1、引言

在煤礦采煤生產(chǎn)中，空氣壓縮機(簡稱：空壓機)主要負責向礦井大量的風動機械提供動力，其工作的可靠性和安全性直接影響著礦山的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。目前大部分空壓機組存在著控制方式落后、操作不方便的問題?？刂苹芈反蠖酁槔^電器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人員24小時值守，值守人員根據(jù)井下用風量的需求手動啟動或者停止空壓機，并且定時巡檢、記錄運行狀況。另外，空壓機組耗電量很大，其中有相當長時間是在空載或輕載狀態(tài)下運行，導致能耗大、機器受損嚴重、運行成本較高。因此，設計一個操作方便、功能完善的全自動集中監(jiān)控系統(tǒng)，對空壓機組進行監(jiān)控和保護，提高空壓機組的工作效率，降低能耗，延長使用壽命，有著重要的現(xiàn)實意義。

2、監(jiān)控系統(tǒng)的構成

本項目空壓機房有五臺CompAir L250型噴油螺桿式空壓機，主電機功率為250kW，供電電壓為6000V， 轉(zhuǎn)速為1485rpm，自由排氣量為42.7m3/min、最大排氣壓力為7.5×105Pa。每臺空壓機都配有本體控制器Delcos3100，通過Delcos3100控制器的操作面板，操作人員可以就地控制單臺空壓機的啟停、查看運行狀況、設置運行參數(shù)等。另外，Delcos3100控制器留有一個RS-485通信接口，支持Modbus RTU協(xié)議，為實現(xiàn)空壓機組的集中監(jiān)控提供了條件。系統(tǒng)結(jié)構圖如圖1所示。



圖1 系統(tǒng)結(jié)構圖

2.1 PLC配置設計

系統(tǒng)選用西門子公司的S7-300 PLC實現(xiàn)集中監(jiān)控。S7-300 PLC為模塊化結(jié)構，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裕量，PLC的硬件配置如下：

（1）電源模塊PS307：輸入電壓為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，采集向空壓機供電的五臺高壓開關柜的狀態(tài)信號(如：高壓允許、高壓故障、合閘反饋、分閘反饋、小車就位等)、與五臺空壓機相對應的五個手自動轉(zhuǎn)換開關和五個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/0.5A REL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CP341模塊成為Modbus主站。CP341模塊利用基于RS-485總線的Modbus協(xié)議，與五個作為Modbus從站的Delcos3100控制器進行通訊，采集Delcos3100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。

2.2 觸摸屏配置設計

系統(tǒng)采用西門子TP270-10型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)Microsoft Windows CE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)據(jù)，設定空壓機的壓力、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。

2.3 上位機配置設計

系統(tǒng)采用PC機作為上位機遠程監(jiān)控站。通過網(wǎng)絡在線監(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。

其他元件包括手自動轉(zhuǎn)換開關、緊急停止按鈕、聲光報警器等。

3、通訊系統(tǒng)的構成

系統(tǒng)中的通訊包括三個部分。

3.1 現(xiàn)場設備通訊

PLC和Delcos3100控制器之間的通訊[4]采用控制方便、設計簡單的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)在主站和從站之間可靠傳遞，兩者共同構成了RS-485總線。

CP341模塊設置為總線的主站，五個Delcos3100控制器設置為總線的從站，每個從站分配唯一的地址，主站和從站的通訊速率統(tǒng)一設定為76.8kbps。工作時采用命令/應答的通訊方式，每一種命令幀都對應著一種應答幀，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。系統(tǒng)中用到的功能碼為0x03，即讀取Delcos3100控制器的寄存器。CP341模塊發(fā)出功能碼為0x03的命令幀，地址匹配的Delcos3100控制器就會做出響應，將存儲在寄存器中的空壓機運行信息（壓力、壓差、溫度、電壓、電流、載荷狀態(tài)、運行時間、故障信息等）組成應答幀發(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。

CP341模塊下發(fā)的命令幀格式如圖2所示。



圖2 命令幀格式

在命令幀中，寄存器起始地址是告訴Delcos3100控制器，CP341模塊要讀取的寄存器的起始地址；寄存器數(shù)是指從起始地址開始連續(xù)讀取的寄存器值的個數(shù)；CRC校驗是指對從站地址及其以后部分在命令幀中所占的字節(jié)數(shù)進行CRC-16校驗所生成的校驗碼。

Delcos3100控制器上傳的應答幀格式如圖3所示。



圖3 應答幀格式
在應答幀中，字節(jié)數(shù)是指主站要求從站發(fā)送的內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，寄存器1、2…n是指發(fā)送的各寄存器的內(nèi)容，CRC校驗與命令幀中的含義相同。

最后需要說明的是，RS-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)紻elcos3100控制器，再由Delcos3100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)的控制響應時間；同時，RS-485總線能夠以更快的速度采集實時數(shù)據(jù)。

3.2 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)時對相關通訊參數(shù)如所要連接CPU的MPI地址和槽號等進行定義，選擇接口類型為MPI，將波特率設置為187.5kbps進行簡單的組態(tài)操作即可實現(xiàn)通訊。

3.3 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，設置PLC和上位機的IP地址。

4、軟件設計

系統(tǒng)的控制要求如下：手自動轉(zhuǎn)換開關為手動狀態(tài)的空壓機，僅受其Delcos3100控制器控制，以方便機器檢修和維護，此時PLC只能采集該Delcos3100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限，當遠程控制有效且手自動轉(zhuǎn)換開關為自動狀態(tài)時，空壓機將只受上位機遠程控制。

4.1 PLC監(jiān)控程序設計

開發(fā)環(huán)境為SIMATIC STEP7 V5.3 SP2編程軟件包，它采用結(jié)構化程序設計，程序可讀性強，調(diào)試和維護方便。單臺空壓機的主程序流程圖如圖4所示。



圖4 主程序流程圖

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、又可以降耗節(jié)能的目的。

空壓機連續(xù)運行8小時后機身溫度會很高，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<