趙 斌，戚新波,2

（1. 河南機電高等?？茖W(xué)校，新鄉(xiāng) 453002；2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074）

基于S7-300 PLC的煉鋼廠空壓機實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計

趙 斌1，戚新波1,2

（1. 河南機電高等?？茖W(xué)校，新鄉(xiāng) 453002；2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074）

0 引言

在冶金企業(yè)中，空壓站建設(shè)是一項重要的輔助工程?？諌赫臼怯煽諝鈮嚎s機，配套過濾器，儲氣罐，連接管道和閥門等器件組成的供氣系統(tǒng)。提供穩(wěn)定的氣源壓力及供氣流量是空壓站的基本任務(wù)?？諌簷C是空壓站的核心設(shè)備，其安全與高效的運轉(zhuǎn)是保證空壓站正常工作的前提條件。

早期的空壓機控制多為繼電器線路，易老化，靈敏度低，長期運行后會經(jīng)常出現(xiàn)停機故障，給正常生產(chǎn)造成影響。采用可編程控制器(PLC)對空壓機控制，克服了傳統(tǒng)的繼電器控制線路的不足，可以完成對開關(guān)量和模擬量的控制，滿足了系統(tǒng)對控制穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的要求。

1 系統(tǒng)控制內(nèi)容

根據(jù)實際生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下控制功能[1]。

1.1 多種運行模式

該套控制系統(tǒng)有以下3種運行模式：

1）PLC自動運行模式

在該控制方式下，PLC根據(jù)總線采集的信號進(jìn)行綜合判斷，然后發(fā)出啟動、停機、加載、卸荷等控制指令，自動判斷當(dāng)前投入/切除系統(tǒng)中的空壓機臺數(shù)，使得總管壓力維持在設(shè)定的壓力下限值和壓力上限值之間，既滿足用氣需要，又可以降耗節(jié)能。

空壓機不能連續(xù)運行，需要進(jìn)行輪換工作，以保證其安全可靠工作。PLC根據(jù)設(shè)定的工作時間，建立開機序列和停機序列，經(jīng)過運算處理，從而對運行中的空壓機進(jìn)行加載、卸荷或切除/投入系統(tǒng)工作。

2）手動運行模式

該控制方式通過就地操作臺按鈕獨立控制每臺空壓機的啟動或停機。

3） 遠(yuǎn)程監(jiān)控運行模式

在該控制方式下，通過操作監(jiān)控室內(nèi)上位工控機系統(tǒng)來控制各空壓機的運行。系統(tǒng)對操作員有權(quán)限管理，只有有一定權(quán)限的操作員才可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

1.2 生產(chǎn)過程的監(jiān)控

整個工藝流程實現(xiàn)自動控制并對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進(jìn)行實時動畫模擬，對生產(chǎn)過程中的主要參數(shù)進(jìn)行實時動態(tài)顯示。

1）能夠自動采集、顯示空壓機的各種運行參數(shù)，控制空壓機運行。

2）能夠根據(jù)檢測到的信號判斷空壓機的工作狀況，發(fā)生故障時能及時發(fā)出報警信號，并根據(jù)故障類型判斷是否停止空壓機運行。

3）能夠通過PLC及控制網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場設(shè)備開/停及故障狀態(tài)、電動機電流、電壓等實時數(shù)據(jù)。

4）具有啟動、停止、正常停車、故障停車、緊急停車、預(yù)告、保護(hù)及故障報警功能。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

基于S7-300 PLC的空壓機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由1臺上位機站、6臺PLC站和檢測電路等組成。

上位機由工控機、打印機等組成，主要負(fù)責(zé)所有空壓機遠(yuǎn)程參數(shù)和報警信息的監(jiān)視、記錄，運行參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)處理、查詢及報表打印等功能。

圖1 空壓機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6臺PLC站分別負(fù)責(zé)5臺空壓機的報警停車控制和整個系統(tǒng)的工藝參數(shù)監(jiān)測。本系統(tǒng)選用西門子S7-314PLC作為監(jiān)控核心。S7-300系列PLC模塊齊全、擴(kuò)充方便、通信能力強、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，特別適合用于工業(yè)環(huán)境及電氣干擾環(huán)境的特點。[2]系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為MPI多點接口網(wǎng)絡(luò)，由于S7-300系列的CPU模塊內(nèi)置MPI接口，無需附加任何硬件便可很方便組成網(wǎng)絡(luò)，簡便實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。采用這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各個PLC站可以獨立使用，及時上位機出現(xiàn)故障，PLC仍能正常工作，極大提高到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

每臺空壓機就地安設(shè)ET200M遠(yuǎn)程I/O單元，通過PROFIBUS-DP與CPU連接，進(jìn)行溫度、壓力等信號的采集。檢測電路主要由傳感器實時采集現(xiàn)場信號，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號傳送給CPU。本系統(tǒng)中每臺空壓機測量10個狀態(tài)參數(shù)，其中采用PT100傳感器進(jìn)行溫度檢測，包括一級排氣溫度、二級排氣溫度、風(fēng)包溫度、潤滑油溫、冷卻水出水溫度，PT100傳感器在電路中輸出0～5V電壓信號；采用GPT型壓力傳感器進(jìn)行各種壓力檢測，包括一級排氣壓力、二級排氣壓力、潤滑油濾后油壓、主機進(jìn)水壓力、后冷卻器進(jìn)水壓力，GPT型壓力傳感器在電路中輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。這兩種傳感器性能可靠、壽命長，配以二線制RVVP電纜單獨傳送信號，進(jìn)一步提高了整套系統(tǒng)的可靠性[3]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

下位機編程軟件采用西門子公司的SIMATIC STEP7 V5.2，它是用于SMATIC S7-300/400、C7 PLC基于PC控制產(chǎn)品的組態(tài)、編程和維護(hù)的項目管理工具。通過STEP7，用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序編寫、調(diào)試，以及在線診斷PLC硬件狀態(tài)、控制PLC和I/O通道的狀態(tài)等。

圖2 主程序流程圖

下位機軟件設(shè)計主要是PLC監(jiān)控程序的設(shè)計，該程序設(shè)計也是空壓機監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計的重要部分。本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)程序方式編程，可讀性強，方便調(diào)試和維護(hù)工作，又能使數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。程序主要分為通信子程序、空壓機控制子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、保護(hù)功能處理子程序等。空壓機控制子程序流程如圖3所示。

圖3 上位機監(jiān)控界面

組態(tài)軟件采用西門子公司的WinCC V6.0，是一個通用的、全面開放的系統(tǒng),它可用于自動化領(lǐng)域中所有的操作員控制和監(jiān)控任務(wù)，它提供了基于全面開放式接口的解決方案，具有標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口。WinCC可將生產(chǎn)過程中的狀態(tài)，以圖像、文字、曲線等形式表達(dá)出來，可以將所發(fā)生的事件、過程數(shù)據(jù)記錄下來，供歷史數(shù)據(jù)查詢，還可以進(jìn)行組態(tài)打印報表。上位機監(jiān)控界面主要由監(jiān)控畫面、實時報表、歷史數(shù)據(jù)、報警查詢、遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)管理界面組成，如圖3所示[4]。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC技術(shù)，實現(xiàn)了對多臺空壓機的各種參數(shù)的集中監(jiān)控與綜合保護(hù)，其功能強、性能穩(wěn)定、故障率低。該系統(tǒng)已在豫北某鋼鐵集團(tuán)公司煉鋼三廠成功應(yīng)用，能夠?qū)崟r監(jiān)控空壓機運行狀況，自動采集其各種參數(shù)，成功實現(xiàn)了空壓機的報警、故障自動停車及自動卸荷等功能，極大提高了系統(tǒng)運行的可靠性。其完善的故障判斷功能，為操作人員迅速排除故障提供了方便，提高了煉鋼的安全生產(chǎn)、信息化和自動化程度。

[1]石進(jìn)水.基于S7-300 PLC的空壓機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].常州:工礦自動化,2009,(2):51-53.

[2]西門子(中國)有限公司.西門子S7-300參考手冊[M].2005.

[3]李偉生.空壓機綜合保護(hù)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].唐山:水利采煤與管道運輸,2008,(1):49-52.

[4]西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán). 深入淺出西門子WinCC6.0[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:11-25.

The design of air compressor in steelmaking plant real-time monitoring and control system based on S7-300 PLC

ZHAO Bin1, QI Xin-bo1,2

本文利用西門子組態(tài)軟件WinCC及S7-300 PLC實現(xiàn)了煉鋼廠空壓機組的自動控制。對該控制

系統(tǒng)的硬件組成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能及特點，系統(tǒng)實時監(jiān)測的實現(xiàn)等，均作了具體的分析和設(shè)計。該系統(tǒng)集成了自動控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)點，并保留了現(xiàn)場的手動電氣控制，使得系統(tǒng)的運行更加靈活穩(wěn)定。系統(tǒng)自運行以來，各項功能正常，達(dá)到了設(shè)計的要求。

WinCC；PLC；空壓機組；自動控制

趙斌（1977 -），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，碩士，研究方向為控制工程及應(yīng)用。

TP277

A

1009-0134(2011)5(上)-0014-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).05

2010-11-25