空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬 云，晁 陽，李紅旗，劉福剛，楊程華

（中國石油吐哈油田公司物資保障中心，新疆鄯善 838202）

0 引言

空壓站5 臺(tái)空壓機(jī)和冷干機(jī)系統(tǒng)是井下作業(yè)物料干混系統(tǒng)的核心氣源動(dòng)力系統(tǒng)，干混站和空壓站相距較遠(yuǎn)，為實(shí)現(xiàn)干混站遠(yuǎn)程監(jiān)控5 臺(tái)空壓機(jī)和5 臺(tái)冷干機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于PLC 和單片機(jī)通信的空壓機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過Modbus RTU通信實(shí)時(shí)采集10 臺(tái)下位機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過DTU（Data Transfer Unit，數(shù)據(jù)傳輸單元）將數(shù)據(jù)無線傳輸至干混站調(diào)度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中心，同時(shí)運(yùn)用組態(tài)開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)出人機(jī)互動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了10 臺(tái)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。監(jiān)控系統(tǒng)通過對比下游干混運(yùn)行數(shù)據(jù)，合理調(diào)控供氣量，及時(shí)控制干混負(fù)荷，為干混系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供重要數(shù)據(jù)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

5 臺(tái)空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)為復(fù)盛公司專用PLC，PLC 預(yù)留兩路RS 485 串口通信接口，其中一路由空壓機(jī)操作面板占用，另一路備用，能夠?qū)C(jī)組運(yùn)行壓力、溫度、運(yùn)行時(shí)間、報(bào)警信息等據(jù)采集傳輸至DTU。

空壓機(jī)和冷干機(jī)控制系統(tǒng)通信端口無光電隔離，且控制柜存在磁場干擾，所有通信信號(hào)增加485 隔離系統(tǒng)，以安全保護(hù)空壓機(jī)和冷干機(jī)控制器。

干混站監(jiān)控系統(tǒng)使用亞控Kingview 7.5 工業(yè)監(jiān)控軟件開發(fā)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過DTU 模塊Modbus RTU 通信連接至數(shù)據(jù)庫詞典，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的關(guān)聯(lián)和顯示，同時(shí)機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過ODBC（Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫連接）連接和SQL 編程，定時(shí)存入Sqlserver 數(shù)據(jù)庫中，以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能?？諌簷C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

1.2 設(shè)備地址分配

Modbus RTU 通信運(yùn)行的物理層是RS 485 接口，在Modbus RTU 數(shù)據(jù)通信中，每臺(tái)設(shè)備地址唯一。由于3 臺(tái)冷干機(jī)通信參數(shù)與其他7 臺(tái)設(shè)備不一樣，故Modbus RTU 通信分成兩路參數(shù)通信，信息見表1。

表1 10 臺(tái)設(shè)備地址和通信參數(shù)配置

1#和5#冷干機(jī)控制系統(tǒng)使用ZX-WR-II 型單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)無通信端口，可將A 塔和B 塔吸附再生、運(yùn)行停機(jī)、報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等狀態(tài)開關(guān)量信息通過增加中間繼電器控制系統(tǒng)（Revision Control System，RCS）和遠(yuǎn)程控制終端（Remote Terminal Unit，RTU）的方式實(shí)現(xiàn)Modbus RTU 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信功能。

2#、3#和4#冷干機(jī)控制系統(tǒng)采用ZXK-ZHXL-II 型單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)預(yù)留一路RS 485 通信端口，但由于和其他7 臺(tái)設(shè)備不能配置成相同的通信參數(shù)，無法與空壓機(jī)、1#和5#冷干機(jī)控制系統(tǒng)（1#網(wǎng)絡(luò)）并網(wǎng)傳輸，只能將2#、3#和4#冷干機(jī)獨(dú)立通信（2#網(wǎng)絡(luò)）。DTU 包含兩個(gè)RS 485 接口，A1、B1 口傳輸1#網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，A2、B2 口傳輸2#網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，兩路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過主站DTU 數(shù)據(jù)打包無線傳輸至從站DTU，從站DTU 通過RS 485 轉(zhuǎn)USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）實(shí)現(xiàn)工控機(jī)的連接通信。

1.3 DTU 數(shù)據(jù)處理

10 臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)通過Modbus RTU 功能碼1 和4 讀至DTU。而5 臺(tái)空壓機(jī)Modbus 功能碼4 的9 號(hào)字前四位地址位分別是遠(yuǎn)程啟機(jī)、遠(yuǎn)程停機(jī)、遠(yuǎn)程卸載、遠(yuǎn)程加載位。按照手冊要求功能碼4 的9 號(hào)字只寫不讀，因此需編寫邏輯程序?qū)崿F(xiàn)控制功能?？紤]到遠(yuǎn)程開機(jī)和加載存在安全隱患，本方案未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟機(jī)和加載功能，DTU 定義了遠(yuǎn)程停機(jī)、遠(yuǎn)程卸載內(nèi)存開關(guān)量變量，實(shí)現(xiàn)對卸載和停機(jī)的寫功能（圖2）。

圖2 DTU 遠(yuǎn)程停機(jī)和卸載控制邏輯

每臺(tái)空壓機(jī)和2#、3#、4#冷干機(jī)報(bào)警數(shù)據(jù)通信字含有16 個(gè)報(bào)警信息，在DTU 中定義了報(bào)警開關(guān)量。通過邏輯與實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的讀操作，例如地址40007 第4 位和第5 位分別為排溫高報(bào)警和相序錯(cuò)誤，則排氣溫度高報(bào)警和相序錯(cuò)誤的關(guān)系式為：

排氣溫度高報(bào)警=（地址40007&8）==1

相序錯(cuò)誤報(bào)警=（地址40007&16）==1

同理，空壓機(jī)和冷干機(jī)各閥位的狀態(tài)通過邏輯與實(shí)現(xiàn)狀態(tài)判斷。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)界面按照用戶需求設(shè)計(jì)為七大模塊，分別為主界面、冷干機(jī)流程界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線界面、歷史曲線界面、歷史報(bào)警查詢界面、遠(yuǎn)程控制界面、用戶登錄和注銷界面。

通過數(shù)據(jù)一一映射，10 臺(tái)設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)顯示在主界面上，監(jiān)控系統(tǒng)定義了管理員角色，以實(shí)現(xiàn)權(quán)限遠(yuǎn)程控制功能。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中，空壓機(jī)和冷干機(jī)可通過記錄體的方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，SQL 語句如下：

SQLInsert(\本站點(diǎn)DeviceID，"運(yùn)行參數(shù)表"，"n 號(hào)設(shè)備")

其中，n=1～5。

機(jī)組出現(xiàn)報(bào)警或故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和彈出實(shí)時(shí)報(bào)警和觸發(fā)報(bào)警數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫指令，報(bào)警記錄可以從歷史報(bào)警查詢界面獲取。

2 小結(jié)

本文提出的設(shè)計(jì)方案，充分考慮了復(fù)雜的電磁干擾工業(yè)環(huán)境，項(xiàng)目采用無線通信技術(shù)和Modbus RTU 通信技術(shù)結(jié)合的模式實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)無線采集與傳輸[1]。投運(yùn)以來，空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行安全平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)了10 臺(tái)設(shè)備的無人值守，有效減小了巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)降本增效。該系統(tǒng)具有較高的復(fù)制性，可以應(yīng)用于其他工業(yè)生產(chǎn)。