空壓機在線監(jiān)控系統(tǒng)

1、技術(shù)背景在21世紀的今天,隨著微型計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，許多領(lǐng)域中都引進了計算機檢測與控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化的智能終端不斷涌現(xiàn),現(xiàn)在代化煤礦，空壓機裝置自動化水平要求的提高，采用微機控制空壓機是一種發(fā)展趨勢，它可以減輕空壓機操作員的勞動強度，對空壓機的安全可靠運行起到保證和促進作用。部件名稱：工作原理PLC配置設(shè)計系統(tǒng)選用西門子公司的S7-300PLC實現(xiàn)集中監(jiān)控。S7-300PLC為模塊化結(jié)構(gòu)，具有模塊齊全、擴充方便、通信能力強、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，特別適合用于工業(yè)環(huán)境及電氣干擾環(huán)境。根據(jù)系統(tǒng)控制要求并考慮留有一定的余量，PLC的硬件配置如下：（1）電源模塊PS307：輸入電壓為

2、220VAC，輸出電壓為24VDC，輸出電流為5A，向其他PLC模塊供電。（2）CPU模塊CPU315-2DP：系統(tǒng)中信息的運算和處理的核心，內(nèi)有48KB隨機存儲器和80KB裝載存儲器，每執(zhí)行1000條指令約需0.3ms，最大可擴展1024點數(shù)字量或128個模擬量通道。它有一個MPI通訊口和一個DP通訊口，MPI口用于連接觸摸屏，DP口用作調(diào)試程序時監(jiān)視PLC程序的運行以及下載程序；并留作將來系統(tǒng)擴展時使用。（3）數(shù)字量輸入模塊SM321:配置3塊型號為DI16×24VDC的SM321模塊，采集向空壓機變頻、軟起或智能控制器機柜的狀態(tài)信號（如：啟動允許、供電故障、過載故障、運行反饋、

3、輔助設(shè)備運行狀態(tài)等）、與空壓機相對應(yīng)的手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)和緊急停止按鈕的狀態(tài)信號。（4）數(shù)字量輸出模塊SM322:配置2塊型號為DO16×24VDC/0.5AREL的SM322模塊，輸出PLC的控制信號如啟動、停止、加載、卸荷、急停等，控制空壓機運行。（5）通信?？霤P341：CP341模塊是串行通訊處理器模塊，硬件接口可采用RS-232C或TTY或RS-422/485方式，集成了3964（R）、RK512、ASCII通訊協(xié)議，并且支持用戶加載協(xié)議。系統(tǒng)選用接口為RS-485標準的CP341模塊，并在CP341通訊模塊中插入Modbus主站Dongle模塊加載Modbus協(xié)議，使CP34

4、1模塊成為Modbus主站。CP341模塊利用基于RS-485總線的Modbus協(xié)議，與作為Modbus從站的變頻器、軟啟動器或智能控制器進行通訊，采集從站控制器中存儲的空壓機運行狀態(tài)信息。（6）通信?？霤P343-1：CP343-1是用于連接工業(yè)以太網(wǎng)的通訊處理器模塊，將PLC系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，負責PLC和上位機之間的通訊。 觸摸屏配置設(shè)計系統(tǒng)采用西門子觸摸屏作為車間級的集中監(jiān)控站。它是基于標準操作系統(tǒng)MicrosoftWindowsCE的多功能人機交互界面，具有強大的數(shù)據(jù)采集和管理功能，穩(wěn)定可靠，界面友好，圖形顯示，操作和管理方便。操作人員可以通過圖形和菜單的方式查看空壓機的運行狀態(tài)及實時數(shù)

5、據(jù)，設(shè)定空壓機的壓力、時間等運行參數(shù)，查看系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、故障報警信息，并可設(shè)置是否允許上位機遠程控制空壓機。觸摸屏直觀顯示了空壓機組的運行狀況，操作方便快捷，避免了定時巡檢記錄的煩瑣工作，大大提高了工作效率和管理水平。上位機配置設(shè)計系統(tǒng)采用PC機作為上位機遠程監(jiān)控站。通過網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視空壓機的運行狀況，查看壓力、溫度、運行時間、電機電壓、電機電流、輸出功率等實時數(shù)據(jù)，記錄并存儲歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的查詢和打印功能。當現(xiàn)場設(shè)備有動作或者出現(xiàn)故障時能夠彈出提示消息并記錄存儲下來；在遠程控制允許的情況下，值班人員還可以遠程控制空壓機。遠程監(jiān)控方便了調(diào)度，提高了管理自動化水平，是煤礦信息化發(fā)展的需要。其

6、他元件包括手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報警器等。 通訊系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)中的通訊包括三個部分?，F(xiàn)場設(shè)備通訊PLC和作為從站的控制器之間的通訊采用控制方便、設(shè)計簡單的RS-485接口標準作為物理通信標準。RS-485標準要求采用兩線制差分方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此能夠有效克服共模干擾、抑制線路噪聲。根據(jù)實際情況，通信協(xié)議采用單主站多從站結(jié)構(gòu)的Modbus協(xié)議，選用Modbus的RTU通訊模式。RS-485標準是總線的物理層標準，負責完成電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)；Modbus協(xié)議則構(gòu)成了總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，規(guī)定了總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式，為主站和從站之間傳遞數(shù)據(jù)提供通信規(guī)約，保證有效數(shù)據(jù)在主站和從站之間

7、可靠傳遞，兩者共同構(gòu)成了RS-485總線。CP341模塊設(shè)置為總線的主站，變頻器、軟啟動器或智能控制器設(shè)置為總線的從站，每個從站分配唯一的地址，主站和從站的通訊速率統(tǒng)一設(shè)定為76.8kbps。工作時采用命令/應(yīng)答的通訊方式，每一種命令幀都對應(yīng)著一種應(yīng)答幀，Modbus協(xié)議為命令幀定義了許多功能碼，不同的功能碼要求從站進行不同的響應(yīng)。CP341模塊發(fā)出相應(yīng)功能碼的命令幀，地址匹配的從站控制器就會做出響應(yīng)，將存儲在寄存器中的空壓機運行信息（電壓、電流、載荷狀態(tài)、運行狀態(tài)、故障信息等）組成應(yīng)答幀發(fā)出至CP341模塊。重復上述過程，CP341模塊即可實現(xiàn)輪循采集空壓機組的運行信息。最后需要說明的是，R

8、S-485總線僅用作數(shù)據(jù)采集，控制信號由PLC的數(shù)字量輸出模塊SM322輸出，經(jīng)過信號線傳輸?shù)娇諌簷C自身的控制繼電器，這是由現(xiàn)場的實時性要求決定的。如果控制信號也由CP341模塊發(fā)出，就需要經(jīng)過RS-485總線傳輸?shù)娇諌簷C組控制器，再由空壓機組控制器控制空壓機的控制繼電器；而采用硬接線的方式直接傳送控制信號到空壓機的控制繼電器，就大大縮短了系統(tǒng)的控制響應(yīng)時間；同時，RS-485總線能夠以更快的速度采集實時數(shù)據(jù)。 觸摸屏通訊PLC和觸摸屏之間的通訊二者均為西門子的產(chǎn)品，通過MPI電纜連接PLC的MPI通信口和觸摸屏的RS-485通信口.組態(tài)時對相關(guān)通訊參數(shù)如所要連接CPU的MPI地址和槽號等進行

9、定義，選擇接口類型為MPI，將波特率設(shè)置為187.5kbps進行簡單的組態(tài)操作即可實現(xiàn)通訊。 上位機通訊在PLC和上位機之間的通訊中，PLC通過以太網(wǎng)模塊CP343-1接入工業(yè)以太網(wǎng)，上位機通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。選擇接口類型為工業(yè)Ethernet，通信速率為100Mbps，設(shè)置PLC和上位機的IP地址。 軟件設(shè)計及其功能系統(tǒng)的控制要求如下：手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)為手動狀態(tài)的空壓機，僅受其空壓機控制柜操作面板控制，以方便機器檢修和維護，此時PLC只能采集該空壓機控制器中的數(shù)據(jù)而不能控制空壓機；手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)為自動狀態(tài)且遠程控制無效的空壓機，將由PLC進行集中監(jiān)制，PLC根據(jù)風壓的變化來決定投入運行的

10、空壓機臺數(shù)，維持風壓能夠滿足井下用風的需要，并且依據(jù)空壓機運行時間的長短使它們輪換工作；當觸摸屏上的遠程控制設(shè)置無效時，上位機只能監(jiān)測到空壓機的運行狀況而沒有控制權(quán)限，當遠程控制有效且手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)為自動狀態(tài)時，空壓機將只受上位機遠程控制。單臺空壓機的主程序流程圖如圖：PLC控制程序主要具有以下功能：（1）自動輪換運行。PLC根據(jù)總線采集的信號進行綜合判斷，然后發(fā)出啟動、停機、加載、卸荷、報警等控制指令，監(jiān)控空壓機組自動運行，使得總管壓力維持在設(shè)定的壓力下限值和壓力上限值之間。若風壓低于壓力下限值就增加空壓機運行的臺數(shù)，若風壓高于壓力上限值則減少空壓機運行的臺數(shù)，達到既滿足井下用風需要、又可以

11、降耗節(jié)能的目的?？諌簷C連續(xù)運行8小時（用戶可以自行設(shè)置）后機身溫度會很高，需要停機休息，用于散發(fā)自身的熱量，以保證機器不受損傷。因此，空壓機需要進行輪換工作，以保證空壓機安全可靠運行，延長設(shè)備使用壽命。PLC根據(jù)運行時間將受控于PLC的空壓機進行排序，建立開機序列和停機序列，當需要增加空壓機的運行臺數(shù)時，PLC將啟動總運行時間最短的空壓機；當需要減少空壓機的運行臺數(shù)時，PLC將停止本次運行時間最長的空壓機。（2）延時啟動和延時停機。PLC自身具有較強的抗干擾能力，但由于現(xiàn)場條件、電網(wǎng)、用風量等各種復雜因素的影響，電機電流、電機電壓等受到干擾將產(chǎn)生誤報警；如果總管壓力的擾動發(fā)生在壓力下限值或者壓

12、力上限值附近，將它們作為一般工狀處理就會出現(xiàn)頻繁啟動、停機現(xiàn)象，影響設(shè)備的可靠性和使用壽命。因此，需要對發(fā)出動作指令的起因信號作適當?shù)难訒r處理，以消除擾動，防止誤動作。（3）智能保護?？諌簷C主電機在啟動時，啟動電流為額定電流的57倍，對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備沖擊很大，同時也會影響空壓機的使用壽命，所以，空壓機不宜頻繁啟動。為了使系統(tǒng)能夠?qū)τ蔑L狀況進行準確判斷，并據(jù)此控制空壓機的啟動，在井下用風高峰期空壓機啟動較頻繁，當兩次啟動時間間隔小于預先設(shè)定的值時，將保持空壓機持續(xù)運轉(zhuǎn)而不停機，當連續(xù)兩次加載間隔時間較長時，可認為用風高峰期已過，空壓機投入間斷運行狀態(tài)。另外，對電機電流、電機電壓、排氣壓力、進

13、氣負壓、運行溫度、油溫、油濾壓差等重要參數(shù)進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)異常及時進行故障報警，并作出處理。觸摸屏人機界面設(shè)計選用與西門子觸摸屏配套的組態(tài)軟件wincc flexible2008設(shè)計界面。畫面包括：（1）主畫面：空壓機組的運行狀態(tài)以及主要參數(shù)的顯示。（2）數(shù)據(jù)報表：實時數(shù)據(jù)匯總顯示，并可查詢歷史數(shù)據(jù)和總管壓力曲線。（3）運行設(shè)置：設(shè)置啟動遠程控制是否有效；設(shè)置自動啟動、停機、加載、卸荷的壓力閾值；設(shè)置時間參數(shù)、報警參數(shù)等。（4）報警查詢：查詢報警詳細信息。（5）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)特點S7-300PLC具有較高的性價比，但與現(xiàn)場設(shè)備支持的通信協(xié)議不兼容，系統(tǒng)采用CP341模塊作為Modbus主站的方案具有一定的實際意義?，F(xiàn)場調(diào)試和運行表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠，提高了空壓機組的運行效率，實現(xiàn)了監(jiān)控和管理的自動化。該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于煤礦的空壓機組監(jiān)控，而且可以推廣到其他場合。1、 自動化程度高可實現(xiàn)全自動運行，達到無人值守的目的。2、 操作方式靈活系統(tǒng)具