PLC在空壓機組監控系統中的應用

梁騰 華慶

【摘 要】在煤礦生產中，隨著風動機械的廣泛應用，空氣壓縮機作為動力源，其可靠、安全性對礦井的安全和效益造成直接影響。目前空壓機組控制方式原始、操作繁雜。且空壓機組能耗大，長時間空載或輕載運行，致使浪費電能、磨損機器、增高運行成本。而FX2N系列 PLC具有較高的性價比，本系統運行穩定，可靠安全，操作簡便的特點，如將其應用于煤礦的空壓機組監控，就能提升空壓機組的運行效率，并實現自動化監控和管理。

【關鍵詞】PLC 觸摸屏 空壓機

1 引言

在煤礦生產中，隨著風動機械的廣泛應用，空氣壓縮機作為動力源，其可靠、安全性對礦井的安全和效益造成直接影響。目前空壓機組控制方式原始、操作繁雜。且空壓機組能耗大，長時間空載或輕載運行，致使浪費電能、磨損機器、增高運行成本。因此，急需一款操作簡便、功能完備的集控系統，對空壓機組進行監控，提升空壓機組的效率，降低損耗，延長壽命，具有重要的現實意義。

2 監控系統的構成

空壓機房有三臺OGFD-22.2/8型單螺桿空壓機，主電機功率132千瓦，電壓380伏， 轉速1485轉/分，排氣量22.2立方米/分、排氣壓力0.7兆帕。空壓機均配有主控器、交流接觸器及繼電器和操作顯示面板，通過面板，可以進行單臺空壓機的啟停、查詢運行狀態及設置運行參數等近控操作。另外，主控器配有一個RS-485通訊接口并支持自由協議，為實現空壓機組的集控提供了必要前提條件。

2.1 PLC配置設計

系統選用三菱FX2N系列PLC實現集控。硬件配置如下：（1）FX2N：運算和處理的核心，內置8K容量的RAM存儲器。可連接輸入輸出擴展及特殊功能模塊。1個編程接口與觸摸屏通訊，1個通訊接口通過485BD與主控器通訊。（2）FX2N-2AD：模數轉換模塊用于將2點模擬輸入轉換成12位的數字值，輸入到PLC中。根據接線，可在電壓或電流輸入中選擇。兩個通道均可接受0-10V、0-20MA或4-20MA信號。使用FROM/TO指令與PLC進行數據傳輸。（3）FX2N-485BD： 通訊模塊，符合RS-485、RS-422規格，支持用戶協議。

2.2 觸摸屏配置設計

系統采用普洛菲斯觸摸屏作為車間集控站。它具有強大的數據采集和管理功能并可通過圖形和菜單的界面查詢空壓機的實時數據、狀態，設置空壓機的時間及壓力等參數，查閱歷史數據及報警信息，并設定空壓機是否遠控。

2.3 上位機配置設計

系統采用工控機作為上位機遠程監控站。利用光線環網實時監控空壓機狀態，查詢壓力、溫度、運行時間、電機電壓、電流及功率等數據，記錄及存儲歷史數據，提供數據查詢和打印。并在設備有動作或出現故障時彈出消息、記錄存儲；遠控方式下，還可對空壓機遠程控制。

3 通訊系統的構成

3.1 現場設備通訊

PLC和主控器之間采用RS-485通訊。通過一根屏蔽雙絞線RS-485采用平衡發送和差分接收方式傳輸，具有顯著的共模干擾抑制能力。

PLC設為的主站，3個主控器設為的從站，從站都分配唯一的地址，主站和從站的波特率統一設置為96kbps。通訊時，主站先呼叫從機地址，喚醒從機后，主、從站之間進行數據交換。而未被呼叫的從站則繼續其工作。完整的通訊分為3個階段：主站詢問、從站應答和鏈路釋放。主機詢問階段，主、站通過幀的形式將從站地址碼、命令、數據和校驗碼傳送到指定從站；從站應答階段，從站解釋接收的命令碼，并組織相應幀信息回送到主站；鏈路釋放階段，從站清除接收緩沖區及相關變量，準備與主站下次通信。任何完整的通訊均由主站發出，從站在被主站尋址前均處于偵聽狀態，從站在接收到地址碼的第2個字節后，立即判斷是否尋址本站，如果是.繼續接收其余的數據，否則不與理睬。系統中用到的RS指令，讀取主控器的寄存器。PLC發出RS命令幀，地址匹配的主控器就會做出響應，將存儲在寄存器中的空壓機運行信息組成應答幀發送至PLC。重復上述過程，PLC即可循環采集空壓機組的運行信息。

控制信號由PLC通過485BD發出，經過RS485總線傳輸到主控器，再由主控器控制空壓機的控制繼電器。

3.2 觸摸屏通訊

PLC和觸摸屏之間的通訊通過編程電纜連接PLC的編程口和觸摸屏的RS-485通信口.組態時對相關通訊參數如所要連接PLC地址等進行定義，將波特率設置為96kbps進行簡單的組態操作即可實現通訊。

3.3 上位機通訊

觸摸屏與上位機的通訊，觸摸屏采用以太網模塊接入光線環網，上位機通過環網實現遠程監控功能。接口為工業Ethernet，通信速率為100Mbps，設置觸摸屏和上位機的IP地址。

4 軟件設計

系統的控制要求如下：遠、近控方式選擇為近控的空壓機，僅受主控器控制，為現場檢修和維護提供方便，此時PLC僅采集主控器數據，不控制空壓機；遠、近控方式選擇為遠控而未設中控時，由PLC集中監控機組，PLC根據風壓的變化來確定運行的臺數，穩定風壓，以滿足井下用風需要，并依據運行時間輪換壓風機運行；當觸摸屏的中控設置無效時，上位機只能監測到空壓機狀態而無控制權限，當中控有效且遠、近控方式選擇為遠控時，空壓機將只受上位機遠控。

4.1 PLC監控程序設計

開發環境為GX Developer編程軟件。

PLC控制程序主要具有以下功能：（1）自動輪換運行。PLC根據rs485采集的信號判斷，發出啟停、加載、卸荷、報警等控制信號，監控空壓機組自動運行，確保總管壓力維持在設定的壓力上、下限值之間。若風壓高于壓力上限值則減少運行的臺數，若風壓低于壓力下限值就增加運行的臺數，達到既降耗節能、又滿足井下需風量的目的。空壓機連續運行后，為了保證機器完好需要停機散熱。因此，需要空壓機多機輪換，保證其安全運行，延長壽命。PLC根據運行時間將空壓機進行排序，建立開、停機序列，當需要減少臺數時，PLC讓此次運行時間最長的空壓機停止；當需增加臺數時，PLC讓運行時間最短的空壓機啟動。（2）延時停機和延時啟動。PLC雖然具有較強的抗干擾能力，但由于現場各種因素的影響，電機電流、電壓等易受到干擾而產生誤報警；當總管壓力在壓力上、下限值附近發生擾動，就會出現頻繁啟、停現象，對設備可靠性和使用壽命造成影響。因此，需對信號適當的延時反應，以消除擾動，防止誤動作。（3）智能保護。空壓機主電機啟動時，啟動電流為額定值的5至7倍，沖擊電網和設備，并影響空壓機使用壽命，故空壓機不宜頻繁啟動。為了準確判斷用風狀況，并據此控制空壓機的啟動。井下用風高峰時空壓機啟動頻繁，當兩次啟動間隔小于設定值時，空壓機保持運轉，當連續兩次加載間隔較長時，視為用風高峰已過，空壓機間歇運行。另外，對電機電流、電壓、排氣壓力、空壓差、排氣溫度、油氣分壓差、油壓差等參數進行實時監控，出現異常及時報警并處理。

4.2 觸摸屏人機界面設計

采用與普洛菲斯觸摸屏配套的組態軟件設計界面。畫面包括：（1）主畫面：顯示空壓機組的運行狀態及參數。（2）數據報表：實時數據顯示匯總。（3）運行設置：遠程控制設置；啟動、停機，加載、卸荷的壓力閾值設置；時間、報警設置等。（4）報警查詢：報警詳情查詢。（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InTouch組態軟件。由監控畫面、實時報表、歷史數據、報警查詢、遠程控制及系統管理等界面構成。

5 結語

FX2N系列 PLC具有較高的性價比，本系統運行穩定，可靠安全，操作簡便，提升了空壓機組的運行效率，實現了自動化監控和管理。不僅可應用于煤礦的空壓機組監控，也可普及推廣到其他場合。

參考文獻：

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