通过PLC/ S7-300建立空压机集中监控系统

摘要：本文主要讲述了如何通过西门子S7-300型PLC作为工控平台，并利用现代工业通讯技术对多台空压机设备进行有机的集成，从而实现空压机的自动联机运行和设备集中监控。从而提高了设备的自动化程度，改善和保障了生产质量工艺，并且有效地提高了空压机的运行效能。

关键词：空压机、PLC、MODBUS、通讯、监控。

中图分类号：G353文献标识码： A

一、引言

某厂动力车间目前共有四台40立方空压机，由美国寿力公司设计制造，主要负责向生产部门提供符合生产工艺要求的压缩空气。其压力指标的稳定，直接关系到生产设备相关功能的正常发挥。原来空压机组的控制方式采用就地分散式人工操作，由值班人员通过监控生产过程中压力的波动变化来现场操作空压机的启停，以保证合格压缩空气的供应。这种控制方式存在着反映滞后，操作不便，值班人员劳动强度大等缺点。因而频繁出现压缩空气超标的情况，对相关设备的正常功能运转造成了一定影响。车间空压站对压缩空气的指标要求范围是：6.4至7.2Bar。在改造前我们对空压机站的供气压力做过统计，在一个月的空压机压力统计当中平均每天波动幅度达0.89Bar。同时空压机组属于大功率电气设备，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，靠人工反应操作不能及时跟上空压机工作状态的实时变化，导致能耗大、运行成本较高。因此，建立一个操作方便、功能完善的自动集中监控系统，实现对四台寿力空压机组的远程群控功能，对于提高空压机组的工作效率，保证压缩空气压力值的稳定，降低设备能耗，有着重要的现实意义。

二、监控系统的构成

该车间4台寿力空压机为LS-25S螺杆式，主电机功率为220KW，供电电源为三相380V交流电源，每台寿力空压机均在本机上配置一个电脑操作面板，由工作人员在机台前通过操作面板对空压机进行现场操作。该操作面板除可在面板显示屏上显示空压机的运行状态信息外，还具备一个RS-485远程通信接口，支持MODBUSRTU通讯协议，为实现空压机组的集中监控提供了条件。

整个监控系统依托于西门子S7-300PLC为工控平台，实现整个系统的数据采集与群控功能。S7-300为西门子公司推出的中型PLC系统，具有模块化扩展功能，设计紧凑，适合最大输入、输出1000点左右的控制应用。其CPU中集成了各种中断能力，如时间中断、报警中断、循环中断等，同时具有强大的网络通信能力，支持MPI、PROFIBUS、ASI及工业以及网等多种通讯方式。S7-300系列PLC使用STEP7进行编程，是S7系列的主流产品。其数据的实时通信能力，I/O点控制功能与数量完全能够满足空压机群控功能的需要，并能与上位机构成一个完整的自动监控系统。该监控系统结构图如图1示：

（图1）

三、监控系统的功能设计与配置

1、PLC配置

首先对寿力空压机实现自动群控功能所需的I/O点进行选取与统计，然后依据其再进行PLC功能模块的选型与配置。根据空压机的运行工艺流程特点及相关控制功能的实现要求，对PLC系统的硬件配置如下：

（1）电源模块PS307：输入电压为220VAC，输出电压为24VDC，输出电流为5A，向其他PLC模块供电。

（2）CPU模块CPU314-2DP：它有一个MPI通讯口和一个DP通讯口，MPI口用于连接触摸屏，DP口用作调试程序时监视PLC程序的运行以及下载程序；并留作将来系统扩展时使用。

（3）数字量输入模块SM321：配置1块型号为DI32×DC24V的SM321模块，配合CPU模块采集四台空压机的运行状态信号。如：空压机就地/远方状态、冷冻干燥机就地/远方状态、空压机出气电动蝶阀开关状态、空压机及冷冻干燥机故障信号、空压机及冷冻干燥机运行状态、空压机负荷状态等。

（4）数字量输出模块SM322：配置1块型号为DO16×DC24V /0.5A的SM322模块，配合CPU模块输出PLC的控制信号如空压机及冷冻干燥机启动、停止、加载、卸荷、停车、出气电动蝶阀控制、放空阀控制等。

（5）模拟量输入模块：配置 5块型号为AI8×13Bitr SM331模块，配合CPU模块采集四台空压机运行状态中的各种模拟量信号。如：空压机电流、空压机过滤器出气压力、循环水出水温度、冷冻干燥机出气温度及出气压力、冷冻干燥机冷凝压力、冷冻干燥机蒸发压力、空压机电流、空压机主管道出气压力等。

（6）模拟量输出模块：配置1块型号为AO2×12Bit的SM332模块，用于阀门开启度等模拟量控制。

2、PLC程序设计

系统的控制要求如下：远方/本地转换开关位于就地位置时，为现场控制状态，通过现场的空压机电脑操作面板对其进行操作，上位机只能监测到空压机的运行状况而没有控制权限，以方便机器检修和维护。当远方/就地开关打在远方位置时，空压机转为由上位机进行远程控制状态，此时只有空压机本地操作面板上的急停按钮功能仍保持。保持急停按钮无论在远程还是本地都有效的原因，在于保证生产安全，防止出现紧情况下需要停车时，值班人员在本地无法停车再通知中控室人员所造成的时间滞后情况。

当系统处于自动运行状态时，PLC根据气压的变化来决定投入运行的空压机台数，维持气压能稳定在设定值一定范围内，以满足生产工艺的需要。并且依据空压机运行时间的长短使它们轮换工作。

1、PLC监控程序设计

开发环境为SIMATIC STEP7 V5.3 SP2编程软件包，它采用结构化程序设计，程序可读性强，调试和维护方便。

PLC控制程序主要具有以下功能：

（1）自动轮换运行。PLC根据供气主管道上压力变送器所检测到的压力值波动与设定值进行比较和综合判断，然后发出启动、停机、出气和放空电磁蝶阀开关等控制指令，监控空压机组自动运行，使得供气压力维持在设定的压力下限值和压力上限值之间。若气压低于压力下限值就增加空压机运行的台数，若气压高于压力上限值则减少空压机运行的台数，达到既满足生产工艺的需要、又可达到降耗节能的目的。

为了使空压机形成良好的循环运行周期，均衡设备运行时间，保证空压机能够及时停机休息、维护和保养，延长设备使用寿命。需要通过PLC程序根据设备运行时间建立四台空压机的循环停、开机序列，当需要增加空压机的运行台数时，PLC将启动总运行时间最短的空压机；当需要减少空压机的运行台数时，PLC将停止本次运行时间最长的空压机。

（2）延时启动和延时停机。PLC自身具有较强的抗干扰能力，但由于现场条件、电网、用风量等各种复杂因素的影响，电机电流、电机电压等受到干扰将产生误报警；如果总管压力的扰动发生在压力下限值或者压力上限值附近，将它们作为一般工状处理就会出现频繁启动、停机现象，影响设备的可靠性和使用寿命。因此，需要对发出动作指令的起因信号作适当的延时处理，以消除扰动，防止误动作。

（3）报警保护。通过上位机对空压机的运行状态中各种数据如：对电机电流、排气压力、进气负压、运行温度、油温、油滤压差等重要参数进行实时监控，出现异常及时通过声光报警设施进行故障报警，并作出处理。

三、通讯系统

通讯系统包括空压机电脑操作板与上位机之间的通讯，和PLC与上位机之间的通讯两部分。其中空压机与上位机之间的通讯主要负责将空压机运行时的内部状态数据传至上位机中，

1、空压机电脑操作板与上位机之间的通讯

空压机电脑操作面板通讯接口采用控制方便、设计简单的RS-485接口标准作为物理通信标准。RS-485标准要求采用两线制差分方式发送和接收数据，因此能够有效克服共模干扰、抑制线路噪声。根据实际情况，通信协议采用单主站多从站结构的Modbus协议，选用Modbus的RTU通讯模式。RS-485标准是总线的物理层标准，负责完成电平转换和数据收发；Modbus协议则构成了总线的数据链路层协议，规定了总线上传输的数据帧格式，为主站和从站之间传递数据提供通信规约，保证有效数据在主站和从站之间可靠传递，两者共同构成了RS-485总线。

由于上位机采用PC机，不具备RS-485通讯接口。无法直接在上位机与空压机电脑控制板之实现MODBUS通信协议的传输。因而为保证MODBUS RTU通讯模式的实现，在上位机与电脑控制板之间加入一个MOXA NPort 6110 485转以太网通讯网关。将物理通讯层由485总线转换为以太网，再通过上位机的以太网接口连至上位机上。由上位机作为主站，四台空压机做为从站，从而实现一主多从的MODBUSRTU的通讯模式。

NPort6110支持一个以太网和一个可软件选择的RS-232/422/485口来连接各种类型的支持MODBUS协议的设备。通过MODBUS/TCP（Ethernet）和MODBUS/ASCII/RTU（Serial）协议转换,带有以太网通讯接口的上位机可以使用RS-232/422/485接口来实现与空压机电脑操作板的无缝通讯。NPort6110允许用户对以太网和串口来配置主从设备。Windows Nort 6110工具软件安装方便并可监视传输流量。能够在局域网中自动搜索所有可能的NPort6110设备。当NPort6110连接到以太网上后，运行MODBUS网关配置器的上位机，可以自动搜索所有已经安装的MODBUS网关，然后进行配置。并且支持DHCP（IP自动设定）和手动IP设定。简单易用的Windows工具软件通过配置 10/100M快速以太网，一个可由软件设定的RS-232/485/422接口速率最高可达230.4KBPs 。

2、PLC与上位机之间的通讯

S7-300的CPU具备MPI接口，通过STEP7编程软件，可以进行通讯组态。通过在上位机中安装的CP5611通讯卡作为MPI连接器，建立PLC与上位机的通讯连接。MPI是多点接口（Multi Point Interface）的简称，S7-300/400 CPU都集成了MPI通信协议，MPI的物理层是RS-485,最大传输速率为12Mbit/s。PLC通过MPI能同时连接运行STEP7的编程器、计算机、人机界面（HMI）及其它SIMATIC S7、M7和C7。STEP7的用户界面提供了通信组态功能，使得通信的组态非常简单。

首先在STEP7中生成“MPI全局数据通信”的项目，在SMATIC管理器中生成1个站，其CPU为CPU314-2DP。在管理器中通过NetPro工具，显示出网络组态界面，然后打开CPU的属性设置对话框，设置MPI站地址。每个MPI节点都有自己的MPI地址（0～126），编程设备、人机接口和CPU的默认地址分别为0、1、2，用户也可以进行修改，各站的MPI地址不能重叠。在硬盘上保存CPU的配置参数，用PROFIBUS电缆连接MPI节点，用点对点的方式将它们下载到PLC的CPU当中。同时在上位机监控组态软件中对PLC的CPU的站地址和槽号及网卡进行相关参数的设置，添加SIMATIC S7通信协议，建立PLC与上位机的通信连接。

四、上位机配置

系统采用PC机作为上位机远程监控站。上位机监控界面采用基于计算机VB语言开发的人机界面组态软件，主要由监控画面、实时报表、历史数据、报警查询、远程控制和系统权限管理界面组成，监控画面如图3所示。

通过网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、运行时间、运行台数、运行加卸载状态、出气阀及放空阀开关状态、电机电流等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出提示消息并记录存储下来；在远程控制允许的情况下，值班人员还可以远程控制空压机。远程监控方便了值班人员的操作，提高了设备自动化水平，保证了压缩空气的及时稳定供应，为卷烟生产设备提供了良好的工艺保障。

五、结束语

由于现场设备只支持MODBUS通讯协议，因此采用了MOXA NPort 6110 485转以太网通讯网关，通过上位机与PLC的有机融合，构成了空压机的集成自控系统。实现了四台空压机设备自动联机运行。对于大量采用MODBUS通讯协议的自控设备具有现实的推广意义。现场调试和运行表明，该系统运行稳定，安全可靠，提高了空压机组的运行效率，实现了监控和管理的自动化。

我们将经过PLC系统集成后的空压机运行数据与项目实施前时行比较，平均每月压缩空气的压力波动值由原来的0.89Bar下降到0.53Bar，下降了40%，效果非常显著。对空压机的生产状况有了明显的改善，提高了设备的自动化程度和反映速度，稳定了工艺达标值，降低了运行损耗，减少了设备故障率。对进一步提高卷烟产品质量，实现以设备保工艺，以工艺保质量的目的起到了积极的促进作用。

参考文献：

1、《寿力工业空气压缩机LS-24S操作手册》

2、《S7-300/400PLC应用技术》，机械工业出版社。

3、《西门子工业网络通讯指南》，机械工业出版社。