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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，采用西門子s7-300系列PLC作為數(shù)據(jù)采集和控制單元，上位機(jī)用顯控SKWorkshop進(jìn)行畫面及參數(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。

1. I/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(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)換開關(guān)作為輸入信號(hào)，接入PLC的DI模塊。

2. PLC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(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(jī)，并將上位機(jī)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(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。

觸摸屏采用深圳顯控自動(dòng)化的Samkoon SK-070AS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)軟件無線點(diǎn)。

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(rèn)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(shí)際使用情況未采用，可行性有待試驗(yàn)確定）。

4 人機(jī)界面（HMI）

觸摸屏的畫面組態(tài)深圳顯控自動(dòng)化開發(fā)的SKWorkshop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(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。觸摸屏部分畫面如圖2所示。

5 程序設(shè)計(jì)

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(jìn)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(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)來完成。現(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。

6 總結(jié)

有了觸摸屏的加入，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。