李丙林, 宋殿斌, 劉克平

(1.長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長春 130012;2.國電龍華延吉熱電有限公司,吉林延吉 133000)

0 引 言

隨著工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施與裝備制造業(yè)的進(jìn)步,越來越多的密封性管件應(yīng)用于能源、石油化工等領(lǐng)域,但是密封管件的跑、冒、滴、漏會給人身安全、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益等帶來極大的危害;同時人們對健康、環(huán)保質(zhì)量要求日益提高,因此,對管件密封質(zhì)量及強(qiáng)度提出更高要求。而目前管件耐壓試驗多數(shù)是通過簡單設(shè)備和人工目測方式進(jìn)行,其檢測數(shù)據(jù)通過人工進(jìn)行記錄、統(tǒng)計,工作效率低,可靠性差。因此,在目前全社會都在大力倡導(dǎo)健康、環(huán)保的背景下,我們研制了基于S7-200PLC和MCGS嵌入式組態(tài)軟件的耐壓試驗監(jiān)控系統(tǒng),利用PLC功能強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng),以及接線簡單、編程靈活、方便和觸摸屏具有友好的人機(jī)界面及便捷靈活的組態(tài)編程等優(yōu)點,很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)管件耐壓試驗的缺陷。耐壓試驗分水壓試驗和氣壓試驗。水壓試驗即使萬一容器破裂只會漏水,對試驗人員的傷害很小,用壓縮空氣試驗時容器破裂是要爆炸的。本系統(tǒng)屬水壓試驗系統(tǒng),本水壓試驗是一種利用油水平衡控制對管件進(jìn)行的靜水壓試驗。

1 監(jiān)控系統(tǒng)耐壓試驗工藝

試驗系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:管件傳送裝置、水路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。管件傳送裝置負(fù)責(zé)管件的進(jìn)出傳送,水路系統(tǒng)負(fù)責(zé)管件進(jìn)行靜水壓試驗時向管件里充水打壓,油路系統(tǒng)負(fù)責(zé)管件靜水壓試驗時控制封頭實現(xiàn)管端油水壓力平衡。監(jiān)控系統(tǒng)是核心部分,實現(xiàn)試驗管件相關(guān)參數(shù)的現(xiàn)場采集和實時監(jiān)控及管理,其試驗工藝如下:

1)將需測試的管件放置于測試平臺,由操作人員根據(jù)管件的需要在觸摸屏設(shè)置的配方中選擇管件,系統(tǒng)將自動生成所選管件的相關(guān)參數(shù),操作人員將相關(guān)參數(shù)下載到PLC中進(jìn)行耐壓試驗。

2)PLC采集實時壓力,并在上位機(jī)顯示實時壓力曲線。當(dāng)實時壓力達(dá)到設(shè)定壓力時自動計時;當(dāng)時間到判斷實時壓力是否小于設(shè)定壓力,如果小于,則提示管件不合格,反之合格。

3)對于大管件,打壓設(shè)定時間長,當(dāng)時間沒有到而明顯失壓不合格時,操作人員通過按觸摸屏上的“不合格”按鈕自動記錄當(dāng)前測試結(jié)果。

4)當(dāng)實時壓力超壓、PLC和觸摸屏通訊故障時,觸摸屏報警并以動畫閃爍提示操作人員。

5)當(dāng)PLC中合格與不合格信號上升沿到來時,觸摸屏自動保存測試結(jié)果并存入歷史數(shù)據(jù)中。

6)當(dāng)操作人員按觸摸屏上的保存按鈕時,自動把當(dāng)前實時數(shù)據(jù)和歷史曲線屏幕拷成位圖bmp格式以作為測試報表打印輸出。所有測試數(shù)據(jù)可以導(dǎo)到U盤存儲,以備日后查詢打印。

7)采用PLC構(gòu)建的電氣控制系統(tǒng),一方面完成設(shè)備運(yùn)行的所有控制信號采集、運(yùn)算處理和向設(shè)備輸出驅(qū)動控制信號,控制設(shè)備運(yùn)行;另一方面PLC同時將設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信號傳送到上位計算機(jī),通過由組態(tài)軟件構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備的實時可視化監(jiān)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

為方便值班人員及時了解運(yùn)行情況和實施操作,選用PLC和觸摸屏相結(jié)合技術(shù)構(gòu)筑上下層分布的計算機(jī)控制系統(tǒng),系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成,二者通過RS485串口進(jìn)行通訊。

2.1 下位機(jī)

下位機(jī)采用西門子 s7-200PLC,是SIEMENS公司推出的一種小型PLC,它結(jié)構(gòu)緊湊、擴(kuò)展性良好、指令功能強(qiáng)大、價格低廉,成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。S7-200的編程軟件可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控,使得PLC的編程更加方便、快捷?？梢哉f,S7-200可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。它負(fù)責(zé)將現(xiàn)場壓力傳感器傳送來的0～10V標(biāo)準(zhǔn)信號做量程標(biāo)定,轉(zhuǎn)換為實時壓力值,并傳送給上位機(jī)進(jìn)行實時顯示,同時它又接受上位機(jī)的控制指令,實現(xiàn)實時壓力與設(shè)定壓力比較,結(jié)果決定檢測產(chǎn)品是否合格,再將結(jié)果傳送給觸摸屏,從而實現(xiàn)系統(tǒng)整體自動協(xié)調(diào)動作,完成管件的靜水壓試驗。PLC主要完成的工作流程如圖1所示。

2.2 上位機(jī)

上位機(jī)采用昆侖通態(tài) TPC1262H真彩觸摸屏,TPC1262H是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻400 MHz)的高性能嵌入式一體化工控機(jī)。該產(chǎn)品設(shè)計采用了12.1英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率800×600),以及具有良好的電磁屏蔽性。美觀堅固的鋁合金結(jié)構(gòu)。同時,還預(yù)裝了微軟嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)WinCE.NAT和MCGS嵌入式組態(tài)軟件。全中文工控組態(tài)軟件MCGS可用來快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng),為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺。MCGS組態(tài)軟件通過設(shè)備驅(qū)動程序從現(xiàn)場PLC控制器獲取實時數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后,一方面以圖形的方式直觀地顯示在上位機(jī)屏幕上;另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給現(xiàn)場硬件設(shè)備,對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實施控制或調(diào)整控制參數(shù)。上位機(jī)完成設(shè)備運(yùn)行的所有控制信號采集、運(yùn)算處理和向設(shè)備輸出驅(qū)動控制信號,控制設(shè)備運(yùn)行,同時,通過RS485串口接收PLC發(fā)送的設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信號。

圖1 PLC流程圖

2.2.1 系統(tǒng)界面

為了更好地實現(xiàn)耐壓試驗系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行,監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計由一系列生動直觀的界面組成,依托數(shù)據(jù)庫相互聯(lián)系,為操作員提供豐富的信息和全面的人機(jī)交互功能。耐壓試驗監(jiān)控系統(tǒng)觸摸屏主要窗口界面如下:登錄界面、測試窗口、報警畫面、歷史數(shù)據(jù)畫面、查詢畫面、公司簡介及幫助界面等。接下來重點介紹難點問題的解決。

在測試畫面中可進(jìn)行編輯、查看管件檢測配方,本系統(tǒng)配方數(shù)據(jù)存儲于HMI,并由HMI顯示所有配方數(shù)據(jù)。通過對S7-200PLC設(shè)備構(gòu)件的組態(tài),可方便地在上位機(jī)進(jìn)行配方遠(yuǎn)程運(yùn)行控制,用戶在上位機(jī)選取特定檢測配方,按下“下載”按鈕,通過設(shè)備命令SetDevice下載到PLC中指定地址,作為當(dāng)前管件檢測配方,規(guī)定了當(dāng)前管件檢測各種參數(shù)。通過命令 RecipeLoadByDialog調(diào)出配方查看對話框,可查看配方數(shù)據(jù),同時可編輯指定的元件配方數(shù)據(jù)。在運(yùn)行時元件的設(shè)定參數(shù)在測試畫面中會顯示出來;該系統(tǒng)采用實時監(jiān)控技術(shù),通過組態(tài)軟件MCGS實現(xiàn)對系統(tǒng)所有運(yùn)行參數(shù)的實時監(jiān)控,使得所有從現(xiàn)場監(jiān)測到的元件參數(shù)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)也可以在測試畫面中顯示,這樣操作人員就可以方便、快速地了解耐壓試驗監(jiān)控系統(tǒng)各部分的運(yùn)行情況。

此窗口還包含實時趨勢曲線畫面,實時曲線構(gòu)件是用曲線顯示設(shè)定壓力和實時壓力數(shù)據(jù)對象數(shù)值的動畫圖形,象筆繪記錄儀一樣實時記錄數(shù)據(jù)對象值的變化情況,可將檢測結(jié)果較直觀地展示給操作人員。自動生成數(shù)據(jù)報表,克服了以前人工記錄數(shù)據(jù)的繁瑣與隨意性。本監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)操作人員的不同,設(shè)定不同的使用權(quán)限,有效地保證了系統(tǒng)操作的安全性。測試畫面如圖2所示。

圖2 測試畫面

2.2.2 屏幕截圖功能與存儲

為了方便直觀地使用戶查詢每一管件試驗情況,本系統(tǒng)利用MCGS嵌入版T PC系統(tǒng)控制設(shè)備構(gòu)件,開發(fā)了屏幕截圖功能,將每個管件試驗實時值及實時曲線通過截圖功能捕捉存盤,以備事后分析規(guī)劃。屏幕截圖畫面如圖3所示。

圖3 屏幕截圖畫面

首先正確安裝TPC系統(tǒng)控制構(gòu)件驅(qū)動,將驅(qū)動拷貝在目錄D:MCGSEProgramDrivers用戶定制設(shè)備下。在設(shè)備窗口內(nèi)正確配置設(shè)備構(gòu)件,并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征,設(shè)置相關(guān)的屬性,以對象的形式與外部設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。系統(tǒng)運(yùn)行過程中,設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理,通過通道連接,向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù),從實時數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù),發(fā)送給系統(tǒng)其它部分,進(jìn)行控制運(yùn)算和流程調(diào)度,實現(xiàn)對設(shè)備工作狀態(tài)的實時檢測和過程的自動控制;其次正確使用設(shè)備命令,設(shè)備命令格式如圖4所示。

圖4 設(shè)備命令格式

在腳本程序中利用數(shù)據(jù)對象操作函數(shù)的存盤操作功能,可在運(yùn)行過程中向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫發(fā)出信息,通知實時數(shù)據(jù)庫把指定組對象的值進(jìn)行存儲處理。然后通過腳本程序的組態(tài)配置來實現(xiàn)自動的有條件控制的存盤功能。本系統(tǒng)主要通過事件策略和腳本程序來實現(xiàn)存盤控制。

事件策略由用戶在組態(tài)時創(chuàng)建,當(dāng)對應(yīng)表達(dá)式的某種事件狀態(tài)產(chǎn)生時,事件策略被系統(tǒng)自動調(diào)用一次。本系統(tǒng)中當(dāng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)對象X滿足條件即正跳變一次,事件策略執(zhí)行一次,事件策略如下:

IF i＜100 THEN i=i+1

IF i=1 THEN ！SetDevice(設(shè)備1,6,"SaveScreen(usb

harddiskscreen1.bmp)")

IF i=2 THEN ！SetDevice(設(shè)備1,6,"SaveScreen(usb harddiskscreen2.bmp)")

IF i=3 THEN ！SetDevice(設(shè)備1,6,"SaveScreen(usb

harddiskscreen3.bmp)")

……

IF i＞=100 T HEN i=0

即當(dāng)i=1時,捕捉屏幕截圖,并存儲到U盤中,之后 X再滿足條件,即正跳變一次時;i=2時,就再截圖,并存儲到 U盤中,累次截圖,直到 i=100時,i=0。這樣以此類推,將管件的每次試驗的數(shù)據(jù)和實時曲線存到U盤保存。

3 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的管件耐壓試驗方法相比,本耐壓試驗監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)效率高、檢測準(zhǔn)確性高、使用方便、節(jié)省勞動力,而且運(yùn)行可靠、調(diào)節(jié)方便、人機(jī)界面友好,該系統(tǒng)配置靈活、編程簡單且成本低。目前,本系統(tǒng)已被部分客戶應(yīng)用于實際生產(chǎn),通過現(xiàn)場實際應(yīng)用,控制效果良好,達(dá)到預(yù)期的監(jiān)控目的,在功能上也易于擴(kuò)充和升級,具有一定的推廣價值。

文中創(chuàng)新點:開發(fā)了屏幕截圖功能,將每個管件試驗實時值及實時曲線通過截圖功能捕捉存盤,使用戶清晰、方便了解歷史數(shù)據(jù),以備事后分析規(guī)劃。

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