1 、序言
空壓機(jī)主要用于為生產(chǎn)提供氣源,其對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行有著舉足輕重的地位。隨著國(guó)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(hù)費(fèi)用等要求,如何合理地使用、維護(hù)設(shè)備已成為關(guān)鍵,而采用人工操作方式進(jìn)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(yùn)行可靠性。本文以某化工廠空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控項(xiàng)目為參考,采用西門子S7-300系列PLC作為控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2 、系統(tǒng)概述
該化工廠中,控制閥的動(dòng)作、氣動(dòng)設(shè)備的運(yùn)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(shí),也要避免過高的壓力造成能源的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述要求,采用PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)各類參數(shù)的采集,如溫度、壓力、工作狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、故障狀態(tài)等,同時(shí)控制空壓機(jī)的啟停以及運(yùn)行狀態(tài)的指示。操作人員可以通過中控室的中央控制計(jì)算機(jī)讀取空壓機(jī)的工作狀態(tài)、發(fā)送控制指令等操作,也可以通過現(xiàn)場(chǎng)操作部件(觸摸屏)進(jìn)行上述控制指令的操作。
3 、空壓機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
空壓機(jī)控制系統(tǒng)主要由控制對(duì)象(空壓機(jī))、中央控制計(jì)算機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、傳感變送單元、現(xiàn)場(chǎng)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(jī)的控制有兩種模式:本地控制和遠(yuǎn)程控制,可以通過一個(gè)本地/遠(yuǎn)程切換開關(guān)進(jìn)行兩種控制模式的切換。空壓機(jī)的運(yùn)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(jì)算機(jī)用于狀態(tài)顯示,當(dāng)選擇某種控制模式時(shí),相應(yīng)的控制單元對(duì)獲得的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析和邏輯判斷處理,并控制空壓機(jī)的啟動(dòng)和停止,亦即,當(dāng)選用本地模式時(shí),PLC執(zhí)行上述操作,當(dāng)選用遠(yuǎn)程模式時(shí),中央控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述操作。在遠(yuǎn)程模式下,中央控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令需要通過PLC來控制空壓機(jī)的啟動(dòng)和停止。
本系統(tǒng)中的空壓機(jī)分為三組,其中,第一組和第二組互為備機(jī),第三組為第一組和第二組的共用備機(jī)。在不同的壓力限值條件下,三組空壓機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)的次序依次啟動(dòng)和停機(jī)。本系統(tǒng)中的控制對(duì)象為三組空壓機(jī)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(jī)組相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)掃描和運(yùn)算,以及與中央控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)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(jī)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和本地兩種控制模式的切換運(yùn)行,PLC需要與中央控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中,PLC與中央控制計(jì)算機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式,而與現(xiàn)場(chǎng)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(jī)的安裝現(xiàn)場(chǎng)與中央控制室之間的距離很遠(yuǎn),故PLC與中央控制計(jì)算機(jī)之間的采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì),功能配置簡(jiǎn)單,便于模塊的擴(kuò)展,可以根據(jù)不同的需要靈活組合和擴(kuò)展。
2) MPI網(wǎng)絡(luò)通訊
PLC與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏都安裝在空壓機(jī)附近,二者距離較近,故從PLC到現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單,易于維護(hù),同時(shí)不增加額外的模塊,節(jié)省成本,F(xiàn)場(chǎng)觸摸屏采用嵌入式低功耗設(shè)計(jì),具有COM接口和USB接口,便于擴(kuò)展應(yīng)用。采用高亮度TFT液晶顯示屏以適于工作現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。
3.2 人機(jī)界面(HMI)
人機(jī)界面(HMI)的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面:中央控制計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏的人機(jī)界面設(shè)計(jì),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(jì)算機(jī)上采用西門子WinCC組態(tài)軟件來編輯人機(jī)界面,用來顯示空壓機(jī)的所有參數(shù)信息和故障報(bào)警信號(hào),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(jì)算機(jī)的人機(jī)界面發(fā)出控制空壓機(jī)啟停、主電源回路閉合斷開的命令。中央控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志,按時(shí)間記錄各種報(bào)警信息及故障發(fā)生時(shí)的操作信息,可進(jìn)行查詢和打印輸出。
圖2 人機(jī)界面組態(tài)圖
觸摸屏的人機(jī)界面采用HMIBuilder軟件來編輯實(shí)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(gè)方面:空壓機(jī)的可靠性和PLC控制系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于空壓機(jī)的可靠性前文已有所提及,即采用三個(gè)空壓機(jī)組,按主、備方式工作,以保證空壓系統(tǒng)的整體可靠性。
在實(shí)際生產(chǎn)過程中,空壓機(jī)每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行而不能停機(jī),這對(duì)PLC的可靠性提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。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(yùn)行時(shí)不受局部單一故障的影響, 可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù),同時(shí), 故障部件離線維修也不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行, 從而可達(dá)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(shí)還需專用的熱備模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)主系統(tǒng)的工作狀態(tài),以便及時(shí)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(shí)現(xiàn)控制權(quán)的切換, 多用于控制要求不十分嚴(yán)格的場(chǎng)合,靈活性強(qiáng),成本低。本例中,根據(jù)空壓系統(tǒng)的工作特點(diǎn),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(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)交換機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)PLC通訊,并監(jiān)控其工作狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)PLC配置相應(yīng)的通訊接口與中央控制計(jì)算機(jī)和各I/O模塊器通訊,兩套現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)相互獨(dú)立。中央控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控兩套PLC系統(tǒng),當(dāng)主系統(tǒng)中的任何一個(gè)組件出錯(cuò),控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)中執(zhí)行,系統(tǒng)控制器切換時(shí)將進(jìn)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(jì)
本例中,空壓機(jī)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面:遠(yuǎn)程監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)、PLC控制程序設(shè)計(jì)、冗余控制程序設(shè)計(jì)。
1) 遠(yuǎn)程監(jiān)控程序設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程監(jiān)控程序在中央控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行,其功能是讀取空壓機(jī)工作狀態(tài)參數(shù),發(fā)送空壓機(jī)的控制指令,實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)讀取和遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)的啟停等。
2) PLC控制程序設(shè)計(jì)
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(jìn)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(duì)空壓機(jī)的本地和遠(yuǎn)程控制,通過切換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的本地控制和遠(yuǎn)程控制。對(duì)于三組空壓機(jī),為合理利用設(shè)備,避免因長(zhǎng)時(shí)間使用同一組空壓機(jī),程序設(shè)計(jì)中可實(shí)現(xiàn)定時(shí)切換不同空壓機(jī),即一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后自動(dòng)切換三組空壓機(jī)的主從關(guān)系。當(dāng)檢測(cè)到管道內(nèi)壓力值低于一定水平時(shí),同時(shí)開啟三臺(tái)壓縮機(jī),當(dāng)壓力值高于一定水平時(shí),關(guān)閉輔助的空壓機(jī),主空壓機(jī)連續(xù)工作以維持管道壓力。當(dāng)空壓機(jī)有故障報(bào)警時(shí),自動(dòng)關(guān)閉當(dāng)前主空壓機(jī),同時(shí)啟動(dòng)備空壓機(jī),并在觸摸屏及中央控制計(jì)算機(jī)上顯示報(bào)警信息。
3) 冗余控制程序設(shè)計(jì)
冗余控制程序包括中央控制計(jì)算機(jī)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(shí)監(jiān)控主、備PLC系統(tǒng)的工作狀態(tài),以便及時(shí)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(jī)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(yǔ)
空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提高了工廠內(nèi)空壓設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度,降低了設(shè)備的維護(hù)成本,同時(shí),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(shí),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(jī)影響生產(chǎn)。
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