基于PLC與觸摸屏的空壓站自動監控系統設計

王賀彬，白 銳，呂永津，高 健

（1.遼寧工業大學 電氣工程學院，錦州 121001；2.遼寧航天凌河汽車有限公司，凌源 122500）

0 引言

壓縮空氣作為工業生產中的重要工藝氣源，其清晰透明、輸送方便、無毒害性、無易燃性等鮮明特點使其廣泛應用于石油化工、機械制造、汽車生產、國防科技、醫藥衛生、食品加工、電力電子等行業或部門，現已成為工業生產中第二大動力能源[1-2]?？諌簷C通過吸氣、壓縮和排氣等工序循環的將地面空氣進行壓縮處理，是工作生產中關鍵的動力設備[3-4]，考慮到壓縮空氣在制備、輸送、使用、泄露、熱量消耗等各方面存在不同形式的損耗，空壓機在滿足工業生產需要的前提下，其工作周期與工作效率尤為重要，通常情況下空壓機的耗電量要占到工業企業電耗的8%-10%，因此對空壓機以及空壓機綜合站進行集中控制管理以達到節能降耗問題也備受各工業企業的關注[5]。

目前，大部分工業廠房的空壓機綜合站的控制方式采用就地分散式人工操作，空壓站配備值班室，根據工廠生產需求，通過手動方式對空壓站內的空氣壓縮機、冷凍式干燥機、空氣處理凈化設備、冷卻循環水泵等設備進行啟?？刂?，并對設備運行狀態進行記錄。同時考慮空壓機的耗電量較大，長時間工作在空載或輕載狀態下，造成資源浪費、降低設備工作壽命、增加設備運行成本[6-7]。

本文以某公司的廠區空壓站為例，設計并開發了基于PLC與觸摸屏控制的空壓站自動監控系統，該系統采用集中監控的操作模式，可以對整個空壓站內的各機組設備、系統設備與檢測裝置等進行實時監測和控制，從而達到降低設備能耗、提高設備效率、延長工作壽命、簡化操作步驟、實現智能控制等目的。

1 自動監控系統的控制方案

為滿足生產過程中對空壓站設備實現自動監控要求，并實現現場設備的集中管理的目的，設計開發了基于PLC和觸摸屏控制的空壓站監控系統?，F場操作人員可根據實際情況，針對空壓機綜合站內的冷干機組、空壓機組、電磁閥、變頻器、循環水系統，以及各傳感器設備的使用需求與性能要求，選擇不同的操作控制方式和工作運行模式，在節省勞動力的基礎上，提高工作效率，并可以通過上位機監控系統實時觀測系統運行過程中各機組設備的工作狀態與數據信息。系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

該系統主要由S7-1200PLC、PN觸摸屏、上位機監控、各機組設備以及傳感器等組成。上位機監控主要用于對現場接收到的數據信息與報警故障等信息的遠程觀測與處理，以及控制命令的發送操作，并通過安裝在上位機中的組態軟件對空壓站內的所有設備機組進行遠程實時監監控。與此同時，實時保存故障現象發生時的故障數據信息與各機組設備的工作狀態，為后續的故障現象分析及故障數據的調用提供便利。S7-1200PLC作為自動監控系統的控制核心，用于現場所有機組設備（冷干機組、空壓機組、電磁閥、變頻器、冷卻水系統）及儀器儀表（壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器、其他監測傳感器、故障指示）工作狀態的監測和控制。為提高現場操作人員的工作效率和空壓站設備機組的自動化程度，該系統在采用集中監控的操作模式下，將系統的控制方式分為自動控制、軟手動控制和手動控制三種。自動控制用于空壓站各機組設備的遠程全自動監控運行，各機組之間根據已設定好的運行次序、工作方式與各監測傳感器的反饋參數，保證在系統報警參數的設定范圍內實現自動運行。軟手動控制用于操作人員的遠程協調性操作，操作人員可根據現場實際情況選擇性進行操作，為現場機組設備的遠程通信的調試操作與各系統或機組設備間的分步操作提供便利。采用軟手動控制方式，可根據廠區內的實時工況需求實現精準控制，有效提高各機組設備的運行效率，減少多余的資源浪費。手動控制為防止空壓站現場出現網絡故障或突發情況而設置的本地控制方式，通過手動控制可在本地控制機柜中實現空壓站各設備機組的運行操作。采用手動控制方式，可在現場控制或調試時，就近對各機組設備和系統裝置進行監控，并在簡單工況的情況下實現便捷操作，有效提高工作效率。PN觸摸屏顯示自動監控系統中各機組設備的工作狀態和運行模式，并可為本地操作提供自動控制、軟手動控制和手動控制三種控制方式，為整個自動監控系統提供操作上的便利。

2 空壓站自動監控系統的硬件設計

近幾年來，西門子小型PLC在工業以太網的應用背景下為用戶提供了靈活多樣的遠程服務解決方案[8]。西門子SIMATIC S7-1200小型可編程控制器作為現代工業中最常用的一款緊湊型、模塊化PLC，在簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網絡通信等任務中提供了有效的單機小型自動化系統解決方案[9-11]。對于需要網絡通信功能和單屏或多屏HMI的自動化系統，易于設計和實施，具有支持小型運動控制系統、過程控制系統的高級應用功能[12]。該系統采用的便是西門子S7-1200PLC作為整套自動監控系統的控制器，以CPU 1215C作為自動監控系統的中央處理器，系統的硬件組成如圖2所示。

圖2 系統硬件組成

在充分考慮CPU性能的可擴展性與應用靈活度的基礎上，該系統采用的中央處理器CPU 1215C所提供的兩個以太網接口，為連接路由端口、觸摸屏或工控機設備提供了極大的便利條件。同時，為廠區內各廠房之間的整體性智能聯控系統設計與能源監控系統設計提供了網絡備用接口和I/O接口模塊的可擴展空間。

空壓站自動監控系統的機組設備主要包括：4臺空氣壓縮機、4臺冷凍式干燥機、4臺電磁閥、2臺儲氣罐以及循環水冷卻系統中的變頻器、循環水泵、冷卻水泵、冷卻風機，空壓站現場還包括管道、水箱等設備機組上的溫度、壓力、液位和流量等傳感器。通過擴展的16位數字量輸出模塊（兩個），16位數字量輸入模塊，8位模擬量輸入模塊可以全面實現整套自動監控系統所有信號的監測與控制，實現空壓機組與冷干機組的啟?？刂?，報警、故障或運行狀態反饋；實現電磁閥組的通斷控制；實現循環水系統的水泵啟?？刂?，運行或故障的工作狀態反饋，以及溫度、壓力、液位高度的狀態反饋；實現冷卻水系統的設備啟?？刂?，運行和故障的工作狀態反饋等。在滿足設計要求與功能完整的基礎上，多點位的數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入模塊為后續硬件設備的功能擴展，提供了充足的備用接口，可實現對整套自動監控系統功能的二次開發。

3 空壓站自動監控系統的軟件設計

3.1 上位機監控

空壓站自動監控系統以Windows系統軟件搭載平臺，上位機監控界面采用組態王軟件進行組態，其快速便捷的應用設計與豐富可擴充的圖形庫具有良好的易操作性、易辨識性與便捷性等特點[13]。該空壓站自動監控系統的主要界面包括“總覽監控界面”、“壓縮空氣監控界面”、“循環水監控界面”、“控制參數界面”、“故障報警界面”、“壓縮空氣曲線界面”、“循環水曲線界面”、“手動控制界面”和“I/O語音界面”，共九個監控界面，以及“故障復位”操作按鈕，通過界面下端的選項按鈕可進行各監控界面間的切換，觀察各界面的監控數據或曲線。監控系統主界面如圖3所示。

圖3 監控系統主界面

總覽監控界面為空壓機綜合站控制平臺，在總覽監控界面下，可以有效地對現場機組設備的工作狀態以及傳感器各項數據的參數進行監測，包括：空壓機組、冷干機組、電磁閥組的工作狀態和管道壓力、流量；循環水系統的工作方式、控制模式、運行頻率，以及循環水箱與循環水泵的工作溫度、壓力、液位和頻率等數據參數；冷卻水系統中冷卻水泵和冷卻風機的工作狀態。通過總覽界面的“系統啟動”與“系統停止”按鈕可實現整個系統的全自動監控運行狀態，根據各設備機組的具體工作狀態與工作性能可自行設置空壓機、冷干機和循環水系統的投入狀態、運行模式和控制參數等如圖4所示，設置壓縮空氣和循環水系統的故障報警值，并記錄報警信息與報警記錄如圖5所示。

圖4 控制參數

圖5 故障報警

為了解空壓機機組與循環水系統在生產過程中的工作變化狀態，在“壓空曲線”與“循環水曲線”界面中，對壓縮空氣過程和循環水過程中的工況數據進行記錄，并形成相應的工作狀態曲線，根據其變化規律，在滿足生產工況需求的前提下，調整空壓機機組、冷干機機組和循環水系統的投入/切除狀態、控制方式和運行次序等，有效提高各機組設備的工作效率，并降低多余的能源消耗。

在“手動控制”與“I/O語音”界面中，可針對各機組設備的單獨運行操作進行監控和工作狀態報警測試，根據觀測到的工作狀態顯示與報警信息提示調試現場各設備機組的實際工作狀態，驗證各機組設備的工作狀態與檢測信號的發送與控制，并可通過“故障復位”常規故障的清除與系統參數還原，在現場調試與工況測試中有效為設備維護、故障排查提供方便性與安全性。

3.2 觸摸屏組態

觸摸屏KTP1200的軟件設計采用SIMATIC WinCC（TIA博途）進行集成化組態，SIMATIC WinCC作為一種極具功能特性的工具，可用于組態所有SIMATIC人機界面面板以及基于PC的系統，簡單高效[14-15]。

KTP1200觸摸屏的組態包含空壓站綜合控制系統的總覽界面、手動控制界面和報警信息界面。在綜合空壓站控制系統的總覽界面中，可總覽監控空壓站控制系統的控制方式、各設備機組的運行模式與工作狀態，以及各檢測傳感器實時采集的溫度、流量、壓力、液位等參數。如圖6所示。

圖6 綜合控制系統

通過切換“手動控制”界面，可以實現自動監控系統的手動控制，根據現場工況的實際需求，對空壓機組、冷干機組、電磁閥組、循環水系統和冷卻系統等相關設備進行基本的運行控制和參數設置，從而達到設備調試、分步驟運行和獨立控制等功能要求，如圖7所示。

圖7 手動控制

通過切換“故障報警”界面，可查看本地設備在運行或調試操作中遇到故障時簡要的報警信息，主要包括故障時間、故障現象等?，F場設備的故障被實際清除后，可通過顯示界面中的“故障復位”按鈕，將系統內的故障信息進行復位操作。

4 結語

采用PLC和觸摸屏雙重控制，可有效實現空壓站自動監控系統在各類工況下工作狀態，解決了自動化程度低、能源浪費嚴重等普遍問題。系統在使用過程中，在設備維護、系統穩定狀態、動態響應時間、運行可靠性和節能降耗等各方面表現優越。