基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在空氣壓縮機自動控制的應(yīng)用

1引言

 隨著國家節(jié)能減排政策的提出和工業(yè)自動化水平的提高，以及越來越多的廠家要求盡量降低設(shè)備的損耗，進而適當(dāng)減少設(shè)備維護費用，如何合理的使用、維護設(shè)備已成為關(guān)鍵，而單純的采用人工方式記錄設(shè)備故障、設(shè)備使用時間，以及人工切換設(shè)備已經(jīng)不能滿足上述要求。本文以某煤礦空氣壓縮機遠程監(jiān)控系統(tǒng)項目為例，采用西門子s7-300系列plc作為數(shù)據(jù)采集和控制單元，上位機用西門子wincc進行畫面及參數(shù)顯示，從plc到中控室工控機采用ethernet協(xié)議進行通訊，現(xiàn)場使用觸摸屏顯示控制畫面及參數(shù)，操作人員可在中控室或者現(xiàn)場觸摸屏上發(fā)出控制命令。

2原理分析

 該項目利用空氣壓縮機給煤礦井下提供氣體壓力，推動氣動設(shè)備的運行，要求管道內(nèi)的壓力維持在一定的范圍內(nèi)，最好不好過壓或者欠壓，以免造成能源的浪費或者現(xiàn)場設(shè)備無法使用。由plc采集空氣壓縮機的參數(shù)，比如溫度、壓力、運行時間、故障等，上傳到中控室上位機和現(xiàn)場觸摸屏，并接受操作員發(fā)出的控制命令，再將相應(yīng)的命令傳給空壓機，以實現(xiàn)控制功能，并做出相應(yīng)的報警指示。

3系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

 該系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、plc、i/o模塊、現(xiàn)場觸摸屏、上位機人機界面、網(wǎng)絡(luò)通訊等部分組成，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。



 圖1 系統(tǒng)組成整體架構(gòu)

3.1空氣壓縮機

 采用上海申行健有限公司的螺桿式空壓機,它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、沒有易損件、工作可靠、壽命長、維修簡單等優(yōu)點。由于其針對維護專門的設(shè)計，使得停機時間和維修費用大大減少。并且此空壓機上裝有智能控制系統(tǒng)，控制菜單簡便易用，并配有支持網(wǎng)絡(luò)通信的485接口，供外部控制系統(tǒng)與其通信，采集空壓機的溫度、管道壓力、故障信息等，還可以接受外部控制系統(tǒng)的控制命令，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)以及啟?？諌簷C。

3.2i/o模塊

 本系統(tǒng)中需要控制空壓機電源的接通與關(guān)斷等，故需用到數(shù)字量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊，由于本系統(tǒng)采用西門子s7 300系列plc，所以也需訂購相應(yīng)的300系列的di，do模塊，型號分別有di模塊sm321（訂貨號為6es7 321-1bh02-0aa0，di16ⅹdc24v），do模塊sm322（訂貨號為6es7 322-1bh01-0aa0，do16ⅹdc24v/0.5a）。另外控制柜上安裝有轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以選擇在本地或者遠程控制該電源的接通與否，該轉(zhuǎn)換開關(guān)作為輸入信號，接入plc的di模塊。

3.3plc單元與網(wǎng)絡(luò)通訊單元

 本文利用中小型的西門子s7-300系列plc即可完成空壓機參數(shù)的實時掃描和運算，并傳送信息到中控室上位機以及現(xiàn)場觸摸屏，另外結(jié)合操作人員在上位機和觸摸屏發(fā)出的控制命令，對空壓機的啟停等進行控制。s7-300系列plc采用模塊化設(shè)計，具有模塊擴展和功能配置簡單等特點，可以根據(jù)不同的需要靈活組合和擴展。此處選用315-2dp型號的cpu，此cpu集成有mpi和dp通信接口，有很強的通訊功能。

 從現(xiàn)場plc到中控室工控機距離很遠，此處采用ethernet協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信，所以還訂購了以太網(wǎng)通訊模塊（cp 343-1），其具有rj-45接口，通過光纖鏈路模塊經(jīng)過光纖連接到中控室所在的以太網(wǎng)，將plc采集到的信息上傳到上位機，并將上位機發(fā)出的控制命令傳送到plc。

 通過plc cpu上的profibus dp接口，連接到profibus轉(zhuǎn)modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（pb-b-mm），再連接到兩臺空氣壓縮機以及控制柜上多功能電力監(jiān)測儀表的modbus接口，來讀取空氣壓縮機的運行參數(shù)和多功能電表的電流電壓功率等電力狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及向空壓機發(fā)送啟停命令等。

 觸摸屏采用縱橫科技的tpc070td觸摸屏，它兩個com口，其中一個是rs232口，另一個即可當(dāng)做rs232，又可以用作 rs485來通訊。同時還帶有兩個usb口，一個10m/100m自適應(yīng)rj 45以太網(wǎng)接口。此縱橫科技的觸摸屏是一套以嵌入式低功耗cpu為核心的高性能嵌入式人機界面，采用7英寸高亮度tft液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏，同時還預(yù)裝微軟嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)wince和免費捆綁hmibuilder嵌入版組態(tài)軟件無線點。

 從plc到觸摸屏的通訊采用mpi網(wǎng)絡(luò)，使用西門子專用的pc adapter連接電纜，連接cpu的mpi端口和觸摸屏的rs232口（筆者認為此處也可以選用以太網(wǎng)通訊方式，通過300系列的以太網(wǎng)模塊連接觸摸屏的rj 45接口，但實際使用情況未采用，可行性有待試驗確定）。

3.4人機界面（hmi）

 人機界面在工控機上采用西門子wincc組態(tài)軟件，用來顯示空氣壓縮機的所有參數(shù)信息，故障報警信號，以及主電源三相電流的大小，電壓的大小，還有控制回路上的交流接觸器的吸合狀態(tài)等等。必要時操作人員還可以從上位機發(fā)出控制空壓機啟停，主回路接觸器吸合斷開的命令，讓操作人員可以在中控室直接手動控制現(xiàn)場設(shè)備。在上位機服務(wù)器上，記錄著各種報警信息及故障發(fā)生時的詳細信息等，可按時間進行查詢，并根據(jù)需要進行打印輸出。

 觸摸屏的畫面組態(tài)由生產(chǎn)廠家自己開發(fā)的hmibuilder軟件來編輯形成，在其畫面上也有基本相同的參數(shù)信息，報警信號，以及溫度曲線等，也可以從觸摸屏上發(fā)出相應(yīng)的控制命令。觸摸屏部分畫面如圖2所示。

 wincc提供在工業(yè)上用于圖形顯示、信息處理、歸檔和報表的基本功能模塊，還提供用戶文檔、過程控制軟件包和開放開發(fā)工具等可選軟件包。其強大的驅(qū)動程序接口、快速圖形更新和安全歸檔功能具有很高的可能性，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲方式保證無論是組態(tài)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)和運行過程的數(shù)據(jù)都可準(zhǔn)確無誤的讀取。



圖2  觸摸屏hmi畫面

4程序設(shè)計

 plc編程軟件使用西門子專用的編程軟件step7，它是基于windows 2000/xp或者windows server 2003的為s7-300/400 plc配置和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。通過step 7用戶可以進行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試、在線診斷plc 硬件配置狀態(tài)、控制plc的運行狀態(tài)和i/o通道的狀態(tài)等。

 根據(jù)廠家要求，plc需要完成對空壓機的本地和遠程控制，并且默認情況下是本地控制，只有在本地觸摸屏上點擊遠程控制按鈕后，設(shè)備的控制權(quán)才轉(zhuǎn)交給遠程上位機來完成?，F(xiàn)場有兩臺相同的空壓機，為合理利用設(shè)備，避免因長時間使用同一臺空壓機造成機器的損耗，要求程序進行定時切換工作，即每隔12小時自動切換兩臺空壓機的主從關(guān)系。同時為保證管道內(nèi)達到要求的空氣壓力，需要實時采集壓力參數(shù)，當(dāng)壓力值低于一定水平時，同時開啟兩臺壓風(fēng)機，當(dāng)壓力值高于一定水平時，關(guān)閉輔助的空壓機。當(dāng)有故障報警時，自動關(guān)閉空氣壓縮機，并在觸摸屏及上位機顯示報警信息（見圖3）。

 

圖3 程序控制流程圖

5結(jié)束語

 此控制系統(tǒng)的設(shè)計成功，提高了工廠內(nèi)設(shè)備運行的自動化程度，降低了設(shè)備的維護費用。此系統(tǒng)目前的缺點是控制任務(wù)由基本獨立的兩套plc系統(tǒng)來完成，造成了資源的浪費。主要是由于空氣壓縮機廠家自帶的plc沒有額外的處理功能，不能處理與上位機以及其他設(shè)備通信控制的能力，另外此套系統(tǒng)成本也挺高。