基于S7-300 PLC的煤礦空壓機聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)
發(fā)布日期：2022-04-22 點擊率：87
1 引言
空壓機作為煤礦生產的四大件設備之一，它的安全與高效運轉是保證煤礦安全高效人性化工作的前提條件。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》法規(guī)，必須對空壓機運轉過程中主要技術參數(shù)進行實時監(jiān)控與安全保護。空壓機是煤礦大型共用耗電裝備，各礦井用風設備包括井口絞車系統(tǒng)、井上下裝卸載、井下巷道噴漿等，而且用風時間不統(tǒng)一，用風量不穩(wěn)定，因此空壓機必須連續(xù)運轉，當用風量小時導致空壓機長時間低壓負荷運行，電能損耗增大并加劇了設備的磨損，增加了運行成本。如負荷小時將設備停機（或部分設備停機），將導致操作頻繁，縮短設備壽命，而且會影響用風設備及風動工具的正常工作。
例如某煤礦案例，有四臺壓縮機現(xiàn)在各自獨立操作運行，并具有監(jiān)測本壓風機各個運行環(huán)節(jié)的主要參數(shù)作用，在控制供風壓力方面各臺壓風機均以本機的監(jiān)測為主，這種控制方法在獨立供氣管道運行時可以使用，但是在多臺機器同時并網工作時出現(xiàn)一些不合理的運行狀況：在多臺壓風機設定工作壓力一致時，常出現(xiàn)一臺或多臺連續(xù)運行不卸荷，而另一臺長期不運行或不加載的狀況，同時還會出現(xiàn)多臺同時投入加載運行或同時卸載的狀況。單純靠人工開停機也不能很好控制壓風機的運行時間均等，很難保證壓縮空氣的供氣質量，也不利于對壓風機的維護管理，同時加大了操作維護人員的工作量。對壓風機的使用壽命也有很大的影響，為此有必要將多臺并網運行的壓風機集中控制聯(lián)網，充分發(fā)揮各壓風機的性能，使系統(tǒng)在保證供氣質量的前提下，實現(xiàn)最大限度的節(jié)能與運行時間的均等，延長壓風機的使用壽命，有利于壓風機的維護。
2 控制系統(tǒng)方案
2.1 控制系統(tǒng)硬件結構
壓風機集中控制系統(tǒng)組成系統(tǒng)圖如圖1所示，有上位工控機系統(tǒng)、plc下位機、傳感器、觸摸屏等組成。上位工控機系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、后備電源（ups）、打印機等組成；其主要完成壓風機遠程參數(shù)的監(jiān)控、運行參數(shù)設置及其數(shù)據(jù)處理、查詢等功能。plc下位機系統(tǒng)：現(xiàn)場plc控制系統(tǒng)選用西門子s7-300系列可編程序控制器作為監(jiān)控核心。充分利用可編程序控制器能適應各種惡劣現(xiàn)場條件，現(xiàn)場抗干擾能力強的特點，且安裝維護方便，其模塊化結構，配置相應的通訊接口與各壓風機控制器通訊；與上位計算機進行通訊可以采用profibus或工業(yè)以太網；系統(tǒng)配置合理，技術可行，完全可以滿足現(xiàn)場使用要求。該部分主要是根據(jù)設定的操作方式，實時采集總管空氣壓力，自動控制各臺壓風機運行及保護功能。現(xiàn)場傳感器實時采集現(xiàn)場物理量信號，并將其轉換為標準電信號傳送給cpu。本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多，如壓力、溫度、電流、電壓、功率、電量等等。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器，性能可靠，壽命長，輸出標準電流信號4-20ma的傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，并配以二線制rvvp電纜單獨傳送，以進一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。
壓力變送器采用gpt系列變送器，作為一種能夠將壓力信號直接轉換為4-20ma標準電流輸出的壓力變送單元，其核心傳感器采用了經激光燒刻補償技術制造的擴散硅進口器件，由傳感器生成的電信號經過變送電路完成放大、線性修正、溫度補償、電流轉換，最終形成與被測壓力成正比的4-20ma標準輸出。該變送器采用獨特的一體化全不銹鋼免維護結構，具有良好的密封、散熱和抗震、耐腐蝕性能，加上輸出傳送方式具有長線抗干擾能力，使變送器能夠在測量現(xiàn)場惡劣環(huán)境下長期在線工作。
2.2 系統(tǒng)功能設計
（1） 能夠自動采集、顯示壓風機的各種運行參數(shù)，控制壓風機運行。
（2） 能夠根據(jù)檢測到的信號判斷壓風機的工作情況，故障時能及時發(fā)出報警信號，并根據(jù)故障類型停止壓風機。
（3） 有啟動、停止、正常停車、故障停車、緊急停車、預告、保護及故障報警功能。
（4） 系統(tǒng)通過plc及控制網絡可方便地采集現(xiàn)場設備開/停及故障狀態(tài)、電機電流等實時數(shù)據(jù)。
（5）實現(xiàn)自動（動態(tài)）恒壓供風。當系統(tǒng)在自動集控工作方式時，系統(tǒng)根據(jù)設定的供氣壓力值，自動控制卸荷或加載。當壓力值當風壓達到設定值時，自動停機（卸荷）；風壓降到低值時，自動啟動或關閉卸荷閥。
（6）安全可靠地報警保護。每臺壓風機均可具有：出氣壓力超限保護、出氣超溫保護、吸氣阻力過大保護、潤滑油超溫保護、潤滑油量不足保護、主電機超載保護、冷卻風機超載保護等功能。
2.3 plc控制方式設計
（1）自動集控方式。系統(tǒng)具有多種控制方式。根據(jù)設置，該系統(tǒng)可以工作在集中方式plc根據(jù)設定的工作時間和工作壓力值、總管當前實時壓力值，自動判斷當前投入/切除系統(tǒng)中的壓風機臺數(shù)，經特定的運算處理，以便對運行中的壓風機進行加載或者卸荷或切除系統(tǒng)、投入系統(tǒng)工作。
（2） 就地控制方式。該工作模式為通過就地操作臺上的觸摸屏按鈕或者操作臺按鈕來獨立控制每臺壓風機的啟動或停機。
（3）遠程控制方式。在該模式下，通過上位計算機的操作來控制各壓風機系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)對操作員有權限管理，有一定的權限的操作員才可以進行遠程操作。
3 軟件系統(tǒng)設計
上位機監(jiān)控由pc機和組態(tài)軟件構成。pc機使用桌面電腦，組態(tài)軟件選用北京亞控公司的組態(tài)王kingvie -w6.52。組態(tài)王6.52是一個具有豐富功能的hmi/scada軟件。可用于工業(yè)自動化的過程控制和管理監(jiān)控。組態(tài)王6.52為系統(tǒng)工程師提供了集成、靈活、易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速建立、測試和部署自動化應用，來連接、傳遞和記錄實時信息。用戶可以實時查看和控制工業(yè)生產過程。組態(tài)王還提供了一套全新的、集成的報表系統(tǒng)，內部提供豐富的報表函數(shù)，用戶可以根據(jù)工程的需要任意改變報表的外觀。組態(tài)王的web畫面發(fā)布采用分組式發(fā)布，網站式瀏覽的形式，設計者和操作人員無需做更多的事情。web發(fā)布的安全管理分為兩級，普通用戶只能瀏覽畫面，不能修改數(shù)據(jù)；而高級用戶（調度中心，廠長辦公室）則可以看到所有發(fā)布的畫面，而且可以讀寫相關數(shù)據(jù)和操作原畫面中的有權限設置的圖素等。
上位機監(jiān)控畫面主要有5個功能界面組成，分別是主監(jiān)控界面、實時報表界面、歷史數(shù)據(jù)界面、報警查詢界面、遠程控制界面。它們分別對應著5個按鈕，這5個按鈕和一個系統(tǒng)退出按鈕同時位于每個界面的最下面，其位置是相對不變的。
下位機軟件設計主要為plc監(jiān)控軟件的設計，在本系統(tǒng)中為重要軟件設計部分。該系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境為siemens simatic step7 v5.3編程軟件，用模塊式結構程序方式編程，這樣既可增強程序的可讀性，方便調試和維護工作，又能使數(shù)據(jù)庫結構統(tǒng)一。程序主要分為：通訊子程序、風機控制子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、保護功能處理子程序等。
操作屏組態(tài)軟件使用西門子公司的winccflexible2005組態(tài)軟件。整個監(jiān)控系統(tǒng)的界面布局分為靜態(tài)區(qū)域和動態(tài)區(qū)域，靜態(tài)區(qū)域在畫面切換過程中是固定不變的，它位于整個界面的最上部，放置了七個切換按鈕，分別為：監(jiān)控畫面，實時報表，開關狀態(tài)，報警查詢，報警設置，運行設置和系統(tǒng)管理；靜態(tài)部分下面就是動態(tài)部分，它們分別為七個切換按鈕所對應的畫面，隨著點擊不同的切換按鈕可以變換不同的畫面。
4 結束語
隨著煤礦近年來現(xiàn)代化管理水平的迅速提高，信息化建設的步伐也在不斷加快。同時為保障煤炭的安全生產、提高全礦的生產效益，必須保證供氣系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、合理地運行，及時發(fā)現(xiàn)壓風機運行系統(tǒng)中存在的隱患；對壓風機系統(tǒng)實行數(shù)字化監(jiān)控，為礦各級領導和職能管理部門及時、準確地掌握壓風機系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，對壓風機系統(tǒng)實現(xiàn)集中監(jiān)控具有十分的必要性和重要性。項目為信息化建設提供較好的建設平臺。
