1 、序言

    空壓機(jī)主要用于為生產(chǎn)提供氣源，其對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行有著舉足輕重的地位。隨著國(guó)家節(jié)能減排和綠色生產(chǎn)政策的提出，以及降低設(shè)備的損耗、減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等要求，如何合理地使用、維護(hù)設(shè)備已成為關(guān)鍵，而采用人工操作方式進(jìn)行設(shè)備的巡檢、故障的記錄、設(shè)備狀態(tài)的切換等工作方式已嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)的效率和運(yùn)行可靠性。本文以某化工廠空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控項(xiàng)目為參考，采用西門子S7-300系列PLC作為控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 、系統(tǒng)概述

    該化工廠中，控制閥的動(dòng)作、氣動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行、某些區(qū)域的清潔等都需要用到壓縮空氣，因此氣源管道內(nèi)的壓力需維持在一定的范圍內(nèi)，以保證相關(guān)設(shè)備的正常工作，同時(shí)，也要避免過(guò)高的壓力造成能源的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述要求，采用PLC控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)各類參數(shù)的采集，如溫度、壓力、工作狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、故障狀態(tài)等，同時(shí)控制空壓機(jī)的啟停以及運(yùn)行狀態(tài)的指示。操作人員可以通過(guò)中控室的中央控制計(jì)算機(jī)讀取空壓機(jī)的工作狀態(tài)、發(fā)送控制指令等操作，也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作部件（觸摸屏）進(jìn)行上述控制指令的操作。

3 、空壓機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    空壓機(jī)控制系統(tǒng)主要由控制對(duì)象（空壓機(jī)）、中央控制計(jì)算機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、傳感變送單元、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏等部分組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中， PS（Power Supply）為電源模塊，CPU為處理單元模塊，CP為以太網(wǎng)通訊模塊， AI/AO為模擬量輸入輸出模塊，DI/DO為數(shù)字量輸入輸出模塊。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    本系統(tǒng)中，空壓機(jī)的控制有兩種模式：本地控制和遠(yuǎn)程控制，可以通過(guò)一個(gè)本地/遠(yuǎn)程切換開關(guān)進(jìn)行兩種控制模式的切換?？諌簷C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和溫度、壓力等參數(shù)，分別傳送給PLC和中央控制計(jì)算機(jī)用于狀態(tài)顯示，當(dāng)選擇某種控制模式時(shí)，相應(yīng)的控制單元對(duì)獲得的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析和邏輯判斷處理，并控制空壓機(jī)的啟動(dòng)和停止，亦即，當(dāng)選用本地模式時(shí)，PLC執(zhí)行上述操作，當(dāng)選用遠(yuǎn)程模式時(shí)，中央控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述操作。在遠(yuǎn)程模式下，中央控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令需要通過(guò)PLC來(lái)控制空壓機(jī)的啟動(dòng)和停止。

    本系統(tǒng)中的空壓機(jī)分為三組，其中，第一組和第二組互為備機(jī)，第三組為第一組和第二組的共用備機(jī)。在不同的壓力限值條件下，三組空壓機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)的次序依次啟動(dòng)和停機(jī)。本系統(tǒng)中的控制對(duì)象為三組空壓機(jī)組成的小型系統(tǒng)，故采用西門子S7-300系列PLC即可完成空壓機(jī)組相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)掃描和運(yùn)算，以及與中央控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏之間的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 PLC網(wǎng)絡(luò)通訊

    由于空壓機(jī)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和本地兩種控制模式的切換運(yùn)行，PLC需要與中央控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，PLC與中央控制計(jì)算機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式，而與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏之間采用MPI網(wǎng)絡(luò)通訊方式。

    1） 工業(yè)以太網(wǎng)通訊

    由于空壓機(jī)的安裝現(xiàn)場(chǎng)與中央控制室之間的距離很遠(yuǎn)，故PLC與中央控制計(jì)算機(jī)之間的采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，即PLC通過(guò)以太網(wǎng)通訊模塊用光纖鏈路與中央控制計(jì)算機(jī)相連接。以太網(wǎng)通訊模塊（CP343-1）具有RJ-45接口，采用模塊化設(shè)計(jì)，功能配置簡(jiǎn)單，便于模塊的擴(kuò)展，可以根據(jù)不同的需要靈活組合和擴(kuò)展。

    2） MPI網(wǎng)絡(luò)通訊

    PLC與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏都安裝在空壓機(jī)附近，二者距離較近，故從PLC到現(xiàn)場(chǎng)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。采用MPI網(wǎng)絡(luò)通訊方式接線簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，同時(shí)不增加額外的模塊，節(jié)省成本?，F(xiàn)場(chǎng)觸摸屏采用嵌入式低功耗設(shè)計(jì)，具有COM接口和USB接口，便于擴(kuò)展應(yīng)用。采用高亮度TFT液晶顯示屏以適于工作現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

    3.2 人機(jī)界面（HMI）

    人機(jī)界面（HMI）的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：中央控制計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，二者采用的組態(tài)軟件不同，但在畫面和信息顯示上一致。在中央控制計(jì)算機(jī)上采用西門子WinCC組態(tài)軟件來(lái)編輯人機(jī)界面，用來(lái)顯示空壓機(jī)的所有參數(shù)信息和故障報(bào)警信號(hào)，以及主電源回路的相關(guān)參數(shù)、狀態(tài)、溫度和壓力曲線等。操作人員還可以通過(guò)中央控制計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面發(fā)出控制空壓機(jī)啟停、主電源回路閉合斷開的命令。中央控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志，按時(shí)間記錄各種報(bào)警信息及故障發(fā)生時(shí)的操作信息，可進(jìn)行查詢和打印輸出。

圖2 人機(jī)界面組態(tài)圖

    觸摸屏的人機(jī)界面采用HMIBuilder軟件來(lái)編輯實(shí)現(xiàn)，在觸摸屏的界面上也有基本相同的參數(shù)信息，也可以從觸摸屏上發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

4、 系統(tǒng)可靠性

    系統(tǒng)的可靠性包括兩個(gè)方面：空壓機(jī)的可靠性和PLC控制系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于空壓機(jī)的可靠性前文已有所提及，即采用三個(gè)空壓機(jī)組，按主、備方式工作，以保證空壓系統(tǒng)的整體可靠性。

    在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，空壓機(jī)每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行而不能停機(jī)，這對(duì)PLC的可靠性提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。為提高系統(tǒng)的可靠性，采用冗余控制技術(shù)是有效方法和主要措施。CPU冗余控制使得系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)不受局部單一故障的影響, 可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)，同時(shí), 故障部件離線維修也不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行, 從而可達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性和降低失效率的目的。

    冗余控制方式包括硬件冗余和軟件冗余兩種方式。硬件冗余需要兩套相同的控制系統(tǒng)，分別為主系統(tǒng)和備系統(tǒng)，同時(shí)還需專用的熱備模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)主系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便及時(shí)切換控制權(quán)。硬件冗余方式控制要求高，成本高。軟件冗余方式不需要專用的熱備模塊，采用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)控制權(quán)的切換, 多用于控制要求不十分嚴(yán)格的場(chǎng)合，靈活性強(qiáng)，成本低。本例中，根據(jù)空壓系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，采用軟件冗余控制方式。

    軟件冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)PLC通訊，并監(jiān)控其工作狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)PLC配置相應(yīng)的通訊接口與中央控制計(jì)算機(jī)和各I/O模塊器通訊，兩套現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)相互獨(dú)立。中央控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控兩套PLC系統(tǒng)，當(dāng)主系統(tǒng)中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)中執(zhí)行，系統(tǒng)控制器切換時(shí)將進(jìn)行整體切換，包括電源、CPU、接口模塊等。

圖3 軟件冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 、程序設(shè)計(jì)

     本例中，空壓機(jī)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面：遠(yuǎn)程監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)、PLC控制程序設(shè)計(jì)、冗余控制程序設(shè)計(jì)。

    1） 遠(yuǎn)程監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

    遠(yuǎn)程監(jiān)控程序在中央控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，其功能是讀取空壓機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)，發(fā)送空壓機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)讀取和遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)的啟停等。

    2） PLC控制程序設(shè)計(jì)

    PLC控制程序的編制采用西門子專用的編程工具STEP7，通過(guò)STEP7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)。

    根據(jù)生產(chǎn)要求，PLC需要完成對(duì)空壓機(jī)的本地和遠(yuǎn)程控制，通過(guò)切換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的本地控制和遠(yuǎn)程控制。對(duì)于三組空壓機(jī)，為合理利用設(shè)備，避免因長(zhǎng)時(shí)間使用同一組空壓機(jī)，程序設(shè)計(jì)中可實(shí)現(xiàn)定時(shí)切換不同空壓機(jī)，即一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后自動(dòng)切換三組空壓機(jī)的主從關(guān)系。當(dāng)檢測(cè)到管道內(nèi)壓力值低于一定水平時(shí)，同時(shí)開啟三臺(tái)壓縮機(jī)，當(dāng)壓力值高于一定水平時(shí)，關(guān)閉輔助的空壓機(jī)，主空壓機(jī)連續(xù)工作以維持管道壓力。當(dāng)空壓機(jī)有故障報(bào)警時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉當(dāng)前主空壓機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)備空壓機(jī)，并在觸摸屏及中央控制計(jì)算機(jī)上顯示報(bào)警信息。

    3） 冗余控制程序設(shè)計(jì)

    冗余控制程序包括中央控制計(jì)算機(jī)的冗余控制監(jiān)控程序以及PLC冗余控制程序。冗余控制監(jiān)控程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控主、備PLC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便及時(shí)切換系統(tǒng)控制權(quán)。PLC冗余控制程序可以分為冗余部分和非冗余部分。冗余部分具體指需要數(shù)據(jù)同步的程序段, 以及所使用的數(shù)據(jù)塊,冗余信息主要是指輸入輸出端口的數(shù)據(jù)信息。非冗余部分主要指輔助性模塊, 它包括初始化模塊、診斷模塊、冗余功能模塊等，非冗余信息主要指各機(jī)的狀態(tài)信息。主系統(tǒng)PLC 執(zhí)行全部的控制程序，備系統(tǒng)PLC 只執(zhí)行非冗余部分控制程序段，而跳過(guò)冗余程序段。

6 、結(jié)束語(yǔ)

    空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提高了工廠內(nèi)空壓設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度，降低了設(shè)備的維護(hù)成本，同時(shí)，采用冗余控制方式提高了系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)主備切換，可以保持系統(tǒng)繼續(xù)工作, 避免系統(tǒng)停機(jī)影響生產(chǎn)。