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)結構圖如圖1所示。



圖1 系統(tǒng)結構圖

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，它采用結構化程序設計，程序可讀性強，調試和維護方便。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<