王賀彬，白 銳，呂永津，高 健

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，錦州 121001；2.遼寧航天凌河汽車(chē)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(wú)毒害性、無(wú)易燃性等鮮明特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造、汽車(chē)生產(chǎn)、國(guó)防科技、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品加工、電力電子等行業(yè)或部門(mén)，現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)中第二大動(dòng)力能源[1-2]?？諌簷C(jī)通過(guò)吸氣、壓縮和排氣等工序循環(huán)的將地面空氣進(jìn)行壓縮處理，是工作生產(chǎn)中關(guān)鍵的動(dòng)力設(shè)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(jī)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(jī)的耗電量要占到工業(yè)企業(yè)電耗的8%-10%，因此對(duì)空壓機(jī)以及空壓機(jī)綜合站進(jìn)行集中控制管理以達(dá)到節(jié)能降耗問(wèn)題也備受各工業(yè)企業(yè)的關(guān)注[5]。

目前，大部分工業(yè)廠房的空壓機(jī)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(guò)手動(dòng)方式對(duì)空壓站內(nèi)的空氣壓縮機(jī)、冷凍式干燥機(jī)、空氣處理凈化設(shè)備、冷卻循環(huán)水泵等設(shè)備進(jìn)行啟停控制，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄。同時(shí)考慮空壓機(jī)的耗電量較大，長(zhǎng)時(shí)間工作在空載或輕載狀態(tài)下，造成資源浪費(fèi)、降低設(shè)備工作壽命、增加設(shè)備運(yùn)行成本[6-7]。

本文以某公司的廠區(qū)空壓站為例，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于PLC與觸摸屏控制的空壓站自動(dòng)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(duì)整個(gè)空壓站內(nèi)的各機(jī)組設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)備與檢測(cè)裝置等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，從而達(dá)到降低設(shè)備能耗、提高設(shè)備效率、延長(zhǎng)工作壽命、簡(jiǎn)化操作步驟、實(shí)現(xiàn)智能控制等目的。

1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制方案

為滿足生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)空壓站設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控要求，并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集中管理的目的，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于PLC和觸摸屏控制的空壓站監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員可根據(jù)實(shí)際情況，針對(duì)空壓機(jī)綜合站內(nèi)的冷干機(jī)組、空壓機(jī)組、電磁閥、變頻器、循環(huán)水系統(tǒng)，以及各傳感器設(shè)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(yùn)行模式，在節(jié)省勞動(dòng)力的基礎(chǔ)上，提高工作效率，并可以通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各機(jī)組設(shè)備的工作狀態(tài)與數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)主要由S7-1200PLC、PN觸摸屏、上位機(jī)監(jiān)控、各機(jī)組設(shè)備以及傳感器等組成。上位機(jī)監(jiān)控主要用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)接收到的數(shù)據(jù)信息與報(bào)警故障等信息的遠(yuǎn)程觀測(cè)與處理，以及控制命令的發(fā)送操作，并通過(guò)安裝在上位機(jī)中的組態(tài)軟件對(duì)空壓站內(nèi)的所有設(shè)備機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)監(jiān)控。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)保存故障現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的故障數(shù)據(jù)信息與各機(jī)組設(shè)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(diào)用提供便利。S7-1200PLC作為自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，用于現(xiàn)場(chǎng)所有機(jī)組設(shè)備（冷干機(jī)組、空壓機(jī)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(cè)傳感器、故障指示）工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。為提高現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作效率和空壓站設(shè)備機(jī)組的自動(dòng)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(dòng)控制、軟手動(dòng)控制和手動(dòng)控制三種。自動(dòng)控制用于空壓站各機(jī)組設(shè)備的遠(yuǎn)程全自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行，各機(jī)組之間根據(jù)已設(shè)定好的運(yùn)行次序、工作方式與各監(jiān)測(cè)傳感器的反饋參數(shù)，保證在系統(tǒng)報(bào)警參數(shù)的設(shè)定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。軟手動(dòng)控制用于操作人員的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)性操作，操作人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇性進(jìn)行操作，為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組設(shè)備的遠(yuǎn)程通信的調(diào)試操作與各系統(tǒng)或機(jī)組設(shè)備間的分步操作提供便利。采用軟手動(dòng)控制方式，可根據(jù)廠區(qū)內(nèi)的實(shí)時(shí)工況需求實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，有效提高各機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行效率，減少多余的資源浪費(fèi)。手動(dòng)控制為防止空壓站現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或突發(fā)情況而設(shè)置的本地控制方式，通過(guò)手動(dòng)控制可在本地控制機(jī)柜中實(shí)現(xiàn)空壓站各設(shè)備機(jī)組的運(yùn)行操作。采用手動(dòng)控制方式，可在現(xiàn)場(chǎng)控制或調(diào)試時(shí)，就近對(duì)各機(jī)組設(shè)備和系統(tǒng)裝置進(jìn)行監(jiān)控，并在簡(jiǎn)單工況的情況下實(shí)現(xiàn)便捷操作，有效提高工作效率。PN觸摸屏顯示自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中各機(jī)組設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行模式，并可為本地操作提供自動(dòng)控制、軟手動(dòng)控制和手動(dòng)控制三種控制方式，為整個(gè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)提供操作上的便利。

2 空壓站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

近幾年來(lái)，西門(mén)子小型PLC在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用背景下為用戶提供了靈活多樣的遠(yuǎn)程服務(wù)解決方案[8]。西門(mén)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(jiǎn)單邏輯控制、高級(jí)邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)中提供了有效的單機(jī)小型自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案[9-11]。對(duì)于需要網(wǎng)絡(luò)通信功能和單屏或多屏HMI的自動(dòng)化系統(tǒng)，易于設(shè)計(jì)和實(shí)施，具有支持小型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用功能[12]。該系統(tǒng)采用的便是西門(mén)子S7-1200PLC作為整套自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制器，以CPU 1215C作為自動(dòng)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(kuò)展性與應(yīng)用靈活度的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)采用的中央處理器CPU 1215C所提供的兩個(gè)以太網(wǎng)接口，為連接路由端口、觸摸屏或工控機(jī)設(shè)備提供了極大的便利條件。同時(shí)，為廠區(qū)內(nèi)各廠房之間的整體性智能聯(lián)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與能源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了網(wǎng)絡(luò)備用接口和I/O接口模塊的可擴(kuò)展空間。

空壓站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)組設(shè)備主要包括：4臺(tái)空氣壓縮機(jī)、4臺(tái)冷凍式干燥機(jī)、4臺(tái)電磁閥、2臺(tái)儲(chǔ)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(fēng)機(jī)，空壓站現(xiàn)場(chǎng)還包括管道、水箱等設(shè)備機(jī)組上的溫度、壓力、液位和流量等傳感器。通過(guò)擴(kuò)展的16位數(shù)字量輸出模塊（兩個(gè)），16位數(shù)字量輸入模塊，8位模擬量輸入模塊可以全面實(shí)現(xiàn)整套自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)所有信號(hào)的監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)組與冷干機(jī)組的啟停控制，報(bào)警、故障或運(yùn)行狀態(tài)反饋；實(shí)現(xiàn)電磁閥組的通斷控制；實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的水泵啟?？刂疲\(yùn)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(shí)現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備啟?？刂?，運(yùn)行和故障的工作狀態(tài)反饋等。在滿足設(shè)計(jì)要求與功能完整的基礎(chǔ)上，多點(diǎn)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(shè)備的功能擴(kuò)展，提供了充足的備用接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整套自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)功能的二次開(kāi)發(fā)。

3 空壓站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)監(jiān)控

空壓站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以Windows系統(tǒng)軟件搭載平臺(tái)，上位機(jī)監(jiān)控界面采用組態(tài)王軟件進(jìn)行組態(tài)，其快速便捷的應(yīng)用設(shè)計(jì)與豐富可擴(kuò)充的圖形庫(kù)具有良好的易操作性、易辨識(shí)性與便捷性等特點(diǎn)[13]。該空壓站自動(dòng)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(bào)警界面”、“壓縮空氣曲線界面”、“循環(huán)水曲線界面”、“手動(dòng)控制界面”和“I/O語(yǔ)音界面”，共九個(gè)監(jiān)控界面，以及“故障復(fù)位”操作按鈕，通過(guò)界面下端的選項(xiàng)按鈕可進(jìn)行各監(jiān)控界面間的切換，觀察各界面的監(jiān)控?cái)?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(jī)綜合站控制平臺(tái)，在總覽監(jiān)控界面下，可以有效地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組設(shè)備的工作狀態(tài)以及傳感器各項(xiàng)數(shù)據(jù)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括：空壓機(jī)組、冷干機(jī)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(yùn)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(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。通過(guò)總覽界面的“系統(tǒng)啟動(dòng)”與“系統(tǒng)停止”按鈕可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)各設(shè)備機(jī)組的具體工作狀態(tài)與工作性能可自行設(shè)置空壓機(jī)、冷干機(jī)和循環(huán)水系統(tǒng)的投入狀態(tài)、運(yùn)行模式和控制參數(shù)等如圖4所示，設(shè)置壓縮空氣和循環(huán)水系統(tǒng)的故障報(bào)警值，并記錄報(bào)警信息與報(bào)警記錄如圖5所示。

圖4 控制參數(shù)

圖5 故障報(bào)警

為了解空壓機(jī)機(jī)組與循環(huán)水系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)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(duì)壓縮空氣過(guò)程和循環(huán)水過(guò)程中的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并形成相應(yīng)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(diào)整空壓機(jī)機(jī)組、冷干機(jī)機(jī)組和循環(huán)水系統(tǒng)的投入/切除狀態(tài)、控制方式和運(yùn)行次序等，有效提高各機(jī)組設(shè)備的工作效率，并降低多余的能源消耗。

在“手動(dòng)控制”與“I/O語(yǔ)音”界面中，可針對(duì)各機(jī)組設(shè)備的單獨(dú)運(yùn)行操作進(jìn)行監(jiān)控和工作狀態(tài)報(bào)警測(cè)試，根據(jù)觀測(cè)到的工作狀態(tài)顯示與報(bào)警信息提示調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備機(jī)組的實(shí)際工作狀態(tài)，驗(yàn)證各機(jī)組設(shè)備的工作狀態(tài)與檢測(cè)信號(hào)的發(fā)送與控制，并可通過(guò)“故障復(fù)位”常規(guī)故障的清除與系統(tǒng)參數(shù)還原，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與工況測(cè)試中有效為設(shè)備維護(hù)、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(shè)計(jì)采用SIMATIC WinCC（TIA博途）進(jìn)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(jī)界面面板以及基于PC的系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(dòng)控制界面和報(bào)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(shè)備機(jī)組的運(yùn)行模式與工作狀態(tài)，以及各檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)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(guò)切換“手動(dòng)控制”界面，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的手動(dòng)控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況的實(shí)際需求，對(duì)空壓機(jī)組、冷干機(jī)組、電磁閥組、循環(huán)水系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行基本的運(yùn)行控制和參數(shù)設(shè)置，從而達(dá)到設(shè)備調(diào)試、分步驟運(yùn)行和獨(dú)立控制等功能要求，如圖7所示。

圖7 手動(dòng)控制

通過(guò)切換“故障報(bào)警”界面，可查看本地設(shè)備在運(yùn)行或調(diào)試操作中遇到故障時(shí)簡(jiǎn)要的報(bào)警信息，主要包括故障時(shí)間、故障現(xiàn)象等?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障被實(shí)際清除后，可通過(guò)顯示界面中的“故障復(fù)位”按鈕，將系統(tǒng)內(nèi)的故障信息進(jìn)行復(fù)位操作。

4 結(jié)語(yǔ)

采用PLC和觸摸屏雙重控制，可有效實(shí)現(xiàn)空壓站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在各類(lèi)工況下工作狀態(tài)，解決了自動(dòng)化程度低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等普遍問(wèn)題。系統(tǒng)在使用過(guò)程中，在設(shè)備維護(hù)、系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、運(yùn)行可靠性和節(jié)能降耗等各方面表現(xiàn)優(yōu)越。