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储液罐实时监测系统设计

毕业论文

题目储液罐状态实时监测系统设计

学院机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级机自0605

学生安乐

学号002

指导教师孙选

二〇一〇年六月八日

摘要

在食物、化工、石油等行业有大量的储液罐，需要实时监测储液罐的状态，如液位、温度、压力、容积等。

本课题设计一种对多个储液罐状态实时集中监控系统，用于远程监测储液罐的状态。

课题要求对1~15个储液罐内的液体液面高度、罐内压力、罐内温度进行实时监测，并对监测系统与现场仪表的通信选择适合的通信协议和通信接口。

要求监测系统对系统故障、现场仪表故障、超限等异样情形具有报警功能，并对历史数据具有记录和查询功能。

本设计将采纳变送器作为储液罐各个参数的监测设备；监测系统与现场仪表通过RS485通信，通信协议为Modbus协议；监测系统软件采纳MCGS组态软件形成人机界面完成工程画面的创建、数据对象的概念、动画连接的实现、越限报警、曲线显示和报表输出等功能。

关键词：

远程监测；通信协议；通信接口；人机界面

ABSTRACT

Therearealotofliquidstoragetanksinthefood,chemical,oilandotherindustries,storagetanksneedreal-timemonitoringofthestate,suchaslevel,temperature,pressure,volumeandsoon.Thesubjectrequiredesignareal-timefocusingonanumberoftankconditionmonitoringsystemforremotemonitoringoftankstatus.Thesubjectrequire1to15tankontheliquidinsidetheliquidlevel,tankpressure,tanktemperature,real-timemonitoring,andselecttheappropriatecommunicationprotocolsandcommunicationinterfacesforthemonitoringsystemsandfieldinstrumentation.Demandsonthesystemfailuremonitoringsystem,fieldinsrumentationfailure,overrunandotheranomalieswithalarm,andhistoricaldatawiththerecordsandquery.Thisdesignwillusethetransmitterastheparametersoftankmonitoringequipment;communicatethroughRS485monitoringsystemandfieldinstrument,useModbusprotocolforthecommunicationprotocol;usethesoftwareMCGSwhichformatetheman-machineinterfaceconfigurationwiththemonitoringsystemsoftwaretocompletetheprojectcreationscreen,thedefinitionofdataobjects,animationconnectedtoachieve,themorealarmlimits,curvedisplayandreportoutputfunction.

Keywords：

RemoteMonitoring；Communicationprotocol；CommunicationInterface；HMI

1前言

监控系统的进展方向是远程化和网络化，和以治理集中化和操纵分散化为特点的测控管一体化。

融合网络技术、软件技术和测量技术的散布式监控系统能够应用于大范围区域的测量与操纵。

远程测控系统系统包括大量彼此互换信息的设备，具有信号处置、优化决策和操纵操作等，操纵器能够分散在网络中的不同地址，治理功能那么能够集中于一点，因此基于网络的散布式测控系统有着普遍的应用前景。

在电力系统监控、工厂丰亨自动化、异地联合实验、实验空自动测试、教学、卫星发射、智能大厦、智能小区平安、储液罐实时监测系统等众多领域，基于网络的散布式监控系统都能发挥重要作用。

远程监测系统是基于网络的散布式监测系统，它由分散挂接在网络上的不同监测设备组成，完成进程的测量，记录，数据处置等工作，并通过网络进行数据传输，实现资源、信息共享，和谐工作，一起完成复杂的测控任务[1]。

组态软件是随着集散操纵系统及运算机技术的日趋成熟而进展起来的，尤其是近几年，随着运算机网络技术的进展，使得监控设备之间的互联变得加倍简便，提高了自动化工程的工作效率，减少了系统保护和升级的费用。

近几年来随着我国工业的快速进展,相对应的工业操纵领域也是朝着科学化、现代化方向进展。

作为其载体的现代工业操纵的组态软件在我国也取得了极大的进展。

在食物、化工、石油等行业有大量的储液罐，需要实时监测储液罐的状态，如液位、温度、压力、容积等。

本课题设计一种对多个储液罐状态实时集中监控系统，用于远程监测储液罐的状态。

课题要求对1~15个储液罐内的液体液面高度、罐内压力、罐内温度进行实时监测，并对监测系统与现场仪表的通信选择适合的通信协议和通信接口。

要求监测系统对系统故障、现场仪表故障、超限等异样情形具有报警功能，并对历史数据具有记录和查询功能。

本设计将采纳变送器作为储液罐各个参数的监测设备；监测系统与现场仪表通过RS485通信，通信协议为Modbus协议；监测系统软件采纳MCGS组态软件形成人机界面完成工程画面的创建、数据对象的概念、动画连接的实现、越限报警、曲线显示和报表输出等功能。

论文中将详细论述监测系统的功能实现，硬件、软件的选择和人机界面的设置情形。

2通信协议

通信协议的选择

Modbus协议是应用于电子操纵器上的一种通用语言。

通过此协议，操纵器彼此之间、操纵器经由网络（例如以太网）和其它设备之间能够通信。

它已经成为一种通用工业标准。

有了它，不同厂商生产的操纵设备能够连成工业网络，进行集中监控[2]。

因此，本设计网络通信协议采纳Modbus协议完成对各个储液罐温度、压力和液位等参数的集中监测。

Modbus简介

Modbus协议概念了一个操纵器能熟悉利用的消息结构，而不管它们是经何种网络进行通信的。

它描述了一个操纵器请求访问其它设备的进程，若是回应来自其它设备的请求，和如何侦测错误并记录。

它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每一个操纵器须要明白它们的设备地址，按地址识别发来的消息，决定要产生何种行动。

若是需要回应，操纵器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。

在其它网络上，包括了Modbus协议的消息转换为在此网络上利用的帧或包结构。

这种转换也扩展了依照具体的网络解决节地址、路由途径及错误检测的方式[3]。

Modbus传输方式

操纵器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信。

用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每一个操纵器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必需选择相同的传输模式和串口参数。

所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络，它概念了在这些网络上持续传输的消息段的每一名，和决定如何将信息打包成消息域和如何解码。

当操纵器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每一个8Bit字节包括两个4Bit的十六进制字符。

这种方式的要紧优势是：

在一样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据[4]。

因此，本设计优先采纳ModbusRUT通信协议。

3通信接口

数据传送方式的选择

运算机和运算机或运算机与终端之间的数据传送能够采纳串行通信和并行通信二中方式。

由于串行通信方式具有利用线路少、本钱低，专门是在远程传输时，幸免了多条线路的不一致而被普遍采纳。

因此，本设计采纳串行通信的方式进行数据传输。

通信接口的选择

最被人们熟悉的串行通信技术标准是RS-232、RS-422和RS-485。

RS-232是最先的串行接口标准。

其后进展起来的RS-422、RS-485是平稳传送的电气标准，比起RS-232非平稳的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。

RS485的电器标准与RS422完全相同，但当RS485线路空闲（即不传送信号）时，线路处于高阻（或挂起）状态这时RS485线路就能够够许诺被其他设备占用。

依照RS485驱动芯片驱动能力的不同，一个RS485数据发送设备能够驱动32～256台RS485数据接收设备。

由于RS485总线通信方式更为简单灵活，其传输速度高，距离远（不加中继器时有效传输距离可达1200m），硬件接口简单，软件易实现，性价比高等优势使得基于RS485协议的系统更适合于现场，专门是中小型数据搜集和操纵系统的应用。

RS-485通信方式

RS-485采纳平稳发送和差分同意方式来实现通信：

在发送端TXD将串口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在同意端将差分信号还原成TTL电平信号。

两条传输线路通常采纳双绞线，又是差分传输，因此具有极强的抗共模干扰的能力，同意灵敏度也相当的高。

同时，最大传输速度和最大传输距离也大大提高。

RS-485总线互连

散布式多点数据搜集系统或集中操纵系统的网络拓扑一样采纳总线方式，传送数据采纳主从站的方式。

主性能够是PC机、工控机或单片机（本设计采纳的是PC机），每一个从机拥有自己固定的地址，由主机操纵完成网上的每一次通信。

开始时所有从机复位，即处于监听状态，等待主机的呼唤。

当主机向网上发出某一从机的地址时，所有从机接收到该地址并与自己的地址相较较。

若是相符说明主机在呼唤自己，应发还应答信号，表示预备好开始接收后面的命令和数据；不然不予理会，继续监听呼唤地址。

主机受到从机的应答后，那么开始一次通信。

通信完毕，从机继续处于监听状态，等待呼唤[6]。

4监测设备

温度监测设备的选择

HAKK-WZPB一体化温度变送器是温度传感器与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200~+1600℃范围内的温度信号转换为二线制4~20mADC的电信号传输给显示仪、调剂器、记录仪、DCS等，实现对温度的精准测量和操纵。

一体化温度变送器是现代工业现场、科研院所温度测控的更新换代产品，是集散系统、数字总线系统的必备产品[7]。

由此，本设计采纳HAKK-WZPB一体化温度变送器来实现储液罐温度监测功能。

一体化温度变送器一样由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。

采纳固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。

一体化温度变送器一样分为热电阻和热电偶型两种类型[8]。

本设计利用型号为WZCB的热电阻一体化温度变送器。

压力监测设备的选择

压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成4～20mADC信号输出。

压力变送器要紧有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等[9]。

因为压力变送器具有工作靠得住、性能稳固，专用V/I集成电路，外围器件少，靠得住性高，保护简单、轻松，体积小，重量轻，安装调试极为简便；铝合金压铸外壳，三端隔离，静电喷塑爱惜层，牢固耐用；4-20mADC二线制信号传送，抗干扰能力强，传输距离远；LED、LCD、指针三种指示表头，现场读数十分方便。

可用于测量粘稠、结晶和侵蚀性介质；高准确度，高稳固性。

除入口原装传感器已用激光修正外，对整机在利用温度范围内的综合性温度漂移、非线性进行精细补偿等特点[10]。

适合本设计的要求，因此本设计利用压力变送器进行储液罐压力的监测工作。

用户能够依照压力量程范围、选择智能仍是模拟、是不是要带表头显示、精度品级、测量的介质等需求来具体选择压力变送器的具体型号。

液位监测设备的选择

液位变送器是对压力变送器技术的延伸和进展，依照不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理，实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送。

因为液位变送器具有安装简单、利用方便，互换能力强；适合容器内液体介质的液位、界面的测量。

除现场指示，还可配远传变送器、报警开关、检测功能齐全；指示新颖、读数直观、夺目、观看指示器的方向可依照用户需要改变角度；测量范围大，不受贮槽高度的限制；指示机构与被测介质完全隔离，密封性好，靠得住性高，利用平安；结构简单、安装方便、保护方便、耐侵蚀、无需电源、防爆；高品质传感的灵敏度高，响应速度快，准确反映流动或静态液面的细微转变，测量准确度高；具有平安防爆和隔离防爆能力，可应用于各类危险场所；务有防阻塞型设计可实现对糊状介质液位的测量；100%等分刻度、LED、LCD三种指示表头，现场读数十分方便；4—20mADC二线制信号传送，抗干扰能力强，传输距离远；精细独特的零点、满程、非线性补偿，保证仪表利用条件范围内的精度，长期稳固性好；压力传感器直接感测液位压力，不受介质起泡、沉积的阻碍；利用被测介质普遍，可测油、水及与316不锈钢兼容的糊状物，具有必然的防腐能力等优势[11]。

因此本设计采纳液位变送器作为液位监测设备。

液位变送器具有投入式、直杆式、法兰式、螺纹式、电感式、旋入式、浮球式结构设计。

投入式液位变送器采纳高性能的扩散硅压阻式压力传感器作为测量元件，通太高靠得住性的放大处置电路及周密温度补偿，将被测介质的表压或绝压转换为标准的电压或电流信号。

本产品体积小巧，利用安装方便，直接投入水中即可测量出变送器结尾到液面的液位高度。

采纳先进电路处置技术，性能稳固、高灵敏度；多种量程，最大可测200m（水柱压力）；采纳316L不锈钢隔离膜片，适用于多种测量介质；配置灵活，依照需要可选择不同配置。

具有反向极性和限流爱惜；激光调阻温度补偿，零点、量程可现场调剂；抗侵蚀范围宽，适于多种介质；过载及抗干扰能力强，性能稳固。

普遍应用于工业现场液位测量与操纵、城市供水及污水处置石油、化工、电厂、水文监测、水库、大坝、水电建设等领域的液位的测量与操纵。

综上所述，本设计采纳投入式液位变送器作为液位监测设备。

5系统软件

组态软件监测方案

组态软件，又称组态监控软件系统软件。

译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据搜集与监视操纵）。

它是指一些数据搜集与进程操纵的专用软件。

它处在自动操纵系统监控层一级的软件平台和开发环境，利用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动操纵系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件的应用领域很广，能够应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据搜集与监视操纵和进程操纵等诸多领域。

由于组态软件能支持各类工控设备和常见的通信协议，而且通常能够提供散布式数据治理和网络功能。

对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件是一个利用户能快速成立自己的HMI的软件工具或开发环境。

在组态软件显现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时刻长，效率低，靠得住性差；或购买专用的工控系统，一般是封锁的系统，选择余地小，往往不能知足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严峻的限制。

组态软件的显现，把用户从这些窘境中摆脱出来[12]。

因此能够利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。

经常使用的组态软件

随着工业操纵系统应用的深切，在面临规模更大、操纵更复杂的操纵系统时，人们慢慢意识到原有的上位机编程的开发方式。

对项目来讲是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（治理信息系统，Management Information System）和CIMS（运算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深切的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。

因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用慢慢取得了普及。

其中经常使用的组态软件有MCGS、InTouch、Fix、Citech、组态王、Controx（开物）、ForceControl（力控）。

组态软件的选择

MCGSE（MonitorandControlGeneratedSystemforEmbeded，嵌入式通用监控系统）是一种用于快速构造和生成嵌入式运算机监控系统的组态软件，它的组态环境能够在基于Microsoft的各类32位Windows平台上运行，运行环境那么是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。

MCGS嵌入版组态软件具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、有良好的并行处置性能、丰硕、生动的多媒体画面、完善的平安机制、壮大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备，实现“设备无关”、设立对象元件库，组态工作简单方便等要紧功能[13]。

综上所述，咱们选择MCGS嵌入版组态软件来进行储液罐状态实时监测系统的设计。

MCGS嵌入版组态软件的体系结构

MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境三部份。

MCGS嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部份组成，如图所示

MCGS

主控窗口v

设备窗口

用户窗口

实时数据库

运行策略

系统参数

启动参数

设备构件11

设备构件

图元

图符

动画构件

数据对象

报警处理

存盘处理

启动策略

循环策略

退出策略

自定义策略

图MCGS嵌入版结构简图

在MCGS嵌入版中能够有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也能够有多个数据对象。

MCGS嵌入版用主控窗口、设备窗口和用户窗口来组成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置出各类不同类型和功能的对象或构件，同时能够对实时数据进行可视化处置。

人机界面的实现

工程整体计划

在实际工程项目中，利用MCGS嵌入版构造应用系统之前，应进行工程的整体计划，保证项目的顺利实施。

关于本设计—储液罐状态实时监测系统来讲，要紧任务是完成对多个储液罐温度、压力和液位参数的监测。

在本设计中，咱们假设储液罐高10m，温度最高100°C，压力峰值为30mp。

并依如实际需要依次完成创建工程画面、概念数据对象、实现动画连接、报警显示、曲线显示、报表输出、平安机制、设备连接和软件运行的步骤和功能，从而实现对储液罐状态的实时监测[14]。

创制工程画面

（1）成立画面

在用户窗口中创建一个名为储液罐的窗口。

（2）编辑画面

最后生成的画面如下图

图人机界面

概念数据对象

实时数据库是MCGS嵌入版工程的数据互换和数据处置中心。

数据对象是组成实时数据库的大体单元，成立实时数据库的进程也确实是概念数据对象的进程。

MCGS嵌入版利用自建文件系统中的实时数据库来治理所有实时数据。

从外部设备搜集来的实时数据送入实时数据库，系统其它部份操作的数据也来自于实时数据库。

实时数据库自动完成对实时数据的报警处置和存盘处置，同时它还依照需要把有关信息以事件的方式发送给系统的其它部份，以便触发相关事件，进行实时处置。

因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特点参数（属性）及对该变量的操作方式（报警属性、报警处置和存盘处置等）。

这种将数值、属性、方式封装在一路的数据咱们称之为数据对象。

实时数据库采纳面向对象的技术，为其它部份提供效劳，提供了系统各个功能部件的数据共享。

在“实时数据库”中的“新增对象”按钮可实此刻窗口的数据对象列表中增加新的数据对象。

本设计需要用到的数据对象如表

表数据对象

变量名

类型

初值

温度1

数值型

25

温度2

数值型

25

温度n

数值型

25

温度组

组对象

压力1

数值型

1

压力2

数值型

1

压力n

数值型

1

压力组

组对象

液位1

数值型

0

液位2

数值型

0

液位n

数值型

0

液位组

组对象

储液罐1

组对象

储液罐2

组对象

储液罐n

组对象

概念组对象与概念其他数据对象略有不同，需要对组对象成员进行选择。

具体步骤如下：

（1）在数据对象列表中，双击“液位组”，打开“数据对象属性设置”窗口。

（2）选择“组对象成员”标签，在左侧数据对象列表当选择“液位1”，点击“增加”按钮，数据对象“液位1”被添加到右边的“组对象成员列表”中。

依照一样的方式将“液位2”和“液位n”添加到组对象成员中。

同理，将温度1、温度2和温度n数据对象添加到组对象“温度组”中；将压力1、压力2和压力n数据对象添加到组对象“压力组”中；将温度1、压力1和液位1数据对象添加到组对象“储液罐1”中；将温度2、压

力2和液位2数据对象添加到组对象“储液罐2”中；将温度n、压力n和液位n数据对象添加到组对象“储液罐n”中。

（3）单击“存盘属性”标签，在“数据对象值的存盘”选择框中，选择：

按时存盘，并将存盘周期设为：

5秒。

动画连接的实现

温度实时动画的制作

在储液罐画面中双击温度计1，弹出属性设置出口，进行如图设置

图动画组态属性设置窗口

由此能够将温度计1液位的高低和储液罐温度1数据连接起来，形成显示储液罐温度1的实时动画。

同理能够将温度计2到n的液位高低转变的动画与各自对应的实时数据连接起来，形成实时动画。

压力实时动画的制作：

在储液罐画面中双击压力表1，弹出属性设置出口，进行如图设置

图选装仪表构件属性设置窗口

由此能够将压力表1的数据显示与储液罐1的压力实时数据连接起来，形成储液罐1压力数值的实时显示。

同理能够将压力表2到n的数据显示与各自对应的实时数据连接起来，形成实时动画。

液位实时动画制作

在储液罐画面中双击储液罐1，弹出属性设置出口，进行如图设置

图动画组态属性设置窗口

由此能够将储液罐1液位起落动画与储液罐1液位的转变连接起来，形成储液罐1的实时动画。

同理能够将储液罐2到n的液位起落动画也各自的实时数据连接起来，形成实时动画。

报警显示的实现

报警实现的程序框图：

开始

系统初始化

连接设备

Ready？

设置报警值

是否过限？

进行报警

No

Yes

报表输出

接收并处理

Yes

No

实际运行时，可能发生参数越限情形。

报警显示是最大体的平安手腕。

实时报警能够提示操作人员进行及时处置，幸免事故发生。

历史报警能对指按时刻内的所有参数越限情形进行记录、显示和打印，以便对系统运行情形进行分析。

专门是在事故发

生后，这种分析关于调查事故发生的缘故很重要，本系统需要设置报警的数据对象包括：

温度1、温度2、温度n、压力1、压力2、压力n、液位1、液位2、液位n。

（1）报警属性概