基于触摸屏的天然气调压站智能监控系统设计毕业设计论文.docx

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基于触摸屏的天然气调压站智能监控系统设计毕业设计论文

基于触摸屏的天然气调压站智能监控系统设计

DesignofSmartMonitoringSystemBasedonTouchScreenforNaturalGasPressureRegulatingStation

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

基于触摸屏的天然气调压站智能监控系统设计

[摘要]该设计主要是关于天然气调压站的工作原理及由西门子公司开发的S7-200PLC芯片和HITECH触摸屏实现的智能监控系统设计。

系统通过实时监测调压站关键部位的压力、压差、阀位和流量等主要参数，在友好的触摸屏人机界面上及时反映天然气调压站的实际工作状况，并作用于执行机构进行实时调整，确保供气系统安全、稳定及高效运行。

研究了如何实现友好人机界面的设计，并设计主菜单、数据显示、动作控制、时间设置和参数设置等界面。

而且系统可以通过本地触摸屏和远程网络两种方式进行实时监控，并为上位机预留了标准的Modbus通信接口，便于系统远程网络化控制和管理。

[关键词]触摸屏；可编程序逻辑控制器；监控系统；天然气调压；人机界面

DesignoftheMonitoringSystemBasedonNaturalGasRegulatorStationSmartTouchScreen

ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyYUANJun-nan

Abstract：

ThedesignisimplementedontheworkingprincipleofthenaturalgasregulatorstationanddevelopedbySiemensS7-200PLCchipandHitachitouchscreenintelligentmonitoringsystem.Themainparametersofthesystembyreal-timemonitoringofpressureregulatingstationsforkeypartsofthepressure,differentialpressure,valvepositionandflowreflecttheactualworkingconditionofthenaturalgasregulatorstationintimeforthefriendlytouchscreeninterface,andtheroleofreal-timeadjustmentstotheimplementingagenciestoensuresafe,stableandefficientoperationofthegassupplysystem.Examininghowtoachieveafriendlyman-machineinterfacedesign,anddesignofthemainmenu,thedatashowthatthemotioncontrol,timesettingandparametersettinginterface.Andthesystemcanbetwowaysforthelocaltouchscreenandremotenetworkforreal-timemonitoringandreservedforthehostcomputerwithstandardModbuscommunicationsinterfacesforremotenetworkcontrolandmanagement.

Keywords:

Touchscreen;PLC;monitoringsystem;naturalgasregulator;man-machineinter

1引言

1.1课题背景以及意义

天然气调压站是城市天然气输送系统的核心之一，而天然气调压站智能监控系统是天然气调压站的重要组成部分。

集中监控与管理天然气输送系统的各项压力参数指标在整个系统中占着极其重要的地位。

随着网络技术的普遍应用，天然气调压目标的智能远程监控也成为天然气调压站的一个重要方向。

良好的监控系统可以极大地降低工作人员的劳动强度，提高工作效率，提高天然气供应的稳定性和可靠性[1]。

可编程逻辑控制器（PLC）和日立触摸屏应用在天然气调压站智能监控系统中[2]，其稳定性及抗干扰性相对于计算机控制系统有较为明显的优势，体积小、使用方便、便于维护等都是PLC的优点。

日立触摸屏以其易于操作、坚周耐用、反应速度快、节省空间等优点，使其在工业控制领域得到了广泛应用，解决了很多计算机所无法解决的问题。

正是由于触摸屏与PLC拥有许多其他工业自动控制元件所没有的优点,所以本设计才会使用日立HITECH触摸屏与西门子S7-200PLC芯片为基本应用元件的天然气调压站智能监控系统开发研究。

1.2天然气调压站智能监控系统的国内外研究现状

世界能源结构的发展趋势是向低碳化演变、最终向无碳化发展。

到21世纪40年代,天然气在世界一次能源消费结构中的比例将超过石油,成为第一能源。

天然气是一种优质的清洁能源，发达国家天然气在能源结构中的战略地位早已确立。

天然气市场的发展取决于资源保障、运输能力、价格、用户（消费）以及政策法规五大要素。

其利用领域极为广泛，诸如化学工业原料、工业燃料、商业及民用燃料、汽车燃料、集中供热与发电等，是主要的一次性消耗能源之一。

目前世界天然气正处于由区域市场向全球市场过渡的发展阶段。

国外天然气有以民用和商用为主以及以发电为主两种基本模式,发电将成为天然气利用的发展趋势。

对于天然气的利用，国外已经形成了一套专业成熟的开发研究利用方法。

天然气的利用与本地区的经济、技术、居民收入和环保的发展水平密切相关。

鉴于天然气有自身固有的特点,发展利用天然气需要从实际出发，发达国家在天然气调压站智能监控技术的研究中有着一定的优势，相对完善的系统值得我们去学习。

在国内，虽然在天然气相关研究上落后于外国，但是随着电子技术、自动控制等技术的发展，带动了天然气调压站智能监控系统相关技术的发展。

在国内，对于天然气输送的智能化、自动化研究已经有了很大的发展，特别是对于触摸屏与PLC的相关应用系统的开发让我们得到了很多经验。

到了现在，我们已经具备相关的电子器件与软件知识基础，可以自己独立完成天然气调压站智能监控系统设计了。

所以研究天然气调压站智能监控系统是一个很有意义的工作，不但提高工作效率，消除安全隐患，还能产生更大的经济效益。

有了这样的市场需求自然就要有相关的产品来满足人们的需要，所以天然气调压站智能监控系统的开发已经是相关技术发展和市场需求的必然结果。

2天然气调压站智能监控系统的硬件系统设计

2.1天然气调压站智能监控系统的基本原理

天然气调压站智能监控系统一般由调度中心计算机管理系统、调压站、区域调压站及数据通信网络系统等构成，是一个大型的集中管理、统一调度且分散控制的计算机网络监控系统。

其中智能监控系统的主要任务是完成对站区内的各种电子设备、智能仪表的监控和管理[3]，同时负责将有关信息上传给调度控制中心，并接受和执行其下达的命令。

对调压站智能监控系统的功能要求一般包括：

根据监测数据对管网进行负载平衡控制；远程压力调节；根据用户的消耗量来调整供气量；向调度中心上传数据参数；限流等。

完整的天然气调压站自控系统一般包括调压系统和限流、调流系统两个部分。

调压系统的作用是调节门站出口压力，为下游用户提供压力稳定的气源，并与限流、调流系统和计量系统一起，限定下游用户的用气流量及在用户达到预定的用气量之后切断气源。

调压系统包括工作调压器、监控调压器、切断阀、放散阀和相应的管道阀门，根据使用环境和用户要求的不同通常采用“一用一备”或“两用一备”方式进行管路设计。

限流、调流系统通过远程改变调压器指挥器的压力设定值来达到限制流量的目的，目前国内使用较多的是LC-21远程压力调节马流量控制系统，该系统由电一气执行机构及控制器两个主要部分组成。

电一气执行机构由天然气压力储罐、差压调压器、增压电磁阀、泄压电磁阀、放散阀、手动压力疏水阀、压力变送器、压力表及相应的隔断阀组成。

控制器接收来自流量计算机的流量信号，并与控制器内预先设定的流量限定值比较，若实际流量低于设定值，则系统不动作；若实际流量高于流量限定值，则系统动作，远程降低调压器的设定压力，从而达到限定流量的目的。

2.2天然气调压站智能监控系统的主要硬件组成部分

天然气调压站智能监控系统的设计目标是实现对调压站内各关键部位参数的全天候连续实时采集和处理，实现调压站安全、可靠且经济运行。

智能监控系统需要采集的控制参数较多，既有进出口的压力、温度、压差以及阀位、气体泄漏报警等模拟量信号，也有回讯器、切断阀和电动球阀等开关量信号，还有来自体积修正仪智能仪表的数字信号。

经过对系统需求的认真分析和对各种控制工具的反复比较，本系统选用功能强大、抗干扰性能好、使用维护方便且参数设置修改灵活的日立触摸屏和西门子S7—200系列PLC作为控制核心[4]，合理配置功能模块，实现系统的功能需要。

系统硬件主要有西门子S7-200PLC芯片、工业计算机、I/O处理模块、信号变送器、电源、日立大尺寸液晶触摸屏和执行机构等部分组成，是一个典型的智能化数字监控系统。

如图1所示。

图1天然气调压站智能监控系统硬件结构

（1）PLC及I/O处理部分。

结合调压站功能需要，控制系统选用西门子S7—200系列PLC作为控制核心（根据各调压站需求的不同选用该系列中的不同型号，一般为224及以上），它们自带有数量较多的开关量和部分模拟量I/O点。

当自带I/O点不足时，可扩展4路12位高精度模拟量输入模块16点24V直流输入模块。

（2）电源部分。

交流电源采用220V/50Hz标准工频输入，直流电源为24V工业开关电源模块，直流电源的作用是为模拟和开关信号的输入输出处理提供能源，体积修正仪、智能仪表所需9V电源由安全栅直接提供。

考虑到城市用气的不间断要求，系统配备了UPS后备电源，确保系统在停电情况下仍能继续工作2h。

（3）液晶触摸屏。

选用日立大尺寸彩色Hitech液晶触摸屏，它具有MPI/ProfibusDP接口和2MBFlashMemory，支持中文组态软件，可以方便、直观地进行各种参数的显示和修改设置。

监控系统参数出现异常情况时，系统除发出声光报警信息外，还在液晶屏上闪烁显示[5]。

（4）隔离保护部分。

由于系统是工作在易燃易爆的天然气环境，所以在设计时充分考虑了对系统的隔离和保护措施。

在电源进线处加入了防雷浪涌保护器，对各模拟输入信号回路在变送器与PLC输入扩展模块间均采用经隔离安全栅等隔离安全措施。

硬件系统设计选用的硬件设施不但考虑了可靠性、实用性和经济性，还充分考虑了系统的安全性、稳定性和可维护性（设备标准化，接口、协议开放，易于维护）。

2.3监控系统各个部件的连接设置

2.3.1通信电缆的制作

首先准备好触摸屏与编程电脑和触摸屏与PLC的连接线（又称编程电缆、通信电缆）。

触摸屏的COMl和COM2都可以与PLC连接，而COM1主要是连接RS232的，我们使用的是RS485接线，所以我们使用的是COM2连接。

连接线如下图2所示。

图2触摸屏COM2与S7-200的连接线

如果电脑与触摸屏的连接是通过触摸屏的COM2连接，连接线如图3所示。

图4是连接PLC端公接头8针的针脚图[6]。

图3电脑串口与触摸屏COM2的连接线

图4PLC端8针针脚

2.3.2电脑与触摸屏的连接

用图3制作好的连接线把电脑与触摸屏连接好，触摸屏后面DIP—switch的设置为：

sw5=OFF和sw6=OFF，其他的保留在“ON”位置，如图5所示，再把触摸屏的24V电源连接上。

图5DIP-switch

值得一提的是，当触摸屏后面的DIP—switch的sw7在“0N"位置时，开机以后自动运行程序，

此时不能进行程序的上载，如果需要上下载程序，必须退出程序，返回触摸屏Configure画面，如图5所示。

设置完成后触摸屏可以上电了。

刚上电触摸屏开始自我测试，如果测试正常触摸屏就可以与PLC通信；如果不正常，触摸屏不能与PLC通信。

2.3.3触摸屏与PLC连接

用图3所示连接方法做的触摸屏COM2与S7-200的连接线，用这根连接线把触摸屏与PLC连接上，连接完后重新上电，看到触摸屏面板上的“

”指示灯在很快闪烁，表示触摸屏已经与PLC正常通信了[7]。

3天然气调压站智能监控系统的软件系统设计

本系统通过对调压站参数进行实时采样，经PLC进行运算处理，来判断系统的状态。

当系统处于正常运行状态时，上传并实时显示调压站参数，通过对现场阀门的自动控制实现对天然气出口压力的动态调节，保证了天然气的稳定供应。

当系统出现异常时，经声光报警和显示屏字幕闪烁两种方式发出报警信号，并作用于相应的执行机构，实现天然气调压站的自动运行。

系统软件设计主要是模拟量的采集处理、友好人机界面的设计和与RS485智能总线仪表的通信三大部分。

软件流程如图6所示。

图6天然气调压站智能监控系统软件流程

模拟量的采集处理部分包括压力、温度和压差，经过变换器输出的4～20mA电流信号。

虽然Hitech内部自带有模拟量滤波功能和采样数值设置，但是为了使显示值更加稳定，程序设计时使用了算术平均滤波法，以实现对一般随机干扰信号进行滤除。

智能仪表采用Modbus协议通过双绞线与PLC通信，Modbus是应用于电子控制器上的一种常用协议。

控制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。

本系统根据仪表的要求，选择了RTU方式[8]。

S7—200的通信端口为RS485接口，RS485接口为半双工接口程序的关键是避免在通信端口上同时发送和接收。

按照本系统中通信采用的这种编程模式编写自由口通信程序可以有效避免因同时发送和接收造成的通信冲突，从而保证程序的正常运行。

3.1西门子S7-200PLC芯片的I/O端口分配

天然气调压站智能监控系统输入输出设备及端口分配如表1所示。

表1PLC的I/O分配表

输入

输出

信号名称

地址

信号名称

地址

信号名称

地址

进口压力A1

00001

压差D1

00301

G1阀位开

01001

进口压力A2

00002

压差D2

00302

G2阀位开

01002

出口压力B1

00101

G1阀位

00401

G3阀位开

01003

出口压力B2

00102

G2阀位

00402

G1阀位关

02001

温度C1

00201

G3阀位

00403

G2阀位关

02002

温度C2

00202

气体泄漏

00501

G3阀位关

02003

系统启动

00500

系统停止

00510

I/O状态的刷新包括两种操作：

一是采样输入信号。

PLC的输入是生产现场信号经过输入端子，进行光电隔离以提高抗干扰能力后送入缓冲器，当PLC进行输入采样时缓冲器中的内容才送到PLC的输入映像寄存器，每次采样PLC从输入映像寄存器中读取到各输入点的状态，因次输入映像寄

存器的只有在采样时才会与输入信号一致，其他时间输入映像寄存器的内容将保持不变：

二是刷新输出信号。

PLC接受输入后执行用户程序，将运算结果送至输出映像寄存器，在每次用户程序结束后进行刷新，将输出映像寄存器中的运算结果送至输出锁存器，再通过输出驱动电路送到输出端子驱动负载。

与输入相类似，只有在输出刷新时输出状态才改变，刷新后的状态要保持到下次刷新为止。

由于通常来说PLC扫描周期很短（依赖于程序长短和扫描速度），每次I／0刷新时间间隔很小，所以可以认为其输入输出是及时的。

3.2智能监控系统触摸屏操作界面设计

3.2.1选择编译软件ADP6.0

ADO6.0是专门用与人机界面组态编辑软件。

该软件为用户提供了一个强大的集成开发环境。

产品广泛应用于医疗、化工、电力、印刷、纺织、食品、国防和工程机械，智能家居，高速铁路等各领域。

ADP6.0提供了多种控制器件库、图形控件和功能组件，通过组态出的各种显示和控制功能实现系统操作状态、当前过程值及故障的可视化[9]。

3.2.2触摸屏界面的设计方法

人机界面的主要任务是迅速获取、处理应用系统运行过程中的数据、命令，并以适当的方式显示出来。

人机