PLC與組態軟件在空壓機氣源測控系統中的應用

鄧旭

摘 要 本文介紹了一種上位機組態軟件采用Win CC（Windows Control Center）V6，下位機采用西門子S7-300系列PLC的空壓機氣源測控系統，分析了該測制系統的系統功能結構、軟硬件配置等要點，探討了該氣源測控系統上位機與PLC的通訊方式。

關鍵詞 PLC；組態軟件；測控系統；空壓機

中圖分類號 TP39 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0213-02

本文介紹了某單位一次空壓機氣源測控系統改造項目，該項目基于PLC、組態軟件Win？CC和PROFIBUS通信協議的遠程測控系統。該氣源測控系統主要用于對氣源系統中6臺空壓機機組的運行狀態、壓力、溫度、振動量、故障報警等信號實施集中監控，并可實現對設備進行遠程控制。現場投運幾個月來運行狀況良好，達到預期的要求。

1 系統功能

1.1 數據的采集及趨勢分析系統

數據的采集及趨勢分析系統主要對設備的溫度、壓力、流量、振動量和位移量等工藝參數進行檢測、記錄和分析。通過安裝在現場的傳感器將采集到的模擬量信號送入PLC模擬量輸入模塊，傳至空壓機氣源總測控系統，可實現實時在線監控。溫度信號采用電阻信號，其溫度傳感器選用PT100？A級鉑電阻，鉑熱電阻傳感器的主要特點是：測量精度高，性能穩定。壓力信號采用4-20mA的標準信號，壓力傳感器選用壓力檢測和信號變送于一體的電容式壓力傳感變送器，選用電容式壓力傳感器是基于其具有靈敏度好，測量精度高，穩定性好，工作溫度范圍寬、使用方便且適用于全天候的特點。振動量和位移量測量采用電渦流傳傳感器，通過變送器后，可變為4-20mA的標準信號，可更加準確的監測設備的運行狀態。

1.2 報警及聯鎖保護系統

為了保護空壓機在運行時安全可靠，報警及聯鎖保護系統對機組各項運行參數（如壓力、溫度、流量等）都設有報警值，對涉及到機組安全的參數（軸承溫度、軸承振動等）設有聯鎖保護停機值。通過對機組的設備狀態及機組各項參數的行實時監控，當設備出現異常時，系統發出低限或高限報警后，監控面板報警燈亮，相應參數儀表顯示變為紅色并閃爍，提醒現場運行人員注意；當涉及到機組安全的參數達到聯鎖保護停機值當時，系統將打開防喘閥，保護停機。為加強系統的安全性，防止系統參數被隨意修改，本系統設置了登錄密碼和報警域修改權限。

1.3 遠程控制功能

氣源系統各機組的啟動/停機、加載/卸載控制信號通過控制繼電器對設備進行操作，以儲氣罐壓力為依據，根據控制程序中設定總管壓力閥值調節電磁閥，進行氣量調節；根據用氣流量的不同，可隨機選擇機組運行。以1號空壓機組為例，在開機啟動前，潤滑油系統、冷卻水系統滿足開機啟動條件后，方可進行啟動機組，在此采用聯鎖控制，條件不滿足時，機組無法開啟。當壓縮機空載啟動進入正常運行狀態后，按下加載按鈕，壓縮機進入到負荷運行狀態。壓縮機根據儲氣罐壓力自動調節電磁閥1、2加載狀態，使儲氣罐壓力穩定在0.7MPa左右，具體控制如下：當儲氣罐壓力值低于0.68MPa時，壓縮機處于100%加載狀態，電磁閥1、2處于加載狀態；當儲氣罐壓力值在0.72MPa到0.74MPa之間時，壓縮機處于50%加載狀態，電磁閥1處于加載狀態，電磁閥2處于卸載狀態；當儲氣罐壓力大于0.74MPa時，壓縮機處于0%加載狀態，電磁閥1、2處于卸載狀態。

1.4 顯示功能

該系統采用PC機作為上位機，主要包含主操作界面、輔操作界面、測點清單界面、實時趨勢界面、歷史趨勢界面、報警界面、數據報表界面、參數設置界面、電動閥控制界面。

1.5 報表打印功能

本系統可從歷史數據庫中提取完整的歷史趨勢圖，并可以以報表的形式打印出來，以便記錄和保存。

2 系統構成

本系統是基于PROFIBUS-DP現場總線的分布式控制系統。分布式控制系統是以工業級計算機為核心，集成單元組合儀器及微處理器的優點，可充分利用計算機技術、控制技術、通信技術及圖像處理技術的應用成果來完成所要求的控制系統設計，其特點是：集中管理、分散控制。控制系統總體可分為：檢測與執行級、下位控制級、上位管理監控級，測控系統架構圖。

2.1 檢測與執行級

檢測與執行級：指現場信號測量單元與設備執行單元。主要包括溫度、壓力、流量、震動、轉速等參數測量和電磁調節閥、氣動調節閥等設備的控制。傳感器模塊采用標準線性電源供電，并通過標準電流信號進行傳輸，采用屏蔽電纜將變送器的模擬信號傳輸到PLC的模擬量輸入模塊。調節閥的到位信號、設備的運行狀態等數字量信號傳輸到PLC的數字量輸入模塊。

2.2 下位控制級

下位控制級和檢測與執行級，不僅可直接顯示現場設備的實時測量值，還負責控制現場各執行機構的運行。本系統采用SIEMENS的S7-300系列模塊，S7-300是西門子模塊化機架結構中型PLC，該模塊具有安裝密度高，擴展靈活，運行速度快，無槽位限制，可通過Windows？STEP7編程軟件進行編程。考慮到該測控系統輸入輸出的點數較多，因此本系統采用具有可擴展導軌的313C-2DP，具體硬件配置如下：

1）電源：PS307？10A？DC24V，型號為6ES7？ 307-1KA01-0AA0。

2）CPU模塊：313C-2DP，型號為6ES7？313-6CF03-0AB0。

3）1個DI模塊：DI16×DC24V，型號為6ES7？ 321-1BH02-0AA0。

4）1個DO模塊：DO16×DC24V/0.5A，型號為6ES7？ 322-1BH01-0AA0。

5）3個AI模塊，其中1臺為AI8×12Bit，型號為6ES7？331-7KF02-0AB0。

6）2臺為AI8×RTD，型號為6ES7？331-7PF01-0AB0。

7）1個AO模塊：AO4×12Bit，型號為6ES7？ 332-5HD00-0AB0；8）存儲卡（MCC）：128KB，型號為6ES7？953-8LG11-0AA0。

PLC的編程軟件采用SIEMENS？SIMATIC？STEP7？ V5.2，該編程軟件為結構化編程。由于該系統功能較多，程序量大，為程序調試方便，本程序采用OB1統一調用幾個FC子程序。CPU啟動完成后，操作系統循環執行OB1，OB1執行完成后，操作系統再次啟動OB1，其他子程序可由OB1調用。子程序有數據采集處理、報警參數及保護停機值設定、故障報警輸出等。

2.3 上位管理監控級

本系統監控層采用Win？CC組態軟件，它承擔數據管理、數據采集及報警、歷史數據記錄、中文報表及報表打印等工作，在中央監控室設有操作員工作站，操作員通過操作終端詳細了解現場設備運行情況，并可下達操作控制指令，指揮現場設備運行，實現空壓機氣源系統在線監測。

3 Win CC與PLC的通訊

根據需要，本空壓機氣源測控系統上位機與PLC的通信方式選用PROFIBUS協議，硬件選用SIEMENS？ CP5611通訊卡。具體實現步驟如下：

1）SIEMENS？CP5611通訊卡的安裝和設置。首先將SIEMENS？CP5611通訊卡插入計算機上并固定好，重啟計算機，在PC？機的控制面板中擊“設置？PG/PC？接口”圖表，彈出窗口中就會顯示已安裝的通訊卡。

2）添加通訊協議驅動。通訊卡安裝完成后，打開Win？CC軟件，在Win？CC變量管理中添加新的驅動程序“SIAMTIC？S7？protocol？suite.chn”，將SIAMTIC的S7通訊協議集添加到“變量管理”項下。SIAMTIC的S7通訊協議集包括在不同網絡上應用的S7協議，如工業以太網協議、PROFIBUS協議，MPI協議，以及TCP/IP協議等。

3）通訊連接參數設置。選擇PROFIBUS通訊驅動并按右鍵選“系統參數”進入系統參數設置界面。

4）建立通訊連接及連接設置。在PROFIBUS通訊協議并按右鍵選擇“新驅動程序的連接”建立一個連接。本測控系統連接共有3個CPU，每個CPU都需與Win？CC建立一個連接。在建立通訊連接后，需要修改每個連接的屬性。在連接設置中，站地址是PLC的地址，機架號是CPU所處的機架號，插槽號是CPU的槽位號，連接S7-300？CPU時槽號都是2。當完成這些設置工作之后，PLC與Win？CC的通訊連接就建立起來。

5）通訊故障診斷。當通訊連接出現問題時，可利用PROFIBUS總線排查軟件ProfiTrace偵聽總線上的通訊報文，發現主站與從站通信是否正常，周期數據交換是否正常；并對通訊硬件設備進行排查，檢查網卡安裝是否正確，通訊電纜是否破損，現場總線是否存在電磁干擾以及終端電阻接入是否存在異常。

4 結論

基于PLC和和Win？CC組態軟件的空壓機氣源測控系統，可以根據總管壓力的情況，實現機組的自動加載和卸荷，并可實現遠程控控，實時監測空壓機組運行狀態。該系統自在某單位空壓站運行以來，系統穩定，自動調壓正常。

參考文獻

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[2]深入淺出西門子Win CC V6[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.SIMATIC Win CC通訊手冊.