1、引言
在煤礦采煤生產中，空氣壓縮機(簡稱：空壓機)主要負責向礦井大量的風動機械提供動力，其工作的可靠性和安全性直接影響著礦山的正常生產和經濟效益。目前大部分空壓機組存在著控制方式落后、操作不方便的問題。控制回路大多為繼電器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人員24小時值守，值守人員根據井下用風量的需求手動啟動或者停止空壓機，并且定時巡檢、記錄運行狀況。另外，空壓機組耗電量很大，其中有相當長時間是在空載或輕載狀態下運行，導致能耗大、機器受損嚴重、運行成本較高。因此，設計一個操作方便、功能完善的全自動集中監控系統，對空壓機組進行監控和保護，提高空壓機組的工作效率，降低能耗，延長使用壽命，有著重要的現實意義。
2、監控系統的構成
本項目空壓機房有五臺CompAir L250型噴油
螺桿式空壓機，主電機功率為250kW，供電電壓為6000V， 轉速為1485rpm，自由排氣量為42.7m3/min、最大排氣壓力為7.5×105Pa。每臺空壓機都配有本體控制器Delcos3100，通過Delcos3100控制器的操作面板，操作人員可以就地控制單臺空壓機的啟停、查看運行狀況、設置運行參數等。另外，Delcos3100控制器留有一個RS-485通信接口，支持Modbus RTU協議，為實現空壓機組的集中監控提供了條件。系統結構圖如圖1所示。
圖1 系統結構圖
2.1 PLC配置設計
系統選用西門子公司的S7-300 PLC實現集中監控。S7-300 PLC為模塊化結構，具有模塊齊全、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。根據系統控制要求并考慮留有一定的裕量，PLC的硬件配置如下：
（1）電源模塊PS307：輸入電壓為220VAC，輸出電壓為24VDC，輸出電流為5A，向其他PLC模塊供電。
（2）CPU模塊CPU315-2DP：系統中信息的運算和處理的核心，內有48KB隨機存儲器和80KB裝載存儲器，每執行1000條指令約需0.3ms，最大可擴展1024點數字量或128個模擬量通道。它有一個MPI通訊口和一個DP通訊口，MPI口用于連接觸摸屏，DP口用作調試程序時監視PLC程序的運行以及下載程序；并留作將來系統擴展時使用。
（3）數字量輸入模塊SM321:配置3塊型號為DI16×24VDC的SM321模塊，采集向空壓機供電的五臺高壓開關柜的狀態信號(如：高壓允許、高壓故障、合閘反饋、分閘反饋、小車就位等)、與五臺空壓機相對應的五個手自動轉換開關和五個緊急停止按鈕的狀態信號。
（4）
數字量輸出模塊SM322:配置2塊型號為DO16×24VDC/0.5A REL的SM322模塊，輸出PLC的控制信號如啟動、停止、加載、卸荷、急停等，控制空壓機運行。
（5）通信模快CP341：CP341模塊是串行通訊處理器模塊，硬件接口可采用RS-232C或TTY或RS-422/485方式，集成了3964(R)、RK512、ASCII通訊協議，并且支持用戶加載協議。系統選用接口為RS-485標準的CP341模塊，并在CP341通訊模塊中插入Modbus主站Dongle模塊加載Modbus協議，使CP341模塊成為Modbus主站。CP341模塊利用基于RS-485
總線的Modbus協議，與五個作為Modbus從站的Delcos3100控制器進行通訊，采集Delcos3100控制器中存儲的空壓機運行狀態信息。
（6）通信模快CP343-1：CP343-1是用于連接工業以太網的通訊處理器模塊，將PLC系統接入以太網，負責PLC和上位機之間的通訊。
2.2 觸摸屏配置設計
系統采用西門子TP270-10型觸摸屏作為車間級的集中監控站。它是基于標準操作系統Microsoft Windows CE的多功能人機交互界面，具有強大的數據采集和管理功能，穩定可靠，界面友好，圖形顯示，操作和管理方便。操作人員可以通過圖形和菜單的方式查看空壓機的運行狀態及實時數據，設定空壓機的壓力、時間等運行參數，查看系統的歷史數據、故障報警信息，并可設置是否允許上位機遠程控制空壓機。觸摸屏直觀顯示了空壓機組的運行狀況，操作方便快捷，避免了定時巡檢記錄的煩瑣工作，大大提高了工作效率和管理水平。
2.3 上位機配置設計
系統采用PC機作為上位機遠程監控站。通過網絡在線監視空壓機的運行狀況，查看壓力、溫度、運行時間、電機電壓、電機電流、輸出功率等實時數據，記錄并存儲歷史數據，提供數據的查詢和打印功能。當現場設備有動作或者出現故障時能夠彈出提示消息并記錄存儲下來；在遠程控制允許的情況下，值班人員還可以遠程控制空壓機。遠程監控方便了調度，提高了管理自動化水平，是煤礦信息化發展的需要。
其他元件包括手自動轉換開關、緊急停止按鈕、聲光報警器等。
3、通訊系統的構成
系統中的通訊包括三個部分。
3.1 現場設備通訊
PLC和Delcos3100控制器之間的通訊[4]采用控制方便、設計簡單的RS-485接口標準作為物理通信標準。RS-485標準要求采用兩線制差分方式發送和接收數據，因此能夠有效克服共模干擾、抑制線路噪聲。根據實際情況，通信協議采用單主站多從站結構的Modbus協議，選用Modbus的RTU通訊模式。RS-485標準是總線的物理層標準，負責完成電平轉換和數據收發；Modbus協議則構成了總線的數據鏈路層協議，規定了總線上傳輸的數據幀格式，為主站和從站之間傳遞數據提供通信規約，保證有效數據在主站和從站之間可靠傳遞，兩者共同構成了RS-485總線。
CP341模塊設置為總線的主站，五個Delcos3100控制器設置為總線的從站，每個從站分配唯一的地址，主站和從站的通訊速率統一設定為76.8kbps。工作時采用命令/應答的通訊方式，每一種命令幀都對應著一種應答幀，Modbus協議為命令幀定義了許多功能碼，不同的功能碼要求從站進行不同的響應。系統中用到的功能碼為0x03，即讀取Delcos3100控制器的寄存器。CP341模塊發出功能碼為0x03的命令幀，地址匹配的Delcos3100控制器就會做出響應，將存儲在寄存器中的空壓機運行信息（壓力、壓差、溫度、電壓、電流、載荷狀態、運行時間、故障信息等）組成應答幀發出至CP341模塊。重復上述過程，CP341模塊即可實現輪循采集空壓機組的運行信息。
CP341模塊下發的命令幀格式如圖2所示。
圖2 命令幀格式
在命令幀中，寄存器起始地址是告訴Delcos3100控制器，CP341模塊要讀取的寄存器的起始地址；寄存器數是指從起始地址開始連續讀取的寄存器值的個數；CRC校驗是指對從站地址及其以后部分在命令幀中所占的字節數進行CRC-16校驗所生成的校驗碼。
Delcos3100控制器上傳的應答幀格式如圖3所示。
圖3 應答幀格式
在應答幀中，字節數是指主站要求從站發送的內部寄存器數據的字節數，寄存器1、2…n是指發送的各寄存器的內容，CRC校驗與命令幀中的含義相同。
最后需要說明的是，RS-485總線僅用作數據采集，控制信號由PLC的數字量輸出模塊SM322輸出，經過信號線傳輸到空壓機自身的
控制繼電器，這是由現場的實時性要求決定的。如果控制信號也由CP341模塊發出，就需要經過RS-485總線傳輸到Delcos3100控制器，再由Delcos3100控制器控制空壓機的控制繼電器；而采用硬接線的方式直接傳送控制信號到空壓機的控制繼電器，就大大縮短了系統的控制響應時間；同時，RS-485總線能夠以更快的速度采集實時數據。
3.2
觸摸屏通訊
PLC和觸摸屏之間的通訊二者均為西門子的產品，通過MPI電纜連接PLC的MPI通信口和觸摸屏的RS-485通信口.組態時對相關通訊參數如所要連接CPU的MPI地址和槽號等進行定義，選擇接口類型為MPI，將波特率設置為187.5kbps進行簡單的組態操作即可實現通訊。
3.3 上位機通訊
在PLC和上位機之間的通訊中，PLC通過以太網模塊CP343-1接入工業以太網，上位機通過網絡實現遠程監控功能。選擇接口類型為工業Ethernet，通信速率為100Mbps，設置PLC和上位機的IP地址。
4、軟件設計
系統的控制要求如下：手自動轉換開關為手動狀態的空壓機，僅受其Delcos3100控制器控制，以方便機器檢修和維護，此時PLC只能采集該Delcos3100控制器中的數據而不能控制空壓機；手自動轉換開關為自動狀態且遠程控制無效的空壓機，將由PLC進行集中監制，PLC根據風壓的變化來決定投入運行的空壓機臺數，維持風壓能夠滿足井下用風的需要，并且依據空壓機運行時間的長短使它們輪換工作；當觸摸屏上的遠程控制設置無效時，上位機只能監測到空壓機的運行狀況而沒有控制權限，當遠程控制有效且手自動轉換開關為自動狀態時，空壓機將只受上位機遠程控制。
4.1 PLC監控程序設計
開發環境為SIMATIC STEP7 V5.3 SP2編程軟件包，它采用結構化程序設計，程序可讀性強，調試和維護方便。單臺空壓機的主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
PLC控制程序主要具有以下功能：
（1）自動輪換運行。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、報警等控制指令，監控空壓機組自動運行，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。若風壓低于壓力下限值就增加空壓機運行的臺數，若風壓高于壓力上限值則減少空壓機運行的臺數，達到既滿足井下用風需要、又可以降耗節能的目的。
空壓機連續運行8小時后機身溫度會很高，需要停機休息，用于散發自身的熱量，以保證機器不受損傷。因此，空壓機需要進行輪換工作，以保證空壓機安全可靠運行，延長設備使用壽命。PLC根據運行時間將受控于PLC的空壓機進行排序，建立開機序列和停機序列，當需要增加空壓機的運行臺數時，PLC將啟動總運行時間最短的空壓機；當需要減少空壓機的運行臺數時，PLC將停止本次運行時間最長的空壓機。
（2）延時啟動和延時停機。PLC自身具有較強的抗干擾能力，但由于現場條件、電網、用風量等各種復雜因素的影響，電機電流、電機電壓等受到干擾將產生誤報警；如果總管壓力的擾動發生在壓力下限值或者壓力上限值附近，將它們作為一般工狀處理就會出現頻繁啟動、停機現象，影響設備的可靠性和使用壽命。因此，需要對發出動作指令的起因信號作適當的延時處理，以消除擾動，防止誤動作。
（3）智能保護。空壓機主電機在啟動時，啟動電流為額定電流的5～7倍，對電網和其他用電設備沖擊很大，同時也會影響空壓機的使用壽命，所以，空壓機不宜頻繁啟動。為了使系統能夠對用風狀況進行準確判斷，并據此控制空壓機的啟動，在井下用風高峰期空壓機啟動較頻繁，當兩次啟動時間間隔小于預先設定的值時，將保持空壓機持續運轉而不停機，當連續兩次加載間隔時間較長時，可認為用風高峰期已過，空壓機投入間斷運行狀態。另外，對電機電流、電機電壓、排氣壓力、進氣負壓、運行溫度、油溫、油濾壓差等重要參數進行實時監控，出現異常及時進行故障報警，并作出處理。
4.2 觸摸屏人機界面設計
選用與觸摸屏TP270配套的組態軟件Protool/pro設計界面。畫面包括：（1）主畫面：空壓機組的運行狀態以及主要參數的顯示。（2）數據報表：實時數據匯總顯示，并可查詢歷史數據和總管壓力曲線。（3）運行設置：設置啟動遠程控制是否有效；設置自動啟動、停機、加載、卸荷的壓力閾值；設置時間參數、報警參數等。（4）報警查詢：查詢報警詳細信息。（5）系統管理。
4.3 上位機監控程序設計
上位機監控軟件選用西門子公司基于Windows環境的組態軟件WinCC6.0版。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，監控畫面如圖5所示。
圖5 監控畫面
5、結束語
S7-300 PLC具有較高的性價比，但與現場設備支持的通信協議不兼容，系統采用CP341模塊作為Modbus主站的方案具有一定的實際意義。現場調試和運行表明，該系統運行穩定，安全可靠，提高了空壓機組的運行效率，實現了監控和管理的自動化。該系統不僅可以應用于煤礦的空壓機組監控，而且可以推廣到其他場合。(e
