基于S7-300 PLC的煉鋼廠空壓機實時監測與控制系統設計

趙 斌，戚新波,2

（1. 河南機電高等專科學校，新鄉 453002；2. 華中科技大學，武漢 430074）

基于S7-300 PLC的煉鋼廠空壓機實時監測與控制系統設計

趙 斌1，戚新波1,2

（1. 河南機電高等專科學校，新鄉 453002；2. 華中科技大學，武漢 430074）

0 引言

在冶金企業中，空壓站建設是一項重要的輔助工程。空壓站是由空氣壓縮機，配套過濾器，儲氣罐，連接管道和閥門等器件組成的供氣系統。提供穩定的氣源壓力及供氣流量是空壓站的基本任務。空壓機是空壓站的核心設備，其安全與高效的運轉是保證空壓站正常工作的前提條件。

早期的空壓機控制多為繼電器線路，易老化，靈敏度低，長期運行后會經常出現停機故障，給正常生產造成影響。采用可編程控制器(PLC)對空壓機控制，克服了傳統的繼電器控制線路的不足，可以完成對開關量和模擬量的控制，滿足了系統對控制穩定性和準確性的要求。

1 系統控制內容

根據實際生產需要，本系統可以實現以下控制功能[1]。

1.1 多種運行模式

該套控制系統有以下3種運行模式：

1）PLC自動運行模式

在該控制方式下，PLC根據總線采集的信號進行綜合判斷，然后發出啟動、停機、加載、卸荷等控制指令，自動判斷當前投入/切除系統中的空壓機臺數，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，既滿足用氣需要，又可以降耗節能。

空壓機不能連續運行，需要進行輪換工作，以保證其安全可靠工作。PLC根據設定的工作時間，建立開機序列和停機序列，經過運算處理，從而對運行中的空壓機進行加載、卸荷或切除/投入系統工作。

2）手動運行模式

該控制方式通過就地操作臺按鈕獨立控制每臺空壓機的啟動或停機。

3） 遠程監控運行模式

在該控制方式下，通過操作監控室內上位工控機系統來控制各空壓機的運行。系統對操作員有權限管理，只有有一定權限的操作員才可進行遠程操作。

1.2 生產過程的監控

整個工藝流程實現自動控制并對現場生產設備的運行狀況進行實時動畫模擬，對生產過程中的主要參數進行實時動態顯示。

1）能夠自動采集、顯示空壓機的各種運行參數，控制空壓機運行。

2）能夠根據檢測到的信號判斷空壓機的工作狀況，發生故障時能及時發出報警信號，并根據故障類型判斷是否停止空壓機運行。

3）能夠通過PLC及控制網絡采集現場設備開/停及故障狀態、電動機電流、電壓等實時數據。

4）具有啟動、停止、正常停車、故障停車、緊急停車、預告、保護及故障報警功能。

2 系統的整體設計

2.1 系統的硬件設計

基于S7-300 PLC的空壓機監控系統結構如圖1所示，由1臺上位機站、6臺PLC站和檢測電路等組成。

上位機由工控機、打印機等組成，主要負責所有空壓機遠程參數和報警信息的監視、記錄，運行參數設置及數據處理、查詢及報表打印等功能。

圖1 空壓機監控系統結構圖

6臺PLC站分別負責5臺空壓機的報警停車控制和整個系統的工藝參數監測。本系統選用西門子S7-314PLC作為監控核心。S7-300系列PLC模塊齊全、擴充方便、通信能力強、運行穩定可靠等優點，特別適合用于工業環境及電氣干擾環境的特點。[2]系統的網絡結構為MPI多點接口網絡，由于S7-300系列的CPU模塊內置MPI接口，無需附加任何硬件便可很方便組成網絡，簡便實現了系統的數據通訊。采用這種網絡結構，各個PLC站可以獨立使用，及時上位機出現故障，PLC仍能正常工作，極大提高到了系統的穩定性。

每臺空壓機就地安設ET200M遠程I/O單元，通過PROFIBUS-DP與CPU連接，進行溫度、壓力等信號的采集。檢測電路主要由傳感器實時采集現場信號，并將其轉換為標準電信號傳送給CPU。本系統中每臺空壓機測量10個狀態參數，其中采用PT100傳感器進行溫度檢測，包括一級排氣溫度、二級排氣溫度、風包溫度、潤滑油溫、冷卻水出水溫度，PT100傳感器在電路中輸出0～5V電壓信號；采用GPT型壓力傳感器進行各種壓力檢測，包括一級排氣壓力、二級排氣壓力、潤滑油濾后油壓、主機進水壓力、后冷卻器進水壓力，GPT型壓力傳感器在電路中輸出4～20mA的標準電流信號。這兩種傳感器性能可靠、壽命長，配以二線制RVVP電纜單獨傳送信號，進一步提高了整套系統的可靠性[3]。

2.2 系統軟件設計

下位機編程軟件采用西門子公司的SIMATIC STEP7 V5.2，它是用于SMATIC S7-300/400、C7 PLC基于PC控制產品的組態、編程和維護的項目管理工具。通過STEP7，用戶可以進行系統配置和程序編寫、調試，以及在線診斷PLC硬件狀態、控制PLC和I/O通道的狀態等。

圖2 主程序流程圖

下位機軟件設計主要是PLC監控程序的設計，該程序設計也是空壓機監控系統軟件設計的重要部分。本系統采用模塊化結構程序方式編程，可讀性強，方便調試和維護工作，又能使數據庫結構統一。程序主要分為通信子程序、空壓機控制子程序、數據處理子程序、保護功能處理子程序等。空壓機控制子程序流程如圖3所示。

圖3 上位機監控界面

組態軟件采用西門子公司的WinCC V6.0，是一個通用的、全面開放的系統,它可用于自動化領域中所有的操作員控制和監控任務，它提供了基于全面開放式接口的解決方案，具有標準的應用程序接口。WinCC可將生產過程中的狀態，以圖像、文字、曲線等形式表達出來，可以將所發生的事件、過程數據記錄下來，供歷史數據查詢，還可以進行組態打印報表。上位機監控界面主要由監控畫面、實時報表、歷史數據、報警查詢、遠程控制和系統管理界面組成，如圖3所示[4]。

3 結束語

本系統采用西門子S7-300 PLC技術，實現了對多臺空壓機的各種參數的集中監控與綜合保護，其功能強、性能穩定、故障率低。該系統已在豫北某鋼鐵集團公司煉鋼三廠成功應用，能夠實時監控空壓機運行狀況，自動采集其各種參數，成功實現了空壓機的報警、故障自動停車及自動卸荷等功能，極大提高了系統運行的可靠性。其完善的故障判斷功能，為操作人員迅速排除故障提供了方便，提高了煉鋼的安全生產、信息化和自動化程度。

[1]石進水.基于S7-300 PLC的空壓機監控系統的設計[J].常州:工礦自動化,2009,(2):51-53.

[2]西門子(中國)有限公司.西門子S7-300參考手冊[M].2005.

[3]李偉生.空壓機綜合保護控制系統的應用[J].唐山:水利采煤與管道運輸,2008,(1):49-52.

[4]西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團. 深入淺出西門子WinCC6.0[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004:11-25.

The design of air compressor in steelmaking plant real-time monitoring and control system based on S7-300 PLC

ZHAO Bin1, QI Xin-bo1,2

本文利用西門子組態軟件WinCC及S7-300 PLC實現了煉鋼廠空壓機組的自動控制。對該控制

系統的硬件組成、網絡結構、系統功能及特點，系統實時監測的實現等，均作了具體的分析和設計。該系統集成了自動控制和遠程監控的優點，并保留了現場的手動電氣控制，使得系統的運行更加靈活穩定。系統自運行以來，各項功能正常，達到了設計的要求。

WinCC；PLC；空壓機組；自動控制

趙斌（1977 -），男，河南新鄉人，講師，碩士，研究方向為控制工程及應用。

TP277

A

1009-0134(2011)5(上)-0014-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).05

2010-11-25