基于组态王和PLC的空压站在线监控系统.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 4 ． 0 3 7 基于组态王和 P L C的空压站在线监控系统 娄鹏 ， 李文强， 卢光建 中航 工业沈 阳飞机工业 集 团有限公司，辽宁沈阳 1 1 0 8 5 0 摘要 针对飞机研制企业的空压站内各设备独立运行、分散式人工操作及监控能力薄弱等问题，提出了基于组态王和 P L C技术的空压站实时检测 、诊断、报警和控制的方案。研究了以 P c和 P L C为核心的硬件整体结构，并完成基于组态王 的集中监控和报警软件系统开发。该系统中 P c与空气压缩机控制器之间采用 Mo d b u s协议通信，数据传输速率为 1 9 ． 2 k B ／ s ；P C与控制柜内P L C、冷却循环水 P L C之间采用 M P I 通信方式，数据传输速率为 5 7 ． 6 k B ／ s 。将两种总线技术进行结 合，使控制滞后和远程监控失效问题得到解决，提高了监控系统的稳定可靠性。 关键词空压站； 组态王； 在线监控；总线技术 中图分类号T D 4 4 1 ． 2 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 41 1 9 5 On- l i n e M o ni t o r i n g Sy s t e m o f t h e Ai r Co mp r e s s o r St a t i o n Ba s e d o n Ki ng Vi e w a nd PLC L O U P e n g ， L I We n q i a n g ，L U G u a n g j i a n A V I C S h e n y a n g A i r c r a f t C o r p o r r a t i o n ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r i n d e p e n d e n t o p e r a t i o n o f e a c h d e v i c e ， d i s t rib u t e d ma n u a l o p e r a t i o n a n d mo n i t o r i n g c a p a c i t y w e a k n e s s a n d o t h e r i s s u e s i n a i r s t a t i o n o f a i r c r a f t d e v e l o p me n t c o mp a n i e s ，a i r s t a t i o n r e a l t i me d e t e c t i o n，d i a g n o s i s ，a l a r m a n d c o n t r o l s c h e me wa s p r o p o s e d b a s e d o n c o n f i g u r a t i o n o f n e t w o r k a n d P L C t e c h n o l o g y ．T h e o v e r a l l s t r u c t u r e o f t h e h a r d w a r e w h i c h c o r e s we r e P C a n d P LC w a s s t u d i e d ，a n d t h e c e n t r a l i z e d mo n i t o rin g a n d a l a r m s o f t wa r e s y s t e m d e v e l o p me n t w a s c o mp l e t e d b a s e d o n t h e c o n f i g u r a t i o n o f n e t wo r k ． T h e c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l b e t we e n P C a n d t h e a i r c o mp r e s s o r c o n t r o l l e r w a s MODB US p r o t o c o l ， d a t a t r a n s f e r r a t e wa s 1 9 ． 2 k B ／ s ； t h e c o mmu n i c a t i o n mo d e b e t we e n P C a n d P LC i n c o n t r o l c a b i n e t ， t h e c o o l i n g wa t e r c i r c u l a t i o n P L C wa s MP I ，d a t a t r a n s f e r r a t e w a s 5 7 ． 6 k B ／ s ．T h e t w o b u s t e c h n o l o g i e s we r e c o mb i n e d ，S O c o n t r o l h y s t e r e s i s a n d t h e f a i l u r e o f r e mo t e mo n i t o ri n g we r e r e s o l v e d，t h e s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t he mo n i t o rin g s y s t e m we r e i mp r o v e d． Ke y wo r dsAi r c o mp r e s s o r s t a t i o n；Ki n g Vi e w；On l i n e mon i t o rin g； Bu s t e c hn o l o g y 现阶段压缩空气在航空航天、石油 、机械、化 工 、冶金 、矿 山等各行业 被广泛地用作动力源 ，因此 空压站 的建设 至关重要 。在 飞机制造 企业 中，空 压站主要负责向企业内大量的风动设备 、工具提供恒 定 的压 缩空气 ，并将此动力应用 于涂装 和喷漆等关键 工序上。空压站的可靠性 、安全性及稳定性直接影响 着企业 的正 常生产 。 目前 大部分空压站控制方式大 多 采用就地分散式人工操作，由固定人员 2 4 h值 守， 值守人员根据工厂的实际需求手动启动或者停止空压 站 内的空气压缩机 、冷 于机 、冷却循 环水等设备 ，并 且人工定时巡检 、记录运行状况，存在着控制方式落 后 、操作不方便 等问题 。另 外 ，空压机 组耗 电量 很大，其中有相当长时间是在空载或轻载状态下运 行，导致能耗大、机器受损严重 、运行成本较高。针 对这一现状 ，文中提出了基于组态王和 P L C的集 中 监控系统 方案 ，该 系统 能够 对空 压站 内的空气 压 缩 机 、冷干机 、冷却循环水等进行监控 和保护 ，提高各 设备的工作效率，延长使用寿命 ，降低能耗。 1 系统设备组成及总体方案 1 ． 1 空压站 内设备组成及功能 空压 站内 的机 组设 备包 括 8台空气 压缩 机 、7 台冷 干机 、冷却 循 环水 系统 和 现场 的多 台仪 器 仪表 等 。空压 机 1 5为美 国寿力 公 司生产 的固定式 螺杆 空气压缩机，型号为 2 G T S 3 2 S - 4 0 0 H，公称容积流量 为 5 7 ． 1 m ／ m i n 、额定排气压力 为 8 ． 0 1 0 P a 。空压 机 6 8为美 国阿特 拉斯 科 普柯 公 司生产 的固定 式 离心 空 气 压 缩 机 ，型 号 Z H 7 0 0 0 ，额 定 工 作 压 力 为 1 0 ． 4 1 0 P a 。空气压缩机用于产生工厂所需的压缩 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 6 作者简介娄鹏 1 9 8 O 一 ，男，工程师 ，主要从事工业电气 自动化及控制技术方面的研究工作。Em a i l L WQ S S S 1 6 3． e o m。 1 2 0 机床与液压 第 4 2卷 空气。冷干机为多明尼克公 司冷冻式空气干燥机 ， 型号为 P D 1 1 0 0 ，冷 干机用 于将压 缩空 气 中的水 分和 杂质去除 ，为工厂提供洁净干燥的压缩空气 。冷却循 环水系统采 用 P L C为 核心处 理 单元 ，负责冷 却 系统 的过滤泵、循环泵、冷却塔 、软化水入 口阀、温度及 压力传感器的控制 ，并为空压机组冷却降温，保证空 压机组 的正 常运行 。现场还包括管道 的出口及 中间压 力、温度传感器等仪器仪表。 1 ． 2 系统 总体 方案 为了实现对现场各设备的集中监控要求，在对 比 各设备的控制系统及现场的实际需求，设计 了基于组 态王和 P L C的监 控 系统 。利 用 该 系 统 组建 的 网络 ， 使 操作人 员可以实现在 室内对 现场的多台设备进行 有 效的监控管理，既节省人力，又提高了工作效率，并 通过该系统及时准确的数据报告 ，对设备进行系统分 析 、诊断 。结构原理 图如 图 1 所示 。 8 台 空 气压缩 机组}． _ 叫T L P C}． ． { 冷 却 循环 水 系 统 P L c 空压机 电机温度传感器 各种显示仪表 报警 指 示 t P L 薹C 控制柜 l 7台冷 干机 组 其他检测传感器 图 1系统框图 该系统 主要 有上 位工 控机 P c 、控制 柜 内 P L C 、冷却循环水系统 P L C 、通信模块等组成。工业 计算机主要负责对数据的接收与管理、控制命令的发 送 ，通过安装在工控机 中的组态软件可在远程监控室 内实现对 各设 备 的监 控 和控 制 功能 。控 制 柜 内 P L C 作为系统的核心，负责7台冷干机组及现场仪表等设 备的检测。P c与 8台空压机组之间通过 U S B转 4 8 5 转换器通信模块实现数据的交互操作；P C与控制柜 内 P L C及冷却循环水系统 P L C之间通过专用通信模 块，采用 MP I 协议实现数据的交互操作。空压机电 机温度传感器通过多路巡检设备实现数据交换。通过 该系统可以监视和控制所有现场的设备，便于操作人 员操作 。 2 控制系统硬件设计 控制系统硬件选型 的原则是确保设备的稳定 、可 靠和长寿命运行，确保执行机构具有快速的响应，并 且具有友好的人机交互界面 。硬件由工业控制计算 机、与空压机组通信模块、检测空压机的主轴温度多 路巡检模块、控制柜内P L C 、冷却循环水系统、计算 机与 P L C通信模块等组成。硬件框图见图2 。 工控机P C US B I I l J U S BII l J C P 5 6 2 1 板卡 1 号 空 气 噩 缩 机 控制柜 内P L c{ I 冷却循环水P L C ． ‘ 图2 硬件系统结构 工业 控制计算机是整个系统的控制核心 ，是监控 软件系统的运行平台。它不仅能够完成监视和控制功 能，而且具有数据存储和更强的运算处理能力。计算 机配备多个 U S B接 口用 于与 R S 4 8 5 U S B转 换器 的连 接 。同时计算 机带 有 一个 P C I E插 槽 ，便 于 C P 5 6 2 1 通信卡的有效连接，实现与设备之间的通信。 计算机与空压机组间的通信是通过 R S 4 8 5 U S B 转换器 实 现 的。 由 于 8台 空 压 机 的控 制 器 只带 有 R S 4 8 5通信接 口，并采用 M o d b u s 通信协议工作，而 计算机通常未配置 R S 4 8 5通信接 口，必须进行接 口 的转换 ，所 以选用 R S 4 8 5到 U S B转换器 进行 物理转 换 。 系统采用两块 M O X A公司的8口4 8 5 U S B转换器 实现，其 中一块转换器的 1 5口分别连接 1 5号空 压机，其余端口备用；另一块转换器的 1 3口连接 6 8号空 压机 。多 台空 压 机 的总 线 采用 独 立 连 接 ， 保证各台空压机的独立工作且不相互影响。 为 了保证 1 5号空 压机 主轴 电机稳 定工作 ，减 少对 电机损坏 ，对主轴 电机温度前 、中、后端 3处 进 行检测控制 ，采用热 电阻传感器对温度进行检测 ，共 1 5个热电阻。采用高性能的 1 6路巡检仪对温度参数 进行测量、指示、控制、报警。此多路巡检模块具有 R S 4 8 5通信接 口，同时支持 M o d b u s 协议 ，将此模块 连接到 4 8 5 U S B转换器上的4口上，再连接到计算机 的U S B接 口上，实现 了计算机对温度信号的有效采 集 。 计算机与控制柜内 P L C采用 M P I 协议通信。在 计算机中安装一块 C P 5 6 2 1 卡 ，该卡具有抗干扰能 审 一 温度压力检测 冷 却塔 及阀 门 过 滤泵循 环 泵 温度压力检测 第 1 4期 娄鹏 等 基 于组 态王和 P L C的空压站在线监控 系统 1 2 3 误操作，以保证生产过程的安全可靠。 3 ． 2 出现 问题及 解 决 方法 针对在调试过程 中计算机与 P L C之间出现通信 故障而引起远程监控失效问题，通信电缆采用了双绞 线屏蔽电缆，降低现场干扰，并将通信传输速率降低 到 5 7 ． 6 k B ／ s ，提高该系统的数据传输可靠性。 针对 空压 机组控制操作时 出现 的滞后 问题 ，由于 系统结 构 已定 ，硬件无法改变 ，所 以在软件 方面加 以 改进。将 M o d b u s协议的数据传输速率提高到上 限 1 9 ． 2 k B ／ s ，再修改软件程序，采用控制操作指令优 先的策略，控制滞后问题可得到改善。 4结论 1 在 P C与空气压缩机之 间采用 R S 4 8 5总线 通 信 ， 数据传输速率采用 1 9 ． 2 k B ／ s ，解决了控制滞后 问题 。在 P C与控 制柜 内 P L C 、冷却 循环 水 系统 P L C 之 间采用 MP I 通信方式 ，数据传输速率采用 5 7 ． 6 k B ／ s ，解决了远程监控失效 ，使系统稳定可靠。 2 利用 P C和P L C组建的网络可以实现操作人 员在操纵室 内就可通过 监控系统对现场 的多 台设备进 行全面集中有效的监控 ，使操作人员不需去现场就可 以实时对设备进行方便、安全的动态监控 ，从而降低 成本 ，提高工作效率。 投入该监控系统后 ，实 际运行表 明 系统可靠稳 定，操作简单 ，维护方便 ，人机交互性好，达到了预 期的目标 ，同时也保证了企业安全生产，具有直接的 经济效益。 参考文献 [ 1 ]龚晓燕， 薛河， 时磊， 等． P L C及组态王的掘进通风监控 与报警系统研究[ J ] ． 西安科技大学学报， 2 0 1 2 ， 3 2 1 8 28 5． [ 2 ]MI R O N O WI C Z W． H a z a r d Mo n i t o r i n g a n d C o n t r o l S y s t e m o f V e n t i l a t i o n i n a Ha r d C o a l Mi n e [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 8 I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n S a f e t y S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y， 1 998 414 8． [ 3 ]王发达 ， 刘笃鸿． 矿井通风瓦斯智能监控报警系统的开 发与应用[ J ] ． 山东煤炭科技 ， 2 0 0 5 ， 5 1 2 7 2 9 ． [ 4 ]杨大志， 胡光忠， 柳忠彬， 等 ， 基于组态王的 C N G压缩机 远程监控 系统方 案 [ J ] ． 化 工 自动化及 仪表， 2 0 1 2 ， 3 9 8 1 0 3 71 0 3 9 ． [ 5 ]孙乐彬 ， 林景栋． P r o fi b u s 总线技术在空压站监控系统中 的应用[ J ] ． 佳木斯大学学报， 2 0 1 0 ， 2 8 1 3 63 8 ． [ 6 ]西门子 中国 有限公司． 西门子 s 7 3 0 0参考手册[ M] ． 北 京 西 门子 中国 有 限公 司 ， 2 0 0 5 ． [ 7 ]冯仪， 黄树槐． 基于 s 7 - 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