1 、序言

    空壓機主要用于為生產(chǎn)提供氣源，其對工業(yè)生產(chǎn)的正常運行有著舉足輕重的地位。隨著國家節(jié)能減排和綠色生產(chǎn)政策的提出，以及降低設(shè)備的損耗、減少設(shè)備維護費用等要求，如何合理地使用、維護設(shè)備已成為關(guān)鍵，而采用人工操作方式進行設(shè)備的巡檢、故障的記錄、設(shè)備狀態(tài)的切換等工作方式已嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)的效率和運行可靠性。本文以某化工廠空壓機遠程監(jiān)控項目為參考，采用西門子S7-300系列PLC作為控制系統(tǒng)，實現(xiàn)空壓機系統(tǒng)的自動運行和遠程監(jiān)控。

2 、系統(tǒng)概述

    該化工廠中，控制閥的動作、氣動設(shè)備的運行、某些區(qū)域的清潔等都需要用到壓縮空氣，因此氣源管道內(nèi)的壓力需維持在一定的范圍內(nèi)，以保證相關(guān)設(shè)備的正常工作，同時，也要避免過高的壓力造成能源的浪費。為實現(xiàn)上述要求，采用PLC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)空壓機各類參數(shù)的采集，如溫度、壓力、工作狀態(tài)、運行時間、故障狀態(tài)等，同時控制空壓機的啟停以及運行狀態(tài)的指示。操作人員可以通過中控室的中央控制計算機讀取空壓機的工作狀態(tài)、發(fā)送控制指令等操作，也可以通過現(xiàn)場操作部件（觸摸屏）進行上述控制指令的操作。

3 、空壓機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    空壓機控制系統(tǒng)主要由控制對象（空壓機）、中央控制計算機、PLC控制系統(tǒng)、傳感變送單元、現(xiàn)場觸摸屏等部分組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中， PS（Power Supply）為電源模塊，CPU為處理單元模塊，CP為以太網(wǎng)通訊模塊， AI/AO為模擬量輸入輸出模塊，DI/DO為數(shù)字量輸入輸出模塊。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    本系統(tǒng)中，空壓機的控制有兩種模式：本地控制和遠程控制，可以通過一個本地/遠程切換開關(guān)進行兩種控制模式的切換。空壓機的運行狀態(tài)和溫度、壓力等參數(shù)，分別傳送給PLC和中央控制計算機用于狀態(tài)顯示，當(dāng)選擇某種控制模式時，相應(yīng)的控制單元對獲得的狀態(tài)參數(shù)進行分析和邏輯判斷處理，并控制空壓機的啟動和停止，亦即，當(dāng)選用本地模式時，PLC執(zhí)行上述操作，當(dāng)選用遠程模式時，中央控制計算機執(zhí)行上述操作。在遠程模式下，中央控制計算機發(fā)出的指令需要通過PLC來控制空壓機的啟動和停止。

    本系統(tǒng)中的空壓機分為三組，其中，第一組和第二組互為備機，第三組為第一組和第二組的共用備機。在不同的壓力限值條件下，三組空壓機根據(jù)設(shè)計的次序依次啟動和停機。本系統(tǒng)中的控制對象為三組空壓機組成的小型系統(tǒng)，故采用西門子S7-300系列PLC即可完成空壓機組相關(guān)參數(shù)的實時掃描和運算，以及與中央控制計算機和現(xiàn)場觸摸屏之間的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 PLC網(wǎng)絡(luò)通訊

    由于空壓機系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠程和本地兩種控制模式的切換運行，PLC需要與中央控制計算機和現(xiàn)場觸摸屏之間進行實時的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，PLC與中央控制計算機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式，而與現(xiàn)場觸摸屏之間采用MPI網(wǎng)絡(luò)通訊方式。

    1） 工業(yè)以太網(wǎng)通訊

    由于空壓機的安裝現(xiàn)場與中央控制室之間的距離很遠，故PLC與中央控制計算機之間的采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信，即PLC通過以太網(wǎng)通訊模塊用光纖鏈路與中央控制計算機相連接。以太網(wǎng)通訊模塊（CP343-1）具有RJ-45接口，采用模塊化設(shè)計，功能配置簡單，便于模塊的擴展，可以根據(jù)不同的需要靈活組合和擴展。

    2） MPI網(wǎng)絡(luò)通訊

    PLC與現(xiàn)場觸摸屏都安裝在空壓機附近，二者距離較近，故從PLC到現(xiàn)場觸摸屏的通訊采用MPI網(wǎng)絡(luò)，使用西門子專用的PC Adapter連接電纜，連接CPU的MPI端口和觸摸屏的RS232口。采用MPI網(wǎng)絡(luò)通訊方式接線簡單，易于維護，同時不增加額外的模塊，節(jié)省成本?，F(xiàn)場觸摸屏采用嵌入式低功耗設(shè)計，具有COM接口和USB接口，便于擴展應(yīng)用。采用高亮度TFT液晶顯示屏以適于工作現(xiàn)場的應(yīng)用。

    3.2 人機界面（HMI）

    人機界面（HMI）的設(shè)計包括兩個方面：中央控制計算機的人機界面設(shè)計和現(xiàn)場觸摸屏的人機界面設(shè)計，二者采用的組態(tài)軟件不同，但在畫面和信息顯示上一致。在中央控制計算機上采用西門子WinCC組態(tài)軟件來編輯人機界面，用來顯示空壓機的所有參數(shù)信息和故障報警信號，以及主電源回路的相關(guān)參數(shù)、狀態(tài)、溫度和壓力曲線等。操作人員還可以通過中央控制計算機的人機界面發(fā)出控制空壓機啟停、主電源回路閉合斷開的命令。中央控制計算機自動記錄系統(tǒng)運行日志，按時間記錄各種報警信息及故障發(fā)生時的操作信息，可進行查詢和打印輸出。

圖2 人機界面組態(tài)圖

    觸摸屏的人機界面采用HMIBuilder軟件來編輯實現(xiàn)，在觸摸屏的界面上也有基本相同的參數(shù)信息，也可以從觸摸屏上發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

4、 系統(tǒng)可靠性

    系統(tǒng)的可靠性包括兩個方面：空壓機的可靠性和PLC控制系統(tǒng)的可靠性。對于空壓機的可靠性前文已有所提及，即采用三個空壓機組，按主、備方式工作，以保證空壓系統(tǒng)的整體可靠性。

    在實際生產(chǎn)過程中，空壓機每天24小時連續(xù)運行而不能停機，這對PLC的可靠性提出了嚴(yán)峻考驗。為提高系統(tǒng)的可靠性，采用冗余控制技術(shù)是有效方法和主要措施。CPU冗余控制使得系統(tǒng)在運行時不受局部單一故障的影響, 可實現(xiàn)在線維護，同時, 故障部件離線維修也不影響系統(tǒng)正常運行, 從而可達到提高系統(tǒng)可靠性和降低失效率的目的。

    冗余控制方式包括硬件冗余和軟件冗余兩種方式。硬件冗余需要兩套相同的控制系統(tǒng)，分別為主系統(tǒng)和備系統(tǒng)，同時還需專用的熱備模塊實時檢測主系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便及時切換控制權(quán)。硬件冗余方式控制要求高，成本高。軟件冗余方式不需要專用的熱備模塊，采用軟件編程的方式實現(xiàn)控制權(quán)的切換, 多用于控制要求不十分嚴(yán)格的場合，靈活性強，成本低。本例中，根據(jù)空壓系統(tǒng)的工作特點，采用軟件冗余控制方式。

    軟件冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。中央控制計算機通過以太網(wǎng)交換機與現(xiàn)場PLC通訊，并監(jiān)控其工作狀態(tài)?，F(xiàn)場PLC配置相應(yīng)的通訊接口與中央控制計算機和各I/O模塊器通訊，兩套現(xiàn)場PLC系統(tǒng)相互獨立。中央控制計算機實時監(jiān)控兩套PLC系統(tǒng)，當(dāng)主系統(tǒng)中的任何一個組件出錯，控制任務(wù)會自動切換到備用系統(tǒng)中執(zhí)行，系統(tǒng)控制器切換時將進行整體切換，包括電源、CPU、接口模塊等。

圖3 軟件冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 、程序設(shè)計

     本例中，空壓機控制系統(tǒng)的程序設(shè)計包括三個方面：遠程監(jiān)控程序的設(shè)計、PLC控制程序設(shè)計、冗余控制程序設(shè)計。

    1） 遠程監(jiān)控程序設(shè)計

    遠程監(jiān)控程序在中央控制計算機中運行，其功能是讀取空壓機工作狀態(tài)參數(shù)，發(fā)送空壓機的控制指令，實現(xiàn)空壓機系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)的實時讀取和遠程控制空壓機的啟停等。

    2） PLC控制程序設(shè)計

    PLC控制程序的編制采用西門子專用的編程工具STEP7，通過STEP7用戶可以進行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試、在線診斷PLC硬件配置狀態(tài)。

    根據(jù)生產(chǎn)要求，PLC需要完成對空壓機的本地和遠程控制，通過切換開關(guān)可以實現(xiàn)空壓機的本地控制和遠程控制。對于三組空壓機，為合理利用設(shè)備，避免因長時間使用同一組空壓機，程序設(shè)計中可實現(xiàn)定時切換不同空壓機，即一個運行周期結(jié)束后自動切換三組空壓機的主從關(guān)系。當(dāng)檢測到管道內(nèi)壓力值低于一定水平時，同時開啟三臺壓縮機，當(dāng)壓力值高于一定水平時，關(guān)閉輔助的空壓機，主空壓機連續(xù)工作以維持管道壓力。當(dāng)空壓機有故障報警時，自動關(guān)閉當(dāng)前主空壓機，同時啟動備空壓機，并在觸摸屏及中央控制計算機上顯示報警信息。

    3） 冗余控制程序設(shè)計

    冗余控制程序包括中央控制計算機的冗余控制監(jiān)控程序以及PLC冗余控制程序。冗余控制監(jiān)控程序?qū)崟r監(jiān)控主、備PLC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便及時切換系統(tǒng)控制權(quán)。PLC冗余控制程序可以分為冗余部分和非冗余部分。冗余部分具體指需要數(shù)據(jù)同步的程序段, 以及所使用的數(shù)據(jù)塊,冗余信息主要是指輸入輸出端口的數(shù)據(jù)信息。非冗余部分主要指輔助性模塊, 它包括初始化模塊、診斷模塊、冗余功能模塊等，非冗余信息主要指各機的狀態(tài)信息。主系統(tǒng)PLC 執(zhí)行全部的控制程序，備系統(tǒng)PLC 只執(zhí)行非冗余部分控制程序段，而跳過冗余程序段。

6 、結(jié)束語

    空壓機遠程監(jiān)控系統(tǒng)提高了工廠內(nèi)空壓設(shè)備運行的自動化程度，降低了設(shè)備的維護成本，同時，采用冗余控制方式提高了系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)通過主備切換，可以保持系統(tǒng)繼續(xù)工作, 避免系統(tǒng)停機影響生產(chǎn)。