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1、引言
隨著國家節(jié)能減排政策的提出和工業(yè)自動化水平的提高，以及越來越多的廠家要求盡量降低設(shè)備的損耗，進而適當(dāng)減少設(shè)備維護費用，如何合理的使用、維護設(shè)備已成為關(guān)鍵，而單純的采用人工方式記錄設(shè)備故障、設(shè)備使用時間，以及人工切換設(shè)備已經(jīng)不能滿足上述要求。本文以某煤礦空氣壓縮機遠程監(jiān)控系統(tǒng)項目為例，采用西門子s7-300系列PLC作為數(shù)據(jù)采集和控制單元，上位機用顯控SKWorkshop進行畫面及參數(shù)顯示，從PLC到中控室工控機采用Ethernet協(xié)議進行通訊，現(xiàn)場使用觸摸屏顯示控制畫面及參數(shù)，操作人員可在中控室或者現(xiàn)場觸摸屏上發(fā)出控制命令。
2、原理分析
該項目利用空氣壓縮機給煤礦井下提供氣體壓力，推動氣動設(shè)備的運行，要求管道內(nèi)的壓力維持在一定的范圍內(nèi)，最好不好過壓或者欠壓，以免造成能源的浪費或者現(xiàn)場設(shè)備無法使用。由PLC采集空氣壓縮機的參數(shù)，比如溫度、壓力、運行時間、故障等，上傳到中控室上位機和現(xiàn)場顯控觸摸屏，并接受操作員發(fā)出的控制命令，再將相應(yīng)的命令傳給空壓機，以實現(xiàn)控制功能，并做出相應(yīng)的報警指示。
3、系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)
該系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、PLC、I/O模塊、現(xiàn)場顯控觸摸屏、上位機人機界面、網(wǎng)絡(luò)通訊等部分組成，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。
3.1、I/O模塊
本系統(tǒng)中需要控制空壓機電源的接通與關(guān)斷等，故需用到數(shù)字量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊，由于本系統(tǒng)采用西門子s7 300系列PLC，所以也需訂購相應(yīng)的300系列的DI，DO模塊，型號分別有DI模塊SM321（訂貨號為6ES7 321-1BH02-0AA0，DI16ⅹDC24V），DO模塊SM322（訂貨號為6ES7 322-1BH01-0AA0，DO16ⅹDC24V/0.5A）。另外控制柜上安裝有轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以選擇在本地或者遠程控制該電源的接通與否，該轉(zhuǎn)換開關(guān)作為輸入信號，接入PLC的DI模塊。
3.2、PLC單元與網(wǎng)絡(luò)通訊單元
本文利用中小型的西門子S7-300系列PLC即可完成空壓機參數(shù)的實時掃描和運算，并傳送信息到中控室上位機以及現(xiàn)場觸摸屏，另外結(jié)合操作人員在上位機和觸摸屏發(fā)出的控制命令，對空壓機的啟停等進行控制。S7-300系列PLC采用模塊化設(shè)計，具有模塊擴展和功能配置簡單等特點，可以根據(jù)不同的需要靈活組合和擴展。此處選用315-2DP型號的CPU，此CPU集成有MPI和DP通信接口，有很強的通訊功能。
從現(xiàn)場PLC到中控室工控機距離很遠，此處采用Ethernet協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信，所以還訂購了以太網(wǎng)通訊模塊（CP 343-1），其具有RJ-45接口，通過光纖鏈路模塊經(jīng)過光纖連接到中控室所在的以太網(wǎng)，將PLC采集到的信息上傳到上位機，并將上位機發(fā)出的控制命令傳送到PLC。
通過PLC CPU上的Profibus DP接口，連接到Profibus轉(zhuǎn)Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（PB-B-MM），再連接到兩臺空氣壓縮機以及控制柜上多功能電力監(jiān)測儀表的Modbus接口，來讀取空氣壓縮機的運行參數(shù)和多功能電表的電流電壓功率等電力狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及向空壓機發(fā)送啟停命令等。
觸摸屏采用深圳顯控自動化的Samkoon SK-070AS觸摸屏，它兩個COM口，其中一個是RS232口，另一個即可當(dāng)做RS232，又可以用作 RS485來通訊。同時還帶有兩個USB口，一個10M/100M自適應(yīng)RJ 45以太網(wǎng)接口。此縱橫科技的觸摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU為核心的高性能嵌入式人機界面，采用7英寸高亮度TFT液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏，同時還預(yù)裝微軟嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)WinCE和免費捆綁HMIBuilder嵌入版組態(tài)軟件無線點。
從PLC到觸摸屏的通訊采用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（筆者認(rèn)為此處也可以選用以太網(wǎng)通訊方式，通過300系列的以太網(wǎng)模塊連接觸摸屏的RJ 45接口，但實際使用情況未采用，可行性有待試驗確定）。
4、人機界面（HMI）
觸摸屏的畫面組態(tài)深圳顯控自動化開發(fā)的SKWorkshop軟件來編輯形成，在其畫面上也有基本相同的參數(shù)信息，報警信號，以及溫度曲線等，也可以從觸摸屏上發(fā)出相應(yīng)的控制命令。觸摸屏部分畫面如圖2所示。
5、程序設(shè)計
PLC編程軟件使用西門子專用的編程軟件STEP7，它是基于Windows 2000/XP或者Windows Server 2003的為S7-300/400 PLC配置和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。通過Step 7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)、控制PLC的運行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。
根據(jù)廠家要求，PLC需要完成對空壓機的本地和遠程控制，并且默認(rèn)情況下是本地控制，只有在本地觸摸屏上點擊遠程控制按鈕后，設(shè)備的控制權(quán)才轉(zhuǎn)交給遠程上位機來完成。現(xiàn)場有兩臺相同的空壓機，為合理利用設(shè)備，避免因長時間使用同一臺空壓機造成機器的損耗，要求程序進行定時切換工作，即每隔12小時自動切換兩臺空壓機的主從關(guān)系。同時為保證管道內(nèi)達到要求的空氣壓力，需要實時采集壓力參數(shù)，當(dāng)壓力值低于一定水平時，同時開啟兩臺壓風(fēng)機，當(dāng)壓力值高于一定水平時，關(guān)閉輔助的空壓機。當(dāng)有故障報警時，自動關(guān)閉空氣壓縮機，并在觸摸屏及上位機顯示報警信息。
6、總結(jié)
有了顯控觸摸屏的加入，提高了工廠內(nèi)設(shè)備運行的自動化程度，降低了設(shè)備的維護費用。此系統(tǒng)目前的缺點是控制任務(wù)由基本獨立的兩套PLC系統(tǒng)來完成，造成了資源的浪費。主要是由于空氣壓縮機廠家自帶的PLC沒有額外的處理功能，不能處理與上位機以及其他設(shè)備通信控制的能力。
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