1、引言

在煤礦采煤生產(chǎn)中，空氣壓縮機(jī)(簡(jiǎn)稱：空壓機(jī))主要負(fù)責(zé)向礦井大量的風(fēng)動(dòng)機(jī)械提供動(dòng)力，其工作的可靠性和安全性直接影響著礦山的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。目前大部分空壓機(jī)組存在著控制方式落后、操作不方便的問(wèn)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(shí)值守，值守人員根據(jù)井下用風(fēng)量的需求手動(dòng)啟動(dòng)或者停止空壓機(jī)，并且定時(shí)巡檢、記錄運(yùn)行狀況。另外，空壓機(jī)組耗電量很大，其中有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間是在空載或輕載狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致能耗大、機(jī)器受損嚴(yán)重、運(yùn)行成本較高。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)操作方便、功能完善的全自動(dòng)集中監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)空壓機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，提高空壓機(jī)組的工作效率，降低能耗，延長(zhǎng)使用壽命，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2、監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

本項(xiàng)目空壓機(jī)房有五臺(tái)CompAir L250型噴油螺桿式空壓機(jī)，主電機(jī)功率為250kW，供電電壓為6000V， 轉(zhuǎn)速為1485rpm，自由排氣量為42.7m3/min、最大排氣壓力為7.5×105Pa。每臺(tái)空壓機(jī)都配有本體控制器Delcos3100，通過(guò)Delcos3100控制器的操作面板，操作人員可以就地控制單臺(tái)空壓機(jī)的啟停、查看運(yùn)行狀況、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)等。另外，Delcos3100控制器留有一個(gè)RS-485通信接口，支持Modbus RTU協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)組的集中監(jiān)控提供了條件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 PLC配置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用西門子公司的S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。S7-300 PLC為模塊化結(jié)構(gòu)，具有模塊齊全、擴(kuò)充方便、通信能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于工業(yè)環(huán)境及電氣干擾環(huán)境。根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)中信息的運(yùn)算和處理的核心，內(nèi)有48KB隨機(jī)存儲(chǔ)器和80KB裝載存儲(chǔ)器，每執(zhí)行1000條指令約需0.3ms，最大可擴(kuò)展1024點(diǎn)數(shù)字量或128個(gè)模擬量通道。它有一個(gè)MPI通訊口和一個(gè)DP通訊口，MPI口用于連接觸摸屏，DP口用作調(diào)試程序時(shí)監(jiān)視PLC程序的運(yùn)行以及下載程序；并留作將來(lái)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)使用。

（3）數(shù)字量輸入模塊SM321:配置3塊型號(hào)為DI16×24VDC的SM321模塊，采集向空壓機(jī)供電的五臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜的狀態(tài)信號(hào)(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(tái)空壓機(jī)相對(duì)應(yīng)的五個(gè)手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和五個(gè)緊急停止按鈕的狀態(tài)信號(hào)。

（4）數(shù)字量輸出模塊SM322:配置2塊型號(hào)為DO16×24VDC/0.5A REL的SM322模塊，輸出PLC的控制信號(hào)如啟動(dòng)、停止、加載、卸荷、急停等，控制空壓機(jī)運(yùn)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(xié)議，并且支持用戶加載協(xié)議。系統(tǒng)選用接口為RS-485標(biāo)準(zhǔn)的CP341模塊，并在CP341通訊模塊中插入Modbus主站Dongle模塊加載Modbus協(xié)議，使CP341模塊成為Modbus主站。CP341模塊利用基于RS-485總線的Modbus協(xié)議，與五個(gè)作為Modbus從站的Delcos3100控制器進(jìn)行通訊，采集Delcos3100控制器中存儲(chǔ)的空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息。

（6）通信模快CP343-1：CP343-1是用于連接工業(yè)以太網(wǎng)的通訊處理器模塊，將PLC系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，負(fù)責(zé)PLC和上位機(jī)之間的通訊。

2.2 觸摸屏配置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門子TP270-10型觸摸屏作為車間級(jí)的集中監(jiān)控站。它是基于標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)Microsoft Windows CE的多功能人機(jī)交互界面，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和管理功能，穩(wěn)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(guò)圖形和菜單的方式查看空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)定空壓機(jī)的壓力、時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)，查看系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、故障報(bào)警信息，并可設(shè)置是否允許上位機(jī)遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)。觸摸屏直觀顯示了空壓機(jī)組的運(yùn)行狀況，操作方便快捷，避免了定時(shí)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(jī)配置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PC機(jī)作為上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控站。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視空壓機(jī)的運(yùn)行狀況，查看壓力、溫度、運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、輸出功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，記錄并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的查詢和打印功能。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有動(dòng)作或者出現(xiàn)故障時(shí)能夠彈出提示消息并記錄存儲(chǔ)下來(lái)；在遠(yuǎn)程控制允許的情況下，值班人員還可以遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)。遠(yuǎn)程監(jiān)控方便了調(diào)度，提高了管理自動(dòng)化水平，是煤礦信息化發(fā)展的需要。

其他元件包括手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報(bào)警器等。

3、通訊系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)中的通訊包括三個(gè)部分。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊

PLC和Delcos3100控制器之間的通訊[4]采用控制方便、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)作為物理通信標(biāo)準(zhǔn)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)要求采用兩線制差分方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此能夠有效克服共模干擾、抑制線路噪聲。根據(jù)實(shí)際情況，通信協(xié)議采用單主站多從站結(jié)構(gòu)的Modbus協(xié)議，選用Modbus的RTU通訊模式。RS-485標(biāo)準(zhǔn)是總線的物理層標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)完成電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)；Modbus協(xié)議則構(gòu)成了總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，規(guī)定了總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式，為主站和從站之間傳遞數(shù)據(jù)提供通信規(guī)約，保證有效數(shù)據(jù)在主站和從站之間可靠傳遞，兩者共同構(gòu)成了RS-485總線。

CP341模塊設(shè)置為總線的主站，五個(gè)Delcos3100控制器設(shè)置為總線的從站，每個(gè)從站分配唯一的地址，主站和從站的通訊速率統(tǒng)一設(shè)定為76.8kbps。工作時(shí)采用命令/應(yīng)答的通訊方式，每一種命令幀都對(duì)應(yīng)著一種應(yīng)答幀，Modbus協(xié)議為命令幀定義了許多功能碼，不同的功能碼要求從站進(jìn)行不同的響應(yīng)。系統(tǒng)中用到的功能碼為0x03，即讀取Delcos3100控制器的寄存器。CP341模塊發(fā)出功能碼為0x03的命令幀，地址匹配的Delcos3100控制器就會(huì)做出響應(yīng)，將存儲(chǔ)在寄存器中的空壓機(jī)運(yùn)行信息（壓力、壓差、溫度、電壓、電流、載荷狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、故障信息等）組成應(yīng)答幀發(fā)出至CP341模塊。重復(fù)上述過(guò)程，CP341模塊即可實(shí)現(xiàn)輪循采集空壓機(jī)組的運(yùn)行信息。

CP341模塊下發(fā)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(shù)是指從起始地址開(kāi)始連續(xù)讀取的寄存器值的個(gè)數(shù)；CRC校驗(yàn)是指對(duì)從站地址及其以后部分在命令幀中所占的字節(jié)數(shù)進(jìn)行CRC-16校驗(yàn)所生成的校驗(yàn)碼。