PLC與組態(tài)軟件在空壓機(jī)氣源測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄧旭

摘 要 本文介紹了一種上位機(jī)組態(tài)軟件采用Win CC（Windows Control Center）V6，下位機(jī)采用西門子S7-300系列PLC的空壓機(jī)氣源測控系統(tǒng)，分析了該測制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)、軟硬件配置等要點(diǎn)，探討了該氣源測控系統(tǒng)上位機(jī)與PLC的通訊方式。

關(guān)鍵詞 PLC；組態(tài)軟件；測控系統(tǒng)；空壓機(jī)

中圖分類號 TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0213-02

本文介紹了某單位一次空壓機(jī)氣源測控系統(tǒng)改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目基于PLC、組態(tài)軟件Win？CC和PROFIBUS通信協(xié)議的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。該氣源測控系統(tǒng)主要用于對氣源系統(tǒng)中6臺空壓機(jī)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、壓力、溫度、振動(dòng)量、故障報(bào)警等信號實(shí)施集中監(jiān)控，并可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。現(xiàn)場投運(yùn)幾個(gè)月來運(yùn)行狀況良好，達(dá)到預(yù)期的要求。

1 系統(tǒng)功能

1.1 數(shù)據(jù)的采集及趨勢分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)的采集及趨勢分析系統(tǒng)主要對設(shè)備的溫度、壓力、流量、振動(dòng)量和位移量等工藝參數(shù)進(jìn)行檢測、記錄和分析。通過安裝在現(xiàn)場的傳感器將采集到的模擬量信號送入PLC模擬量輸入模塊，傳至空壓機(jī)氣源總測控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。溫度信號采用電阻信號，其溫度傳感器選用PT100？A級鉑電阻，鉑熱電阻傳感器的主要特點(diǎn)是：測量精度高，性能穩(wěn)定。壓力信號采用4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，壓力傳感器選用壓力檢測和信號變送于一體的電容式壓力傳感變送器，選用電容式壓力傳感器是基于其具有靈敏度好，測量精度高，穩(wěn)定性好，工作溫度范圍寬、使用方便且適用于全天候的特點(diǎn)。振動(dòng)量和位移量測量采用電渦流傳傳感器，通過變送器后，可變?yōu)?-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，可更加準(zhǔn)確的監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)

為了保護(hù)空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)安全可靠，報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)對機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)（如壓力、溫度、流量等）都設(shè)有報(bào)警值，對涉及到機(jī)組安全的參數(shù)（軸承溫度、軸承振動(dòng)等）設(shè)有聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)值。通過對機(jī)組的設(shè)備狀態(tài)及機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)的行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出低限或高限報(bào)警后，監(jiān)控面板報(bào)警燈亮，相應(yīng)參數(shù)儀表顯示變?yōu)榧t色并閃爍，提醒現(xiàn)場運(yùn)行人員注意；當(dāng)涉及到機(jī)組安全的參數(shù)達(dá)到聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)值當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)將打開防喘閥，保護(hù)停機(jī)。為加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，防止系統(tǒng)參數(shù)被隨意修改，本系統(tǒng)設(shè)置了登錄密碼和報(bào)警域修改權(quán)限。

1.3 遠(yuǎn)程控制功能

氣源系統(tǒng)各機(jī)組的啟動(dòng)/停機(jī)、加載/卸載控制信號通過控制繼電器對設(shè)備進(jìn)行操作，以儲氣罐壓力為依據(jù)，根據(jù)控制程序中設(shè)定總管壓力閥值調(diào)節(jié)電磁閥，進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)；根據(jù)用氣流量的不同，可隨機(jī)選擇機(jī)組運(yùn)行。以1號空壓機(jī)組為例，在開機(jī)啟動(dòng)前，潤滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)滿足開機(jī)啟動(dòng)條件后，方可進(jìn)行啟動(dòng)機(jī)組，在此采用聯(lián)鎖控制，條件不滿足時(shí)，機(jī)組無法開啟。當(dāng)壓縮機(jī)空載啟動(dòng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，按下加載按鈕，壓縮機(jī)進(jìn)入到負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)根據(jù)儲氣罐壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁閥1、2加載狀態(tài)，使儲氣罐壓力穩(wěn)定在0.7MPa左右，具體控制如下：當(dāng)儲氣罐壓力值低于0.68MPa時(shí)，壓縮機(jī)處于100%加載狀態(tài)，電磁閥1、2處于加載狀態(tài)；當(dāng)儲氣罐壓力值在0.72MPa到0.74MPa之間時(shí)，壓縮機(jī)處于50%加載狀態(tài)，電磁閥1處于加載狀態(tài)，電磁閥2處于卸載狀態(tài)；當(dāng)儲氣罐壓力大于0.74MPa時(shí)，壓縮機(jī)處于0%加載狀態(tài)，電磁閥1、2處于卸載狀態(tài)。

1.4 顯示功能

該系統(tǒng)采用PC機(jī)作為上位機(jī)，主要包含主操作界面、輔操作界面、測點(diǎn)清單界面、實(shí)時(shí)趨勢界面、歷史趨勢界面、報(bào)警界面、數(shù)據(jù)報(bào)表界面、參數(shù)設(shè)置界面、電動(dòng)閥控制界面。

1.5 報(bào)表打印功能

本系統(tǒng)可從歷史數(shù)據(jù)庫中提取完整的歷史趨勢圖，并可以以報(bào)表的形式打印出來，以便記錄和保存。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)是基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)是以工業(yè)級計(jì)算機(jī)為核心，集成單元組合儀器及微處理器的優(yōu)點(diǎn)，可充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)及圖像處理技術(shù)的應(yīng)用成果來完成所要求的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是：集中管理、分散控制。控制系統(tǒng)總體可分為：檢測與執(zhí)行級、下位控制級、上位管理監(jiān)控級，測控系統(tǒng)架構(gòu)圖。

2.1 檢測與執(zhí)行級

檢測與執(zhí)行級：指現(xiàn)場信號測量單元與設(shè)備執(zhí)行單元。主要包括溫度、壓力、流量、震動(dòng)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)測量和電磁調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等設(shè)備的控制。傳感器模塊采用標(biāo)準(zhǔn)線性電源供電，并通過標(biāo)準(zhǔn)電流信號進(jìn)行傳輸，采用屏蔽電纜將變送器的模擬信號傳輸?shù)絇LC的模擬量輸入模塊。調(diào)節(jié)閥的到位信號、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)字量信號傳輸?shù)絇LC的數(shù)字量輸入模塊。

2.2 下位控制級

下位控制級和檢測與執(zhí)行級，不僅可直接顯示現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)測量值，還負(fù)責(zé)控制現(xiàn)場各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。本系統(tǒng)采用SIEMENS的S7-300系列模塊，S7-300是西門子模塊化機(jī)架結(jié)構(gòu)中型PLC，該模塊具有安裝密度高，擴(kuò)展靈活，運(yùn)行速度快，無槽位限制，可通過Windows？STEP7編程軟件進(jìn)行編程。考慮到該測控系統(tǒng)輸入輸出的點(diǎn)數(shù)較多，因此本系統(tǒng)采用具有可擴(kuò)展導(dǎo)軌的313C-2DP，具體硬件配置如下：

1）電源：PS307？10A？DC24V，型號為6ES7？ 307-1KA01-0AA0。

2）CPU模塊：313C-2DP，型號為6ES7？313-6CF03-0AB0。

3）1個(gè)DI模塊：DI16×DC24V，型號為6ES7？ 321-1BH02-0AA0。

4）1個(gè)DO模塊：DO16×DC24V/0.5A，型號為6ES7？ 322-1BH01-0AA0。

5）3個(gè)AI模塊，其中1臺為AI8×12Bit，型號為6ES7？331-7KF02-0AB0。

6）2臺為AI8×RTD，型號為6ES7？331-7PF01-0AB0。

7）1個(gè)AO模塊：AO4×12Bit，型號為6ES7？ 332-5HD00-0AB0；8）存儲卡（MCC）：128KB，型號為6ES7？953-8LG11-0AA0。

PLC的編程軟件采用SIEMENS？SIMATIC？STEP7？ V5.2，該編程軟件為結(jié)構(gòu)化編程。由于該系統(tǒng)功能較多，程序量大，為程序調(diào)試方便，本程序采用OB1統(tǒng)一調(diào)用幾個(gè)FC子程序。CPU啟動(dòng)完成后，操作系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行OB1，OB1執(zhí)行完成后，操作系統(tǒng)再次啟動(dòng)OB1，其他子程序可由OB1調(diào)用。子程序有數(shù)據(jù)采集處理、報(bào)警參數(shù)及保護(hù)停機(jī)值設(shè)定、故障報(bào)警輸出等。

2.3 上位管理監(jiān)控級

本系統(tǒng)監(jiān)控層采用Win？CC組態(tài)軟件，它承擔(dān)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集及報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄、中文報(bào)表及報(bào)表打印等工作，在中央監(jiān)控室設(shè)有操作員工作站，操作員通過操作終端詳細(xì)了解現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況，并可下達(dá)操作控制指令，指揮現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)氣源系統(tǒng)在線監(jiān)測。

3 Win CC與PLC的通訊

根據(jù)需要，本空壓機(jī)氣源測控系統(tǒng)上位機(jī)與PLC的通信方式選用PROFIBUS協(xié)議，硬件選用SIEMENS？ CP5611通訊卡。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）SIEMENS？CP5611通訊卡的安裝和設(shè)置。首先將SIEMENS？CP5611通訊卡插入計(jì)算機(jī)上并固定好，重啟計(jì)算機(jī)，在PC？機(jī)的控制面板中擊“設(shè)置？PG/PC？接口”圖表，彈出窗口中就會顯示已安裝的通訊卡。

2）添加通訊協(xié)議驅(qū)動(dòng)。通訊卡安裝完成后，打開Win？CC軟件，在Win？CC變量管理中添加新的驅(qū)動(dòng)程序“SIAMTIC？S7？protocol？suite.chn”，將SIAMTIC的S7通訊協(xié)議集添加到“變量管理”項(xiàng)下。SIAMTIC的S7通訊協(xié)議集包括在不同網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用的S7協(xié)議，如工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、PROFIBUS協(xié)議，MPI協(xié)議，以及TCP/IP協(xié)議等。

3）通訊連接參數(shù)設(shè)置。選擇PROFIBUS通訊驅(qū)動(dòng)并按右鍵選“系統(tǒng)參數(shù)”進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面。

4）建立通訊連接及連接設(shè)置。在PROFIBUS通訊協(xié)議并按右鍵選擇“新驅(qū)動(dòng)程序的連接”建立一個(gè)連接。本測控系統(tǒng)連接共有3個(gè)CPU，每個(gè)CPU都需與Win？CC建立一個(gè)連接。在建立通訊連接后，需要修改每個(gè)連接的屬性。在連接設(shè)置中，站地址是PLC的地址，機(jī)架號是CPU所處的機(jī)架號，插槽號是CPU的槽位號，連接S7-300？CPU時(shí)槽號都是2。當(dāng)完成這些設(shè)置工作之后，PLC與Win？CC的通訊連接就建立起來。

5）通訊故障診斷。當(dāng)通訊連接出現(xiàn)問題時(shí)，可利用PROFIBUS總線排查軟件ProfiTrace偵聽總線上的通訊報(bào)文，發(fā)現(xiàn)主站與從站通信是否正常，周期數(shù)據(jù)交換是否正常；并對通訊硬件設(shè)備進(jìn)行排查，檢查網(wǎng)卡安裝是否正確，通訊電纜是否破損，現(xiàn)場總線是否存在電磁干擾以及終端電阻接入是否存在異常。

4 結(jié)論

基于PLC和和Win？CC組態(tài)軟件的空壓機(jī)氣源測控系統(tǒng)，可以根據(jù)總管壓力的情況，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)加載和卸荷，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控控，實(shí)時(shí)監(jiān)測空壓機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)自在某單位空壓站運(yùn)行以來，系統(tǒng)穩(wěn)定，自動(dòng)調(diào)壓正常。

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