PLC在空压机组监控系统中的应用

【摘 要】在煤矿生产中，随着风动机械的广泛应用，空气压缩机作为动力源，其可靠、安全性对矿井的安全和效益造成直接影响。目前空压机组控制方式原始、操作繁杂。且空压机组能耗大，长时间空载或轻载运行，致使浪费电能、磨损机器、增高运行成本。而FX2N系列 PLC具有较高的性价比，本系统运行稳定，可靠安全，操作简便的特点，如将其应用于煤矿的空压机组监控，就能提升空压机组的运行效率，并实现自动化监控和管理。

【关键词】PLC 触摸屏 空压机

1 引言

在煤矿生产中，随着风动机械的广泛应用，空气压缩机作为动力源，其可靠、安全性对矿井的安全和效益造成直接影响。目前空压机组控制方式原始、操作繁杂。且空压机组能耗大，长时间空载或轻载运行，致使浪费电能、磨损机器、增高运行成本。因此，急需一款操作简便、功能完备的集控系统，对空压机组进行监控，提升空压机组的效率，降低损耗，延长寿命，具有重要的现实意义。

2 监控系统的构成

空压机房有三台OGFD-22.2/8型单螺杆空压机，主电机功率132千瓦，电压380伏， 转速1485转/分，排气量22.2立方米/分、排气压力0.7兆帕。空压机均配有主控器、交流接触器及继电器和操作显示面板，通过面板，可以进行单台空压机的启停、查询运行状态及设置运行参数等近控操作。另外，主控器配有一个RS-485通讯接口并支持自由协议，为实现空压机组的集控提供了必要前提条件。

2.1 PLC配置设计

系统选用三菱FX2N系列PLC实现集控。硬件配置如下：（1）FX2N：运算和处理的核心，内置8K容量的RAM存储器。可连接输入输出扩展及特殊功能模块。1个编程接口与触摸屏通讯，1个通讯接口通过485BD与主控器通讯。（2）FX2N-2AD：模数转换模块用于将2点模拟输入转换成12位的数字值，输入到PLC中。根据接线，可在电压或电流输入中选择。两个通道均可接受0-10V、0-20MA或4-20MA信号。使用FROM/TO指令与PLC进行数据传输。（3）FX2N-485BD： 通讯模块，符合RS-485、RS-422规格，支持用户协议。

2.2 触摸屏配置设计

系统采用普洛菲斯触摸屏作为车间集控站。它具有强大的数据采集和管理功能并可通过图形和菜单的界面查询空压机的实时数据、状态，设置空压机的时间及压力等参数，查阅历史数据及报警信息，并设定空压机是否远控。

2.3 上位机配置设计

系统采用工控机作为上位机远程监控站。利用光线环网实时监控空压机状态，查询压力、温度、运行时间、电机电压、电流及功率等数据，记录及存储历史数据，提供数据查询和打印。并在设备有动作或出现故障时弹出消息、记录存储；远控方式下，还可对空压机远程控制。

3 通讯系统的构成

3.1 现场设备通讯

PLC和主控器之间采用RS-485通讯。通过一根屏蔽双绞线RS-485采用平衡发送和差分接收方式传输，具有显著的共模干扰抑制能力。

PLC设为的主站，3个主控器设为的从站，从站都分配唯一的地址，主站和从站的波特率统一设置为96kbps。通讯时，主站先呼叫从机地址，唤醒从机后，主、从站之间进行数据交换。而未被呼叫的从站则继续其工作。完整的通讯分为3个阶段：主站询问、从站应答和链路释放。主机询问阶段，主、站通过帧的形式将从站地址码、命令、数据和校验码传送到指定从站；从站应答阶段，从站解释接收的命令码，并组织相应帧信息回送到主站；链路释放阶段，从站清除接收缓冲区及相关变量，准备与主站下次通信。任何完整的通讯均由主站发出，从站在被主站寻址前均处于侦听状态，从站在接收到地址码的第2个字节后，立即判断是否寻址本站，如果是.继续接收其余的数据，否则不与理睬。系统中用到的RS指令，读取主控器的寄存器。PLC发出RS命令帧，地址匹配的主控器就会做出响应，将存储在寄存器中的空压机运行信息组成应答帧发送至PLC。重复上述过程，PLC即可循环采集空压机组的运行信息。

控制信号由PLC通过485BD发出，经过RS485总线传输到主控器，再由主控器控制空压机的控制继电器。

3.2 触摸屏通讯

PLC和触摸屏之间的通讯通过编程电缆连接PLC的编程口和触摸屏的RS-485通信口.组态时对相关通讯参数如所要连接PLC地址等进行定义，将波特率设置为96kbps进行简单的组态操作即可实现通讯。

3.3 上位机通讯

触摸屏与上位机的通讯，触摸屏采用以太网模块接入光线环网，上位机通过环网实现远程监控功能。接口为工业Ethernet，通信速率为100Mbps，设置触摸屏和上位机的IP地址。

4 软件设计

系统的控制要求如下：远、近控方式选择为近控的空压机，仅受主控器控制，为现场检修和维护提供方便，此时PLC仅采集主控器数据，不控制空压机；远、近控方式选择为远控而未设中控时，由PLC集中监控机组，PLC根据风压的变化来确定运行的台数，稳定风压，以满足井下用风需要，并依据运行时间轮换压风机运行；当触摸屏的中控设置无效时，上位机只能监测到空压机状态而无控制权限，当中控有效且远、近控方式选择为远控时，空压机将只受上位机远控。

4.1 PLC监控程序设计

开发环境为GX Developer编程软件。

PLC控制程序主要具有以下功能：（1）自动轮换运行。PLC根据rs485采集的信号判断，发出启停、加载、卸荷、报警等控制信号，监控空压机组自动运行，确保总管压力维持在设定的压力上、下限值之间。若风压高于压力上限值则减少运行的台数，若风压低于压力下限值就增加运行的台数，达到既降耗节能、又满足井下需风量的目的。空压机连续运行后，为了保证机器完好需要停机散热。因此，需要空压机多机轮换，保证其安全运行，延长寿命。PLC根据运行时间将空压机进行排序，建立开、停机序列，当需要减少台数时，PLC让此次运行时间最长的空压机停止；当需增加台数时，PLC让运行时间最短的空压机启动。（2）延时停机和延时启动。PLC虽然具有较强的抗干扰能力，但由于现场各种因素的影响，电机电流、电压等易受到干扰而产生误报警；当总管压力在压力上、下限值附近发生扰动，就会出现频繁启、停现象，对设备可靠性和使用寿命造成影响。因此，需对信号适当的延时反应，以消除扰动，防止误动作。（3）智能保护。空压机主电机启动时，启动电流为额定值的5至7倍，冲击电网和设备，并影响空压机使用寿命，故空压机不宜频繁启动。为了准确判断用风状况，并据此控制空压机的启动。井下用风高峰时空压机启动频繁，当两次启动间隔小于设定值时，空压机保持运转，当连续两次加载间隔较长时，视为用风高峰已过，空压机间歇运行。另外，对电机电流、电压、排气压力、空压差、排气温度、油气分压差、油压差等参数进行实时监控，出现异常及时报警并处理。

4.2 触摸屏人机界面设计

采用与普洛菲斯触摸屏配套的组态软件设计界面。画面包括：（1）主画面：显示空压机组的运行状态及参数。（2）数据报表：实时数据显示汇总。（3）运行设置：远程控制设置；启动、停机，加载、卸荷的压力阈值设置；时间、报警设置等。（4）报警查询：报警详情查询。（5）系统管理。

4.3 上位机监控程序设计

上位机监控软件选用InTouch组态软件。由监控画面、实时报表、历史数据、报警查询、远程控制及系统管理等界面构成。

5 结语

FX2N系列 PLC具有较高的性价比，本系统运行稳定，可靠安全，操作简便，提升了空压机组的运行效率，实现了自动化监控和管理。不仅可应用于煤矿的空压机组监控，也可普及推广到其他场合。

参考文献：

[1] 基于plc的多组空压机组远程监控系统[M].压缩机技术，2004.

[2] 空压机集中控制及在线监测系统的研究及应用[M].中国矿业，2012.

[3] 矿井压风机控制系统的研究及应用[M].煤矿安全，2008.