1引言

 隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的提出和工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，以及越來(lái)越多的廠家要求盡量降低設(shè)備的損耗，進(jìn)而適當(dāng)減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，如何合理的使用、維護(hù)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(shí)間，以及人工切換設(shè)備已經(jīng)不能滿(mǎn)足上述要求。本文以某煤礦空氣壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目為例，采用西門(mén)子s7-300系列plc作為數(shù)據(jù)采集和控制單元，上位機(jī)用西門(mén)子wincc進(jìn)行畫(huà)面及參數(shù)顯示，從plc到中控室工控機(jī)采用ethernet協(xié)議進(jìn)行通訊，現(xiàn)場(chǎng)使用觸摸屏顯示控制畫(huà)面及參數(shù)，操作人員可在中控室或者現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏上發(fā)出控制命令。

2原理分析

 該項(xiàng)目利用空氣壓縮機(jī)給煤礦井下提供氣體壓力，推動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備的運(yùn)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(guò)壓或者欠壓，以免造成能源的浪費(fèi)或者現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)法使用。由plc采集空氣壓縮機(jī)的參數(shù)，比如溫度、壓力、運(yùn)行時(shí)間、故障等，上傳到中控室上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)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(jī)，以實(shí)現(xiàn)控制功能，并做出相應(yīng)的報(bào)警指示。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

 該系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、plc、i/o模塊、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏、上位機(jī)人機(jī)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(jī)

 采用上海申行健有限公司的螺桿式空壓機(jī),它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、沒(méi)有易損件、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。由于其針對(duì)維護(hù)專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)，使得停機(jī)時(shí)間和維修費(fèi)用大大減少。并且此空壓機(jī)上裝有智能控制系統(tǒng)，控制菜單簡(jiǎn)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(jī)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(jī)。

3.2i/o模塊

 本系統(tǒng)中需要控制空壓機(jī)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(mén)子s7 300系列plc，所以也需訂購(gòu)相應(yīng)的300系列的di，do模塊，型號(hào)分別有di模塊sm321（訂貨號(hào)為6es7 321-1bh02-0aa0，di16ⅹdc24v），do模塊sm322（訂貨號(hào)為6es7 322-1bh01-0aa0，do16ⅹdc24v/0.5a）。另外控制柜上安裝有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可以選擇在本地或者遠(yuǎn)程控制該電源的接通與否，該轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)作為輸入信號(hào)，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(mén)子s7-300系列plc即可完成空壓機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)掃描和運(yùn)算，并傳送信息到中控室上位機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏，另外結(jié)合操作人員在上位機(jī)和觸摸屏發(fā)出的控制命令，對(duì)空壓機(jī)的啟停等進(jìn)行控制。s7-300系列plc采用模塊化設(shè)計(jì)，具有模塊擴(kuò)展和功能配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以根據(jù)不同的需要靈活組合和擴(kuò)展。此處選用315-2dp型號(hào)的cpu，此cpu集成有mpi和dp通信接口，有很強(qiáng)的通訊功能。

 從現(xiàn)場(chǎng)plc到中控室工控機(jī)距離很遠(yuǎn)，此處采用ethernet協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，所以還訂購(gòu)了以太網(wǎng)通訊模塊（cp 343-1），其具有rj-45接口，通過(guò)光纖鏈路模塊經(jīng)過(guò)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(jī)，并將上位機(jī)發(fā)出的控制命令傳送到plc。

 通過(guò)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(tái)空氣壓縮機(jī)以及控制柜上多功能電力監(jiān)測(cè)儀表的modbus接口，來(lái)讀取空氣壓縮機(jī)的運(yùn)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(jī)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(gè)com口，其中一個(gè)是rs232口，另一個(gè)即可當(dāng)做rs232，又可以用作 rs485來(lái)通訊。同時(shí)還帶有兩個(gè)usb口，一個(gè)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(jī)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(shí)還預(yù)裝微軟嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)wince和免費(fèi)捆綁hmibuilder嵌入版組態(tài)軟件無(wú)線點(diǎn)。

 從plc到觸摸屏的通訊采用mpi網(wǎng)絡(luò)，使用西門(mén)子專(zhuān)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(rèn)為此處也可以選用以太網(wǎng)通訊方式，通過(guò)300系列的以太網(wǎng)模塊連接觸摸屏的rj 45接口，但實(shí)際使用情況未采用，可行性有待試驗(yàn)確定）。

3.4人機(jī)界面（hmi）

 人機(jī)界面在工控機(jī)上采用西門(mén)子wincc組態(tài)軟件，用來(lái)顯示空氣壓縮機(jī)的所有參數(shù)信息，故障報(bào)警信號(hào)，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(shí)操作人員還可以從上位機(jī)發(fā)出控制空壓機(jī)啟停，主回路接觸器吸合斷開(kāi)的命令，讓操作人員可以在中控室直接手動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。在上位機(jī)服務(wù)器上，記錄著各種報(bào)警信息及故障發(fā)生時(shí)的詳細(xì)信息等，可按時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)，并根據(jù)需要進(jìn)行打印輸出。

 觸摸屏的畫(huà)面組態(tài)由生產(chǎn)廠家自己開(kāi)發(fā)的hmibuilder軟件來(lái)編輯形成，在其畫(huà)面上也有基本相同的參數(shù)信息，報(bào)警信號(hào)，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(huà)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(bào)表的基本功能模塊，還提供用戶(hù)文檔、過(guò)程控制軟件包和開(kāi)放開(kāi)發(fā)工具等可選軟件包。其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)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(chǔ)方式保證無(wú)論是組態(tài)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行過(guò)程的數(shù)據(jù)都可準(zhǔn)確無(wú)誤的讀取。



圖2  觸摸屏hmi畫(huà)面

4程序設(shè)計(jì)

 plc編程軟件使用西門(mén)子專(zhuān)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(guò)step 7用戶(hù)可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫(xiě)、調(diào)試、在線診斷plc 硬件配置狀態(tài)、控制plc的運(yùn)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(duì)空壓機(jī)的本地和遠(yuǎn)程控制，并且默認(rèn)情況下是本地控制，只有在本地觸摸屏上點(diǎn)擊遠(yuǎn)程控制按鈕后，設(shè)備的控制權(quán)才轉(zhuǎn)交給遠(yuǎn)程上位機(jī)來(lái)完成?，F(xiàn)場(chǎng)有兩臺(tái)相同的空壓機(jī)，為合理利用設(shè)備，避免因長(zhǎng)時(shí)間使用同一臺(tái)空壓機(jī)造成機(jī)器的損耗，要求程序進(jìn)行定時(shí)切換工作，即每隔12小時(shí)自動(dòng)切換兩臺(tái)空壓機(jī)的主從關(guān)系。同時(shí)為保證管道內(nèi)達(dá)到要求的空氣壓力，需要實(shí)時(shí)采集壓力參數(shù)，當(dāng)壓力值低于一定水平時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟兩臺(tái)壓風(fēng)機(jī)，當(dāng)壓力值高于一定水平時(shí)，關(guān)閉輔助的空壓機(jī)。當(dāng)有故障報(bào)警時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉空氣壓縮機(jī)，并在觸摸屏及上位機(jī)顯示報(bào)警信息（見(jiàn)圖3）。

 

圖3 程序控制流程圖

5結(jié)束語(yǔ)

 此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功，提高了工廠內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度，降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。此系統(tǒng)目前的缺點(diǎn)是控制任務(wù)由基本獨(dú)立的兩套plc系統(tǒng)來(lái)完成，造成了資源的浪費(fèi)。主要是由于空氣壓縮機(jī)廠家自帶的plc沒(méi)有額外的處理功能，不能處理與上位機(jī)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。