基于LabVIEW與OPC的換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李光明++高遠(yuǎn)謀++趙立強(qiáng)

摘要：管網(wǎng)環(huán)節(jié)是供熱系統(tǒng)的第二個(gè)環(huán)節(jié)，也是供熱系統(tǒng)最重要的組成部分，因此管網(wǎng)監(jiān)控對(duì)換熱系統(tǒng)的意義重大。該文針對(duì)管網(wǎng)監(jiān)控環(huán)節(jié)的最重要的節(jié)點(diǎn)換熱站，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW與OPC的換熱站監(jiān)控系統(tǒng)。文章描述了該監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成、功能及軟硬件的設(shè)計(jì)思想，并給出了系統(tǒng)的流程框圖。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，性能優(yōu)良，從很大程度上改變了熱力公司靠人來管理和操作的傳統(tǒng)供熱管理模式，不僅能減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了工作人員工作效率，這對(duì)提高了換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平有很重要的意義[1]。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；換熱站監(jiān)控；OPC；DSC

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）06-0228-04

Design of Monitoring System of Heating Based on LabVIEW and OPC

LI Guang-ming，GAO Yuan-mou，ZHAO Li-qiang

（School of Electricity and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology， Xian 710021， China）

Abstract： Network link is the second part of the heating system， as well as the the most important part of heating system. So the heat pipe network monitoring system is significant. In this paper， the core part of the pipe network monitor heat transfer stations， designed heat transfer station monitoring system based on LabVIEW and the OPC. The basic composition of the monitoring system， function and design of hardware and software， and the system gives a flow diagram. The practice has proved that the system is reliable， excellent performance， to a large extent changed the heating companies rely on people to manage and operate the heating traditional management model， not only can reduce staff labor intensity， and improve staff productivity， this will improve the level of automation heat transfer station monitoring system has a very important significance.

Key words： LabVIEW； monitor of heating； OPC； DSC

近些年來，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)熱力公司冬季供熱的質(zhì)量也提出了更高的要求。換熱站是城鎮(zhèn)集中供熱最重要的節(jié)點(diǎn)，因此換熱站的工作質(zhì)量和效率是供熱系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。伴隨著城鎮(zhèn)集中供熱的普及，各地供熱公司為提高供熱的質(zhì)量和工作效率，新建換熱站基本上都是無人值守?fù)Q熱站，與此同時(shí)，很多老的傳統(tǒng)換熱站也紛紛進(jìn)行改造，逐步使其向?qū)崿F(xiàn)無人值守。根據(jù)整個(gè)供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，供熱系統(tǒng)總體上可分為三部分：熱源、管網(wǎng)、終端用戶；實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化，很重要的一個(gè)方面就是建立這三個(gè)環(huán)節(jié)的信息化管理平臺(tái)[2]。一個(gè)完善的供熱信息化管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)：熱源控制的一體化、管網(wǎng)監(jiān)控的智能化、終端用戶的信息化等功能。

本系統(tǒng)上位機(jī)采用圖形化語言LabVIEW 編寫人機(jī)界面，LabVIEW相對(duì)于其他一些常用的組態(tài)開發(fā)軟件，有開發(fā)周期短，易于調(diào)試和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。下位機(jī)采用丹佛斯公司研發(fā)的換熱站供熱系統(tǒng)專用的ECL Apex 20 PCD實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。OPC作為上位PC和下位PLC的通訊媒介，采用Modbus/TCP通訊協(xié)議通過工業(yè)以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊[3]。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

換熱站監(jiān)控系統(tǒng)主要有上位主控室監(jiān)控系統(tǒng)和下位換熱站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)兩部分組成。

上位主控室監(jiān)控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)采集下位PLC采集到的換熱站各種工況參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，上位監(jiān)控系統(tǒng)也可以根據(jù)整個(gè)熱網(wǎng)的運(yùn)行狀況對(duì)全局或者局部進(jìn)行調(diào)控，主控中心管理人員可以根據(jù)需要通過監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)并將命令下發(fā)到換熱站現(xiàn)場(chǎng)的下位PCD，由下位控制系統(tǒng)完成對(duì)換熱站的調(diào)控[4]。

下位機(jī)由ECL Apex 20可編程控制器、ECA 20觸摸屏、各種溫度和壓力變送器、各種傳感器等組成。下位機(jī)負(fù)責(zé)采集換熱站現(xiàn)場(chǎng)的各種重要的工況參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，并將這些數(shù)據(jù)上傳至主控中心上位監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)下位機(jī)也負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的各種指令。該系統(tǒng)在換熱站現(xiàn)場(chǎng)還配備了觸摸屏，工作人員也可以在現(xiàn)場(chǎng)通過觸摸屏操作下位機(jī)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等，這樣給換熱站的測(cè)試和調(diào)試帶來了很大的方便。

1.2 系統(tǒng)流程圖

整個(gè)換熱站系統(tǒng)有119個(gè)工況參數(shù)，其中開關(guān)量39個(gè)，模擬量80個(gè)。系統(tǒng)斷電、循環(huán)泵故障、補(bǔ)水電磁閥運(yùn)行反饋、一網(wǎng)供水溫度超高限、一網(wǎng)供水溫度超低限、等39個(gè)開關(guān)量和所有如一網(wǎng)供回水溫度、二網(wǎng)供回水壓力、二網(wǎng)供回水壓力、一網(wǎng)供回水流量、室外溫度等80個(gè)模擬量。這些換熱站工況參數(shù)連接到PLC控制器上的I/O模塊，并通過換熱站現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)地讀入PLC的數(shù)據(jù)映像區(qū)。換熱站系統(tǒng)工藝流程如圖2所示：

上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PCD系統(tǒng)采用基于Modbus/TCP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊， LabVIEW程序編寫的上位機(jī)監(jiān)控軟件，以O(shè)PC為通訊的中間件，將換熱站的所有采集到的工況參數(shù)包括各種開關(guān)量和模擬量從PLC的數(shù)據(jù)影響區(qū)中取出，在上位監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)換熱站各種工況參數(shù)的顯示、換熱站各環(huán)節(jié)越限或故障報(bào)警、換熱站工況參數(shù)的分類存儲(chǔ)、各種工況參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線等功能[5]。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

換熱站工況參數(shù)的采集是由下位機(jī)PLC負(fù)責(zé)采集并通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳到上位機(jī)監(jiān)控軟件，之后通過OPC Server的共享變量，系統(tǒng)自動(dòng)地將采集到的各種參數(shù)數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存入數(shù)據(jù)庫中。

2.2 數(shù)據(jù)顯示

LabVIEW編程本身自帶很多的顯示控件，并且還有自定義控件的功能，用戶可以根據(jù)實(shí)際的需要設(shè)計(jì)出自己的控件。這樣編寫的軟件程序不僅界面生動(dòng)形象可視性強(qiáng)，人機(jī)交互變得十分方便和友好。用戶還可以根據(jù)需要顯示數(shù)據(jù)的類型和特點(diǎn)，采用不同種類的顯示控件。

2.3 參數(shù)設(shè)置

換熱站監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，有大量的參數(shù)需要監(jiān)控，因此需要設(shè)置大量的參數(shù)。如溫度、壓力的上下限，控制系統(tǒng)PID的設(shè)置等。

2.4 報(bào)警事件記錄

當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警的開關(guān)量狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，下位機(jī)將報(bào)警信號(hào)傳到上位機(jī)，上位機(jī)收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)出語音報(bào)警，以此來提醒主控室工作人員來處理報(bào)警情況。同時(shí)，上位監(jiān)控軟件將報(bào)警的詳細(xì)信息記錄至數(shù)據(jù)庫，便于日后查詢。

2.5 歷史數(shù)據(jù)查詢

換熱站監(jiān)控系統(tǒng)將換熱站的參數(shù)按時(shí)間先后順序存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控系統(tǒng)提供的查詢功能可以在操作人員輸入時(shí)間段后，查詢?cè)摃r(shí)段內(nèi)地?fù)Q熱站工況參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有報(bào)表和曲線兩種方式，便于日后對(duì)換熱站的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

2.6 報(bào)表打印

換熱站監(jiān)控軟件還提供了報(bào)表打印的功能，該功能是LabVIEW DSC 模塊提供的，它把各種豐富的報(bào)表函數(shù)集成在一起，用戶可以根據(jù)自身需要和喜好創(chuàng)建各種類型的報(bào)表，還提供了各種報(bào)表操作工具，功能強(qiáng)大，操作方便，編程靈活[6]。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟硬件簡(jiǎn)介

3.1.1 系統(tǒng)硬件：

本系統(tǒng)的硬件設(shè)備由上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和下位采集終端機(jī)組成。主控室上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)和服務(wù)器選用高性能工控機(jī)。換熱站現(xiàn)場(chǎng)的下位終端機(jī)是由丹佛斯研發(fā)的ECL Apex 20可編程控制器，如圖4所示。ECL Apex 20專用于換熱站和換熱機(jī)組的控制，既有供熱控制專用功能又能自由編程，能滿足換熱站內(nèi)所有溫度、壓力、流量等參數(shù)的控制需求以及對(duì)換熱站、控制器安全運(yùn)行的需求，并有強(qiáng)大的通訊功能以利于與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和上位機(jī)通訊。ECL Apex 20控制器集成了以下超強(qiáng)性能：

1）處理器：基于Motorola 32位微處理器CF5272，主頻達(dá)66MHz；內(nèi)存為1MBRAM+1MB Flash，可選的Flash存儲(chǔ)器最高可達(dá)2GB；

2）接口：USB口、自適應(yīng)以太網(wǎng)接口兩個(gè)（其中一個(gè)可作RS232接口）、RS485接口兩個(gè)，這些接口可用于編程、連接上位機(jī)、觸摸屏和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等，該控制器還帶有通用擴(kuò)展插槽，串行接口可擴(kuò)展至12個(gè)；

3）IO點(diǎn)：10DI+5Pt1000+9AI+5DO+3AO，可再擴(kuò)展

60個(gè)模塊；支持以太網(wǎng)TCP/IP、現(xiàn)場(chǎng)總線Prefabs/ModBus；

4）開放系統(tǒng)：支持OPC；可通RS232/485接口連接使用Modbus協(xié)議的換熱站熱表；

5）控制器可以實(shí)現(xiàn)自由口編程，因此非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的換熱站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也可以方便實(shí)現(xiàn)連接；控制器內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能，方便用戶通過IE瀏覽器的網(wǎng)頁產(chǎn)看控制器內(nèi)數(shù)據(jù)；并可在瀏覽器網(wǎng)頁上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新、觀察數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖等功能。

3.1.2 系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)在開發(fā)的過程中運(yùn)用了面向工業(yè)過程控制數(shù)據(jù)交換的OPC技術(shù)，OPC（OLE for Process Control）項(xiàng)技術(shù)最早源于微軟的OLE技術(shù)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來。它在數(shù)據(jù)源與客戶端之間提供了一種進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艡C(jī)制。OPC從軟件的角度可以看成一個(gè)“軟件總線”的標(biāo)準(zhǔn)，首先，在不同的應(yīng)用程序之間（甚至是通用網(wǎng)絡(luò)連接起來的不同的工作站上的應(yīng)用程序之間），它提供了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ罉?biāo)準(zhǔn)；其次，他還定義了在過程控制中數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)慕粨Q格式。OPC采用客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）模式，即將分為OPC 服務(wù)器（OPC Server）和OPC客戶端（OPC Client）。OPC服務(wù)器提供必要的OPC數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)接口；OPC客戶端通過該標(biāo)準(zhǔn)接口來訪問OPC 數(shù)據(jù)[7]。OPC 與不同類型的控制系統(tǒng)與設(shè)備的連接如圖4所示：

OPC技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)工業(yè)控制具有很大的現(xiàn)實(shí)意義?；贠PC開發(fā)的軟件都有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)及接口標(biāo)準(zhǔn)，因此通用性很強(qiáng)。因此對(duì)于硬件開發(fā)商來說，只需開發(fā)一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的OPC服務(wù)軟器軟件，就能使其產(chǎn)品與任何支持OPC客戶端協(xié)議的軟件相連接。同樣的，軟件供應(yīng)商則只需將自己的軟件加上OPC接口，即能從OPC服務(wù)器中取得數(shù)據(jù)，而不需要關(guān)心底層的細(xì)節(jié)[8]。

3.1.3 LabVIEW 與 PLC 數(shù)據(jù)通信的建立

LabVIEW與PLC通信有多種方式，本系統(tǒng)采用LabVIEW數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（DSC）模塊與OPC結(jié)合的方式建立與下位PLC的通訊[9]。LabVIEW DSC 模塊是NI公司面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的開發(fā)的基于LabVIEW的功能擴(kuò)展模塊，功能異常強(qiáng)大，如實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫、查詢歷史數(shù)據(jù)、 查詢歷史趨線、對(duì)用戶進(jìn)行管理、報(bào)警診段、報(bào)表生成等，對(duì) OPC Server 的訪問是LabVIEW DSC最關(guān)鍵的一部分。LabVIEW DSC 模塊與 OPC 標(biāo)簽的連接是通過共享變量來實(shí)現(xiàn)的[10]。

基于 DSC 模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì) OPC Server 進(jìn)行訪問的軟件結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示。

3.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用微軟公司的Windows 8作為操作系統(tǒng)，基于LabVIEW+DSC的軟件開發(fā)平臺(tái)，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，采用數(shù)據(jù)流編程方式，自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法[11]。根據(jù)換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需要，將程序按小任務(wù)劃分為若干個(gè)模塊。為了保證監(jiān)控軟件的可移植性和可拓展性和良好的可讀性，各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)流向要合理進(jìn)行設(shè)計(jì)。監(jiān)控軟件模塊按功能的不同可分為：初始化模塊、自檢程序模塊、數(shù)據(jù)采集檢測(cè)程序模塊、數(shù)據(jù)處理程序模塊、報(bào)警診斷程序模塊、通訊接口模塊、數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊、以及數(shù)據(jù)庫查詢打印模塊，這些模塊既獨(dú)立又有聯(lián)系，第一季模塊可以被高一級(jí)模塊反復(fù)調(diào)用。運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想：每一個(gè)功能模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子Vl，對(duì)子VI進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)后，并對(duì)子VI定義標(biāo)準(zhǔn)化接口。如果需要進(jìn)一步對(duì)某個(gè)子Vl進(jìn)行細(xì)化，則可以將該子VI生成更多的子Vl。這種程序設(shè)計(jì)思想，既提高了程序的可擴(kuò)充性，又便于程序的調(diào)試和維護(hù)。在對(duì)換熱站的工藝流程進(jìn)行分析后，本系統(tǒng)自頂向下設(shè)計(jì)為三層體系結(jié)構(gòu)：第一層為頂層主要是監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面、第二層為邏輯層，主要功能是配置換熱站參數(shù)、對(duì)換熱站的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、查詢等第三層為硬件驅(qū)動(dòng)層，主要是與換熱站現(xiàn)場(chǎng)的硬件設(shè)備進(jìn)行通信[12]。該監(jiān)控軟件系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)如圖6所示

3.3 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)主界面

基于LabVIEW自主開發(fā)的換熱站監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖7所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)是根據(jù)某熱力公司的實(shí)際需求而開發(fā)的基于LabVIEW 與OPC的換熱站監(jiān)控系統(tǒng)軟件，采用圖形化的編程語言，不僅從時(shí)間縮短了開發(fā)周期、降低了開發(fā)成本。而且開發(fā)出來的軟件人機(jī)界面生動(dòng)直觀，人機(jī)交互友好、具有很強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性、方便靈活易于維護(hù)。運(yùn)用LabVIEW DSC模塊與 OPC通信實(shí)時(shí)可靠，并且該系統(tǒng)構(gòu)建于基于統(tǒng)一的Modbus TCP通信協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，采用OPC數(shù)據(jù)交換技術(shù)， 因此具該監(jiān)控軟件系統(tǒng)具有很強(qiáng)的兼容性和可擴(kuò)展性[13]。 本系統(tǒng)已于供暖季應(yīng)用到山西呂梁和臨汾等地區(qū)，系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了一個(gè)供暖周期，運(yùn)行狀況穩(wěn)定，性能變現(xiàn)良好，該系統(tǒng)的使用使該地區(qū)換熱站監(jiān)控的自動(dòng)化程度得到了很大程度的提高。

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