基于PLC與觸摸屏的空壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)設計

王賀彬，白 銳，呂永津，高 健

（1.遼寧工業(yè)大學 電氣工程學院，錦州 121001；2.遼寧航天凌河汽車有限公司，凌源 122500）

0 引言

壓縮空氣作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝氣源，其清晰透明、輸送方便、無毒害性、無易燃性等鮮明特點使其廣泛應用于石油化工、機械制造、汽車生產(chǎn)、國防科技、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品加工、電力電子等行業(yè)或部門，現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)中第二大動力能源[1-2]?？諌簷C通過吸氣、壓縮和排氣等工序循環(huán)的將地面空氣進行壓縮處理，是工作生產(chǎn)中關鍵的動力設備[3-4]，考慮到壓縮空氣在制備、輸送、使用、泄露、熱量消耗等各方面存在不同形式的損耗，空壓機在滿足工業(yè)生產(chǎn)需要的前提下，其工作周期與工作效率尤為重要，通常情況下空壓機的耗電量要占到工業(yè)企業(yè)電耗的8%-10%，因此對空壓機以及空壓機綜合站進行集中控制管理以達到節(jié)能降耗問題也備受各工業(yè)企業(yè)的關注[5]。

目前，大部分工業(yè)廠房的空壓機綜合站的控制方式采用就地分散式人工操作，空壓站配備值班室，根據(jù)工廠生產(chǎn)需求，通過手動方式對空壓站內的空氣壓縮機、冷凍式干燥機、空氣處理凈化設備、冷卻循環(huán)水泵等設備進行啟停控制，并對設備運行狀態(tài)進行記錄。同時考慮空壓機的耗電量較大，長時間工作在空載或輕載狀態(tài)下，造成資源浪費、降低設備工作壽命、增加設備運行成本[6-7]。

本文以某公司的廠區(qū)空壓站為例，設計并開發(fā)了基于PLC與觸摸屏控制的空壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用集中監(jiān)控的操作模式，可以對整個空壓站內的各機組設備、系統(tǒng)設備與檢測裝置等進行實時監(jiān)測和控制，從而達到降低設備能耗、提高設備效率、延長工作壽命、簡化操作步驟、實現(xiàn)智能控制等目的。

1 自動監(jiān)控系統(tǒng)的控制方案

為滿足生產(chǎn)過程中對空壓站設備實現(xiàn)自動監(jiān)控要求，并實現(xiàn)現(xiàn)場設備的集中管理的目的，設計開發(fā)了基于PLC和觸摸屏控制的空壓站監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場操作人員可根據(jù)實際情況，針對空壓機綜合站內的冷干機組、空壓機組、電磁閥、變頻器、循環(huán)水系統(tǒng)，以及各傳感器設備的使用需求與性能要求，選擇不同的操作控制方式和工作運行模式，在節(jié)省勞動力的基礎上，提高工作效率，并可以通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)實時觀測系統(tǒng)運行過程中各機組設備的工作狀態(tài)與數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

該系統(tǒng)主要由S7-1200PLC、PN觸摸屏、上位機監(jiān)控、各機組設備以及傳感器等組成。上位機監(jiān)控主要用于對現(xiàn)場接收到的數(shù)據(jù)信息與報警故障等信息的遠程觀測與處理，以及控制命令的發(fā)送操作，并通過安裝在上位機中的組態(tài)軟件對空壓站內的所有設備機組進行遠程實時監(jiān)監(jiān)控。與此同時，實時保存故障現(xiàn)象發(fā)生時的故障數(shù)據(jù)信息與各機組設備的工作狀態(tài)，為后續(xù)的故障現(xiàn)象分析及故障數(shù)據(jù)的調用提供便利。S7-1200PLC作為自動監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，用于現(xiàn)場所有機組設備（冷干機組、空壓機組、電磁閥、變頻器、冷卻水系統(tǒng)）及儀器儀表（壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器、其他監(jiān)測傳感器、故障指示）工作狀態(tài)的監(jiān)測和控制。為提高現(xiàn)場操作人員的工作效率和空壓站設備機組的自動化程度，該系統(tǒng)在采用集中監(jiān)控的操作模式下，將系統(tǒng)的控制方式分為自動控制、軟手動控制和手動控制三種。自動控制用于空壓站各機組設備的遠程全自動監(jiān)控運行，各機組之間根據(jù)已設定好的運行次序、工作方式與各監(jiān)測傳感器的反饋參數(shù)，保證在系統(tǒng)報警參數(shù)的設定范圍內實現(xiàn)自動運行。軟手動控制用于操作人員的遠程協(xié)調性操作，操作人員可根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇性進行操作，為現(xiàn)場機組設備的遠程通信的調試操作與各系統(tǒng)或機組設備間的分步操作提供便利。采用軟手動控制方式，可根據(jù)廠區(qū)內的實時工況需求實現(xiàn)精準控制，有效提高各機組設備的運行效率，減少多余的資源浪費。手動控制為防止空壓站現(xiàn)場出現(xiàn)網(wǎng)絡故障或突發(fā)情況而設置的本地控制方式，通過手動控制可在本地控制機柜中實現(xiàn)空壓站各設備機組的運行操作。采用手動控制方式，可在現(xiàn)場控制或調試時，就近對各機組設備和系統(tǒng)裝置進行監(jiān)控，并在簡單工況的情況下實現(xiàn)便捷操作，有效提高工作效率。PN觸摸屏顯示自動監(jiān)控系統(tǒng)中各機組設備的工作狀態(tài)和運行模式，并可為本地操作提供自動控制、軟手動控制和手動控制三種控制方式，為整個自動監(jiān)控系統(tǒng)提供操作上的便利。

2 空壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

近幾年來，西門子小型PLC在工業(yè)以太網(wǎng)的應用背景下為用戶提供了靈活多樣的遠程服務解決方案[8]。西門子SIMATIC S7-1200小型可編程控制器作為現(xiàn)代工業(yè)中最常用的一款緊湊型、模塊化PLC，在簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡通信等任務中提供了有效的單機小型自動化系統(tǒng)解決方案[9-11]。對于需要網(wǎng)絡通信功能和單屏或多屏HMI的自動化系統(tǒng)，易于設計和實施，具有支持小型運動控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)的高級應用功能[12]。該系統(tǒng)采用的便是西門子S7-1200PLC作為整套自動監(jiān)控系統(tǒng)的控制器，以CPU 1215C作為自動監(jiān)控系統(tǒng)的中央處理器，系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

在充分考慮CPU性能的可擴展性與應用靈活度的基礎上，該系統(tǒng)采用的中央處理器CPU 1215C所提供的兩個以太網(wǎng)接口，為連接路由端口、觸摸屏或工控機設備提供了極大的便利條件。同時，為廠區(qū)內各廠房之間的整體性智能聯(lián)控系統(tǒng)設計與能源監(jiān)控系統(tǒng)設計提供了網(wǎng)絡備用接口和I/O接口模塊的可擴展空間。

空壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)的機組設備主要包括：4臺空氣壓縮機、4臺冷凍式干燥機、4臺電磁閥、2臺儲氣罐以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中的變頻器、循環(huán)水泵、冷卻水泵、冷卻風機，空壓站現(xiàn)場還包括管道、水箱等設備機組上的溫度、壓力、液位和流量等傳感器。通過擴展的16位數(shù)字量輸出模塊（兩個），16位數(shù)字量輸入模塊，8位模擬量輸入模塊可以全面實現(xiàn)整套自動監(jiān)控系統(tǒng)所有信號的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)空壓機組與冷干機組的啟?？刂?，報警、故障或運行狀態(tài)反饋；實現(xiàn)電磁閥組的通斷控制；實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的水泵啟?？刂疲\行或故障的工作狀態(tài)反饋，以及溫度、壓力、液位高度的狀態(tài)反饋；實現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)的設備啟?？刂疲\行和故障的工作狀態(tài)反饋等。在滿足設計要求與功能完整的基礎上，多點位的數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入模塊為后續(xù)硬件設備的功能擴展，提供了充足的備用接口，可實現(xiàn)對整套自動監(jiān)控系統(tǒng)功能的二次開發(fā)。

3 空壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

3.1 上位機監(jiān)控

空壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)以Windows系統(tǒng)軟件搭載平臺，上位機監(jiān)控界面采用組態(tài)王軟件進行組態(tài)，其快速便捷的應用設計與豐富可擴充的圖形庫具有良好的易操作性、易辨識性與便捷性等特點[13]。該空壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)的主要界面包括“總覽監(jiān)控界面”、“壓縮空氣監(jiān)控界面”、“循環(huán)水監(jiān)控界面”、“控制參數(shù)界面”、“故障報警界面”、“壓縮空氣曲線界面”、“循環(huán)水曲線界面”、“手動控制界面”和“I/O語音界面”，共九個監(jiān)控界面，以及“故障復位”操作按鈕，通過界面下端的選項按鈕可進行各監(jiān)控界面間的切換，觀察各界面的監(jiān)控數(shù)據(jù)或曲線。監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

總覽監(jiān)控界面為空壓機綜合站控制平臺，在總覽監(jiān)控界面下，可以有效地對現(xiàn)場機組設備的工作狀態(tài)以及傳感器各項數(shù)據(jù)的參數(shù)進行監(jiān)測，包括：空壓機組、冷干機組、電磁閥組的工作狀態(tài)和管道壓力、流量；循環(huán)水系統(tǒng)的工作方式、控制模式、運行頻率，以及循環(huán)水箱與循環(huán)水泵的工作溫度、壓力、液位和頻率等數(shù)據(jù)參數(shù)；冷卻水系統(tǒng)中冷卻水泵和冷卻風機的工作狀態(tài)。通過總覽界面的“系統(tǒng)啟動”與“系統(tǒng)停止”按鈕可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全自動監(jiān)控運行狀態(tài)，根據(jù)各設備機組的具體工作狀態(tài)與工作性能可自行設置空壓機、冷干機和循環(huán)水系統(tǒng)的投入狀態(tài)、運行模式和控制參數(shù)等如圖4所示，設置壓縮空氣和循環(huán)水系統(tǒng)的故障報警值，并記錄報警信息與報警記錄如圖5所示。

圖4 控制參數(shù)

圖5 故障報警

為了解空壓機機組與循環(huán)水系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中的工作變化狀態(tài)，在“壓空曲線”與“循環(huán)水曲線”界面中，對壓縮空氣過程和循環(huán)水過程中的工況數(shù)據(jù)進行記錄，并形成相應的工作狀態(tài)曲線，根據(jù)其變化規(guī)律，在滿足生產(chǎn)工況需求的前提下，調整空壓機機組、冷干機機組和循環(huán)水系統(tǒng)的投入/切除狀態(tài)、控制方式和運行次序等，有效提高各機組設備的工作效率，并降低多余的能源消耗。

在“手動控制”與“I/O語音”界面中，可針對各機組設備的單獨運行操作進行監(jiān)控和工作狀態(tài)報警測試，根據(jù)觀測到的工作狀態(tài)顯示與報警信息提示調試現(xiàn)場各設備機組的實際工作狀態(tài)，驗證各機組設備的工作狀態(tài)與檢測信號的發(fā)送與控制，并可通過“故障復位”常規(guī)故障的清除與系統(tǒng)參數(shù)還原，在現(xiàn)場調試與工況測試中有效為設備維護、故障排查提供方便性與安全性。

3.2 觸摸屏組態(tài)

觸摸屏KTP1200的軟件設計采用SIMATIC WinCC（TIA博途）進行集成化組態(tài)，SIMATIC WinCC作為一種極具功能特性的工具，可用于組態(tài)所有SIMATIC人機界面面板以及基于PC的系統(tǒng)，簡單高效[14-15]。

KTP1200觸摸屏的組態(tài)包含空壓站綜合控制系統(tǒng)的總覽界面、手動控制界面和報警信息界面。在綜合空壓站控制系統(tǒng)的總覽界面中，可總覽監(jiān)控空壓站控制系統(tǒng)的控制方式、各設備機組的運行模式與工作狀態(tài)，以及各檢測傳感器實時采集的溫度、流量、壓力、液位等參數(shù)。如圖6所示。

圖6 綜合控制系統(tǒng)

通過切換“手動控制”界面，可以實現(xiàn)自動監(jiān)控系統(tǒng)的手動控制，根據(jù)現(xiàn)場工況的實際需求，對空壓機組、冷干機組、電磁閥組、循環(huán)水系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等相關設備進行基本的運行控制和參數(shù)設置，從而達到設備調試、分步驟運行和獨立控制等功能要求，如圖7所示。

圖7 手動控制

通過切換“故障報警”界面，可查看本地設備在運行或調試操作中遇到故障時簡要的報警信息，主要包括故障時間、故障現(xiàn)象等。現(xiàn)場設備的故障被實際清除后，可通過顯示界面中的“故障復位”按鈕，將系統(tǒng)內的故障信息進行復位操作。

4 結語

采用PLC和觸摸屏雙重控制，可有效實現(xiàn)空壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)在各類工況下工作狀態(tài)，解決了自動化程度低、能源浪費嚴重等普遍問題。系統(tǒng)在使用過程中，在設備維護、系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)、動態(tài)響應時間、運行可靠性和節(jié)能降耗等各方面表現(xiàn)優(yōu)越。