过RS232←→RS485转换器与PLC相连，因为采用串行数据链模式，链中所有设备都应具有相同的数据格式，而2710C型数传电台不支持7N1、8E2和8O2这三种码型，故选定速率9600bps，码型7E1。PLC中的通信参数寄存器D8120设置为8058，含义是：协议为Link，数据位为7，校验为偶校验，停止位为1，传输波特率为9600，硬件为RS-485，数目检查为yes，控制为format4，并在站号寄存器D8121中设定PLC的设备地址。

PLC通过FX2N-4AD数模转换模块分别与HT-130型温度变送器和HT-806型压力变送器相连，采集油气管道温度和压力等物理参数的变化。温度、压力变送器工作电压为DC24V，输出为4mA-20mA，温度测量范围-20℃至70℃，压力测量范围0MPa-6MPa。为满足环境的苛刻要求，温度、压力变送器均选用隔爆型产品，防爆等级为ExedⅡCT4，防护等级为IP65。

因为现场工作环境较为严酷，且2710C型数传电台发热较大，散热问题关系到系统的稳定运行，为此控制器在结构和风扇控制方面进行了特别设计。控制器的机箱采用双风扇设计，控制风扇的两个温控器分别为40℃和55℃，为避免产生固定风场影响散热效果，控制器在机箱两侧后部设计了蝶形散热孔，蝶形散热孔具有很好的紊流效应，经试验测试散热效果良好，满足了系统的要求。

5 软件设计

5.1 组态软件

监控中心组态软件组态王集成了控制技术、数据库技术、人机界面技术、网络通信技术、图形技术，运行于监控级计算机的软环境中，包含动态显示、报警、控件、趋势、及网络通信等组件，用户界面友好，可以在画面上动态显示现场数据及运行状态，并可执行控制操作。它支持各种可编程控制器、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等。设备对工程开发人员来说是透明的，开发者不必关心组态王与设备间的具体通讯协议，而只需在设备库中选择设备和接口的类型，即可方便地配置驱动程序，简化了监控系统的组建过程，可满足工业自动化场合大多数控制设备和过程监控装置之间的通信的需要，用户可方便实现计算机集散控制系统的集中管理功能。

图3 油气水管道控制阀无线控制器原理接线图

5.2 开发环境

操作系统：Windows XP

数据库：SQL_Server

开发工具与语言：组态王King Veiw_6.5；编程软件FXGP_WIN-C

5.3 系统软件组成

组态王系统软件主要由图4所示的6个功能模块组成。

图4 系统软件模块组成结构图

5.3.1 主画面及监控中心

系统主画面及监控中心设计采用了面向对象技术、模板技术及多任务技术，是基于工控组态软件组态王的第二次开发，采用静态图形和动态画面相结合，可直观地反映了系统的结构与运行状态。各阀门站的油气水温度、压力等重要模拟量的显示采用动态文本，画面数据根据库标签数值的变化实时刷新。阀门既可由操作人员就地控制，也可通过监控系统实现远程控制。图5为监控系统主画面。

5.3.2 数据趋势曲线

趋势曲线直观地描述数据随时间的变化关系，系统趋势曲线包括实时曲线和历史趋势曲线。实时曲线是现场数据的图形化表示，历史趋势曲线则记录系统过去的数据信息，方便系统管理员对历史数据及事件进行分析。历史曲线可以反映出各模拟量的变化趋势，通过设置的左右指示器可方便查看过去某一时段各个数据的最大、最小及平均值，了解管线中油气压力与温度波动的关系，以便指导油气水安全、合理的调配。同一历史趋势曲线图中最多可显示8个不同的历史数据，用户可根据实际需要打印某一时段一个或多个数据曲线。

系统历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，用户很方便进行某个时间段内各阀门站一个或多个变量的查询，一个画面中可定义数量不限的趋势曲线，在同一个趋势曲线中最多可同时显示8个变量的变化情况，系统历史曲线浏览画面如图6所示。

图5 监控系统主画面

画面由3部分组成。①曲线浏览区；②数据分析区（右）；③曲线控制区（下）。首先在画面通过控件如历史趋势控件、按钮、输入输出文本框等设计图形；再选择菜单“数据库／数据词典”。定义生成历史记录的变量属性，只有在“变量定义”对话框中使变量的“是否记录”选项有效时，才能在历史趋势曲线中显示此变量的变化情况；接着选择历史趋势控件要显示的变量；最后根据系统要求对各图形元素进行编程。

5.3.3 数据报表

系统数据报表分为时报表、日报表、月报表和年报表。时报表记录阀门站主要数据参数（温度、压力、系统操作员等），按用户提出的要求，每隔一分钟，将系统采集的实时数据写入报表中，每小时生成一个独立的文件，文件名由系统当前时间加上必要的标识符组成，便于用户管理。时报表由60条记录组成，表头包含阀门站号、日期、时间等基本信息，表尾是系统动态生成的这一时段内各参数的最大、最小及平均值。日报是反映系统参数每天的数据信息，由时报表的统计值派生而成。月、年报表的生成方法与日报表相同，多种不同的报表给用户数据管理带来极大的方便。

5.3.4 数据库管理

数据是任何一个系统的灵魂，数据库访问是系统管理不可缺少的工具，也是工作报表的数据来源，数据库功能的强弱程度直接关系到软件所拥有的用户量。由于组态王使用的内部数据库格式是自定义的，与通用数据库格式上不兼容，影响了用户直接监控检测数据，给用户带来不便；同时当采集频率较高和存储时间要求较长时，生成的历史数据库占用的磁盘空间会比较大；另外，提供的数据输出形式主要以报表为主，数据统计与查询功能较弱，一般不能很好地满足实际工程的要求。系统利用组态王提供的通用数据库的ODBC功能，直接将实时数据存入SQL Server数据库中，数据之间的采样间隔灵活，达到海量数据长期保存之目的，各阀门站的数据被存放于同一个数据表中，同时增加对数据的多种查询、排序、插入、删除和打印输出及动态生成和选择数据表等功能，实现对组态软件数据库功能的扩展，满足不同管理者的需要。

5.3.4.1 与数据源进行连接与设置

首先在Windows控制面板的32位ODBC数据源管理器中选择SQL Server驱动程序，定义一个数据源名（如dbkv6.5），并与准备好的数据库连接；然后在指定的画面中插入KVDBGrid数据库控件并命名为grid；选择控件右键菜单中“控件属性”，弹出控件固有属性页，将其与预先定义好的数据源dbkv6.5进行连接，并选择数据库中的一个数据表作为初始值，如图7所示，将表格、颜色、字体与打印等属性页进行设置。也可通过命令语言对grid的相关属性进行修改。

图7 数据表属性配置示意图

5.3.4.2 变量的定义

根据对数据库操作的具体情况，在系统数据词典中定义相关变量。本例系统每月自动生成一个与当前年月时间为名的数据表；将监控对象的实时数据每分钟进行保存或根据需要随时保存；选择一个数据表作为当前数据对象，按条件和数据范围进行数据动态查询、按不同的关键字进行排序；将结果按设定的格式进行打印等。系统定义的主要变量如表1所示。

5.3.4.3 编写数据库表格模板和记录体

为满足系统运行时自动生成数据表，须编制一个与表结构相同的表格模板，本例模板名为Tabletemp，该模板的结构如表2所示。

向数据库写入数据是以记录体为单位，记录体的结构须与数据表的结构相匹配，记录体中每个成员由系统内存变量或IO变量组成，其结构如表3所示。

表1 系统变量情况一览表

表2 数据表格模板Tabletemp的结构

表3 记录体结构表

5.3.4.4 功能实现

（1）动态生成和选择数据表

系统采用将数据按月存放的方法，月初系统通过后台方式自动生成以年月为名的数据表，并检测该表是否存在。进行数据处理时用户可任意选择数据对象，如不选择将默认为当月数据表。

（2）数据排序

排序是分析数据最基本的手段之一，用户可用单选框选择排序的关键字，并通过按钮改变升、降序排列方式，实现多视角的数据分析与浏览。

（3）条件查询

根据选择的查询对象，系统自适应输入数据的类型，当选择日期为查询对象时，日历将自动调整为与数据对象相适应，方便用户快速输入查询条件，充分体现了人性化设计原则。

（4）范围查询

范围查询可适应不同的用户对数据的需求，允许用户输入查询对象所处的范围，如输入条件有误系统则弹出错误提示框进行提示。

（5）历史趋势曲线ODBC数据显示功能

历史趋势曲线控件可显示ODBC数据源中的数据，但对数据表格有要求：表中必须有一个日期字段（为日期时间类型）和一个表示毫秒的字段（为整型）。写入到数据库中的日期字段应该为日期时间格式，在组态王中没有日期时间型的字段，系统在自动生成数据表时，需要进行一些处理，先用JAVA编写一个应用程序，然后采用调用外部应用程序的方式，将系统生成的日期字段改为满足控件要求的类型。

通过对组态王数据库功能的开发，增强了系统对数据的访问能力，克服了原有数据输出形式单一的不足，进一步提高了数据的可移植性和后续处理能力。图8为本系统利用组态王进行数据库管理运行的主要画面。

图8 数据库管理画面

5.3.5 报警及用户管理

报警管理功能是监控系统的另一特色。组态王通过定义变量的报警属性来产生变量的报警事件。当某变量的实际值超出其设定的报警范围时立刻弹出报警画面，并可通过语音提醒管理员及时处理。本系统也可设置成无人值守工作方式，在该方式下，当出现报警信息时，系统能自动处理，遇到紧急状态则关闭或开启相关阀门，以免发生重大安全事故。所有的报警信息和用户的操作事件都可通过多种方式保存和输出，方便管理员查询。

系统安全管理功能为了保证正常监控的需要，防止误操作造成重大事故，要明确操作人员的职责范围，同时兼顾软件本身的安全性，防止非操作人员误操作。对于操作人员的职责范围，在程序设计时候通过ID号及密码确认，设定不同层次的操作者的操作权限和安全区，任何操作者不能越权和跨区的操作，保证系统的安全。

5.3.6 阀门站

阀门站PLC选用FX2N-32MR作为RTU单元，实时测控软件采用逻辑梯形图编制，兼有就地按钮和远方监控中心两种控制方式，检测阀门开启、关闭、全开、全关、提升到位、下降到位以及阀门开、关过力矩等信号，并将现场采集压力、温度、振动、流量、阀门开度信号进行A／D转换，然后将数据通过数传电台传送到监控中心上位机，同时也通过数传电台从监控中心上位机接收控制指令，对阀门站电动装置进行控制。当出现超温、过压和过力矩等紧急情况时PLC将执行紧急处理程序。其控制过程流程如图9所示。

图9 PLC监控程序流程图

6 技术特点

基于无线电台通信技术，上位机、PLC及无线电台建立物理连接后，PLC实时采集各传感器数据，每个扫描周期都把现场设备状态的位元件和字元件采用串口通信和无线数传方式上传至上位机，再通过工程量转换，在状态监视画面上用图表的形式还原成设备的实际状态；上位机也可通过下载命令字至PLC，调节现场阀门的运行状态。通信实现简便，实时性好，可靠性高。

基于面向对象、多线程、OLE、COM组件和组态软件技术的监控系统将管理与控制相结合，不但能对工艺流程进行过程控制，而且还有数据报表等管理功能，从而省掉了大量的记录仪、数显表，既降低了投资成本，又可使采集的数据更直观、准确、可靠；系统还具有多级权限，多方面保证系统安全可靠的运行。

智能型控制技术实现了自动操作及远距离控制，具有自动紧急控制功能，避免人工干预，大大减少因误操作引起事故的可能性，进一步提高了系统的安全性。

7 结束语

本系统已成功应用于城市天然气管网项目中，运行状态良好，解决了管理层远方调控输送管线工艺流程的问题。该系统通过分布式监控提高了系统的响应能力；过程控制模式使用户准确了解当前和历史运行状况。监控系统运行稳定可靠，且节省了建设投资和维护成本，可推广到其它工业现场监控领域，随着我国经济的进一步发展，“无人值班，少人职守”的先进管理模式将进一步普及，数据监控系统的应用将更为广泛。

［1］FX2N系列可编程控制器使用手册.三菱电机公司.

［2］INGVIEW6.5使用手册.北京亚控科技有限公司.

［3］邱公伟.可编程控制器网络通信及应用［M］.清华大学出版社，2000.

［4］阳宪惠.现场总线技术及应用［M］.清华大学出版社，1999.

［5］（美）Andrew S Tanenbaum 著，熊桂喜、王小虎译.计算机网络［M］.清华大学出版社，1998.

［6］朱麟章.过程控制系统及设计［M］.机械工业出版社，1996.