基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力實訓(xùn)裝置設(shè)計

熊媛媛，雷釗，雷雪梅

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州，646099）

0 引言

高職院校壓力實訓(xùn)裝置多采用電接點壓力表繼電器控制，存在繼電器觸點頻繁動作、線路復(fù)雜、維護(hù)困難、故障多發(fā)等問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速崛起[1]，空壓機(jī)等設(shè)備可以實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程啟停，更加方便使用人員操作。基于物聯(lián)網(wǎng)的空壓機(jī)實訓(xùn)裝置，以高性能的PLC控制器作為控制核心，實現(xiàn)邏輯啟停控制；輔以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，達(dá)到遠(yuǎn)程控制效果，使壓力實訓(xùn)裝置更加安全、節(jié)能環(huán)保、易維護(hù)，自動化程度也得到提升，滿足高校實訓(xùn)設(shè)備的功能多樣化，具有更強(qiáng)的實操性。

1 功能設(shè)計

空壓機(jī)實訓(xùn)裝置主要為各實訓(xùn)室提供壓力，作為壓力儀表實驗實訓(xùn)的主要氣源裝置，具有運(yùn)行時間長、傳送距離遠(yuǎn)等特點。為實現(xiàn)空壓機(jī)實訓(xùn)裝置的技術(shù)多元化、功能多樣化，提升其實操性，基于多年實驗實訓(xùn)教學(xué)經(jīng)驗，在實際操作中空壓機(jī)實訓(xùn)裝置需具備以下功能：

(1)手動啟/停裝置

具備現(xiàn)場手動啟、停控制裝置，手動啟動/停止具有優(yōu)先權(quán)，保障設(shè)備和人身安全。

(2)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)需有人機(jī)交互界面。不同實驗實訓(xùn)項目所需壓力值不同、運(yùn)行時長不同，為實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，空壓機(jī)裝置每次投入運(yùn)行的時長和參數(shù)設(shè)置需隨教學(xué)實際所需時長及壓力值的變化而改變。設(shè)置人機(jī)界面，方便操作人員根據(jù)實際工作需要隨時調(diào)整控制，降低空壓機(jī)無效運(yùn)行時間。

(3)遠(yuǎn)程監(jiān)控

空壓機(jī)實訓(xùn)裝置在實際運(yùn)行過程中伴隨震動和噪聲，為不影響教學(xué)，安裝位置距實驗室有一定距離。基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)實現(xiàn)了在無人值守情況下，對空壓機(jī)實訓(xùn)設(shè)備的操作，以及對實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測與記錄。在遠(yuǎn)程控制模式下，通過人機(jī)界面可控制空壓機(jī)設(shè)備啟動或停止，修改運(yùn)行時長及設(shè)定壓力值，優(yōu)化空壓機(jī)設(shè)備的過程控制，提高空壓機(jī)實訓(xùn)裝置的控制水平。

(4)維保提示功能

壓力實訓(xùn)裝置的運(yùn)行壽命與日常的維護(hù)、保養(yǎng)有很大的關(guān)系，良好的定期維護(hù)和保養(yǎng)能使空壓機(jī)的使用壽命變長。針對新空壓機(jī)的磨合期，累積運(yùn)行500小時需換油和油過濾器；累積運(yùn)行2500小時需再次更換；累積運(yùn)行3000小時還需進(jìn)行檢查和測試；空壓機(jī)每運(yùn)行2千小時需為主電機(jī)的軸承添加潤滑脂。在空壓機(jī)設(shè)備的使用過程中，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行時間檢測、記錄和提示能保障空壓機(jī)正常可靠的持續(xù)運(yùn)行[2]。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

基于以上需求，設(shè)計了一套采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的壓力實訓(xùn)裝置。該裝置控制系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力實訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

PLC控制器獲取安裝在儲氣罐或?qū)汗苌蠅毫鞲衅鞯妮斎雲(yún)?shù)后，經(jīng)過對檢測參數(shù)的邏輯判斷與處理，控制壓力實訓(xùn)裝置的啟停。為及時掌握和觀測壓力實訓(xùn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將實時數(shù)據(jù)傳送至控制平臺，用戶既可以使用電腦網(wǎng)頁端查看實時壓力數(shù)據(jù)，設(shè)置壓力上下限值，也能用手機(jī)控制空氣壓縮機(jī)的啟停。基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力實訓(xùn)裝置總體示意圖見圖2。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力實訓(xùn)裝置總體示意圖

3 硬件設(shè)計

■3.1 PLC控制器選型

本設(shè)計選用西門子S7-200 SMART PLC。編程軟件版本為STEP7-Micro/WIN，此組態(tài)軟件適用于低成本的微型系統(tǒng)。本設(shè)計需要使用MODBUS-TCP協(xié)議，通過網(wǎng)口把PLC連接到EMCP物聯(lián)網(wǎng)平臺，達(dá)成手機(jī)和網(wǎng)頁對PLC內(nèi)部寄存器的遠(yuǎn)距離監(jiān)控和讀寫。

■3.2 壓力傳感器選型

壓力是工業(yè)五大檢測參數(shù)之一，壓力傳感器是一種廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境的檢測儀表。一般來說，壓力傳感器的輸出信號是模擬信號。在選型時可以優(yōu)先考慮質(zhì)優(yōu)價廉的國產(chǎn)傳感器。在選型過程中要注意選擇合適的量程、精度、輸出方式及安裝方式。

在實驗室所需壓力為0.25MPa的前提下，基于壓力實訓(xùn)裝置安裝位置及距離與現(xiàn)場較遠(yuǎn)，此處壓力傳感器可選用量程為0～0.6MPa，精度等級為0.1級的擴(kuò)散硅氣壓傳感器。該傳感器采用膜片隔離技術(shù)，具有精度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，安裝方便等特點。

檢測儲氣罐壓力的儀表每半年進(jìn)行一次校驗，取得校驗合格證書方可使用。

■3.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊

所謂物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是利用當(dāng)下幾乎所有技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)人、物品間（人與物品、物品與物品、人與人之間）互動問題的一種技術(shù)。廣義來說，物品連接上網(wǎng)絡(luò)，并且發(fā)生數(shù)據(jù)的交互，就叫物聯(lián)網(wǎng)。

通過物聯(lián)網(wǎng)模塊組態(tài)編輯器，利用手機(jī)小程序、Web頁面等即可實時查看監(jiān)控大屏，組態(tài)畫面可進(jìn)行加密分享；可實現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)配置，遠(yuǎn)程啟停設(shè)備等功能[3]。

■3.4 觸摸屏選型

觸控面板作為一種輸入設(shè)備，是目前最方便、簡單的人機(jī)交互方式。文章選用的是型號為TPC7062Ti的昆侖通態(tài)觸摸屏，以嵌入式低功耗CPU為核心，采用7英寸高亮度TFT液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏。該屏具備較高的防護(hù)等級及穩(wěn)定性，可記錄和保存歷史數(shù)據(jù)和曲線。

■3.5 空氣壓縮機(jī)選型

空壓機(jī)的正確選型對用戶和設(shè)備至關(guān)重要。選型過大增加經(jīng)濟(jì)成本，選型過小造成壓力不足，且空壓機(jī)長期處于運(yùn)行狀態(tài)降低了使用壽命。空壓機(jī)選型需考慮安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)壓縮后的空氣含有一定程度的水和潤滑油，在禁油禁水的場合，要增加附屬裝備。

■3.6 儲氣罐

儲氣罐是用來儲存氣體的設(shè)備，同時起到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的作用[4]。根據(jù)儲氣量不同，分為高壓、低壓、常壓三類；根據(jù)材質(zhì)不同，分為碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼儲氣罐。儲氣罐容量需根據(jù)實驗實訓(xùn)所需壓力值進(jìn)行購置。儲氣罐上安裝的安全閥，是一種自動強(qiáng)制泄壓閥門，在儲氣罐壓力過大時，啟動保護(hù)機(jī)制。安全閥按照使用工作壓力定壓，一年一校驗，取得合格證書。

儲氣罐作為特種設(shè)備存在危險性，在設(shè)計、制造、安裝標(biāo)準(zhǔn)上要符合要求。安裝前到特檢所報備，找有資質(zhì)的安裝公司進(jìn)行安裝，安裝后辦理使用證書，并做好記錄定期檢驗。在運(yùn)行和管理上要嚴(yán)格按制度辦事，操作人員辦理相關(guān)操作證書，儲氣罐避免陽光直射，定期進(jìn)行巡查和排污排氣。否則會埋下安全隱患，造成嚴(yán)重事故。

4 軟件設(shè)計

■4.1 PLC程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計主要實現(xiàn)了對空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及壓力參數(shù)的自動檢測與控制。該程序可根據(jù)不同實驗所需壓力值調(diào)節(jié)壓力上下限，起到節(jié)能減排的效果。圖3為程序框架圖。

圖3 程序框架圖

程序啟動后，首先需要設(shè)置所需壓力的上下限，當(dāng)壓力傳感器采集的壓力值低于下限時空壓機(jī)啟動，當(dāng)高于上限時空壓機(jī)停止運(yùn)行。在運(yùn)行的過程中，計時器記錄空壓機(jī)運(yùn)行時長及系統(tǒng)運(yùn)行時長，可設(shè)置系統(tǒng)到達(dá)運(yùn)行時長自動關(guān)機(jī)。累積空壓機(jī)運(yùn)行時長，根據(jù)時長進(jìn)行維護(hù)提示。

■4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計

在MCGS觸摸屏上設(shè)計人機(jī)交互界面，可實時監(jiān)測儲氣罐壓力值，空壓機(jī)運(yùn)行時長，也可顯示和修改壓力值上下限、系統(tǒng)關(guān)機(jī)時長等。空壓機(jī)累積運(yùn)行500小時提示需換油和油過濾器；2500小時再次提示更換；累積運(yùn)行3000小時提示進(jìn)行檢查和測試；每間隔2000小時提示為主電機(jī)的軸承加潤滑脂[5]。MCGS組態(tài)畫面如圖4所示。

圖4 組態(tài)畫面

■4.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)流：用戶設(shè)備—數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)—EMCP云平臺（服務(wù)集群）—顯示終端（Web網(wǎng)頁和手機(jī)APP）。

EMCP平臺可顯示實時數(shù)據(jù)參數(shù)、組態(tài)畫面、歷史存儲數(shù)據(jù)報表，用戶可查看歷史趨勢圖、報警記錄、設(shè)備詳細(xì)信息等[6]。

5 結(jié)語

通過試運(yùn)行，現(xiàn)場上位機(jī)運(yùn)行正常，空壓機(jī)能按指令動作；手機(jī)遠(yuǎn)程控制能達(dá)到預(yù)期效果，參數(shù)顯示正常。空壓機(jī)維保提示功能對空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行密切監(jiān)控。壓力上下限修改功能，能根據(jù)所需壓力值進(jìn)行調(diào)整，避免長時間空載，節(jié)能環(huán)保，使操作更加人性化[7]。

該裝置適用于壓力實訓(xùn)裝置安裝距離與實驗室較遠(yuǎn)的場所，依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，空壓機(jī)啟停只需遠(yuǎn)程控制，隨時隨地可監(jiān)控壓力值，運(yùn)行更加安全可靠，實現(xiàn)了實訓(xùn)設(shè)備的技術(shù)多元化、功能多樣化、控制智能化。