王贺彬，白 锐，吕永津，高 健
（1.辽宁工业大学 电气工程学院，锦州 121001；
2.辽宁航天凌河汽车有限公司，凌源 122500）
压缩空气作为工业生产中的重要工艺气源，其清晰透明、输送方便、无毒害性、无易燃性等鲜明特点使其广泛应用于石油化工、机械制造、汽车生产、国防科技、医药卫生、食品加工、电力电子等行业或部门，现已成为工业生产中第二大动力能源[1-2]。空压机通过吸气、压缩和排气等工序循环的将地面空气进行压缩处理，是工作生产中关键的动力设备[3-4]，考虑到压缩空气在制备、输送、使用、泄露、热量消耗等各方面存在不同形式的损耗，空压机在满足工业生产需要的前提下，其工作周期与工作效率尤为重要，通常情况下空压机的耗电量要占到工业企业电耗的8%-10%，因此对空压机以及空压机综合站进行集中控制管理以达到节能降耗问题也备受各工业企业的关注[5]。
目前，大部分工业厂房的空压机综合站的控制方式采用就地分散式人工操作，空压站配备值班室，根据工厂生产需求，通过手动方式对空压站内的空气压缩机、冷冻式干燥机、空气处理净化设备、冷却循环水泵等设备进行启停控制，并对设备运行状态进行记录。同时考虑空压机的耗电量较大，长时间工作在空载或轻载状态下，造成资源浪费、降低设备工作寿命、增加设备运行成本[6-7]。
本文以某公司的厂区空压站为例，设计并开发了基于PLC与触摸屏控制的空压站自动监控系统，该系统采用集中监控的操作模式，可以对整个空压站内的各机组设备、系统设备与检测装置等进行实时监测和控制，从而达到降低设备能耗、提高设备效率、延长工作寿命、简化操作步骤、实现智能控制等目的。
为满足生产过程中对空压站设备实现自动监控要求，并实现现场设备的集中管理的目的，设计开发了基于PLC和触摸屏控制的空压站监控系统。现场操作人员可根据实际情况，针对空压机综合站内的冷干机组、空压机组、电磁阀、变频器、循环水系统，以及各传感器设备的使用需求与性能要求，选择不同的操作控制方式和工作运行模式，在节省劳动力的基础上，提高工作效率，并可以通过上位机监控系统实时观测系统运行过程中各机组设备的工作状态与数据信息。系统结构示意图如图1所示。
图1 系统结构示意图
该系统主要由S7-1200PLC、PN触摸屏、上位机监控、各机组设备以及传感器等组成。上位机监控主要用于对现场接收到的数据信息与报警故障等信息的远程观测与处理，以及控制命令的发送操作，并通过安装在上位机中的组态软件对空压站内的所有设备机组进行远程实时监监控。与此同时，实时保存故障现象发生时的故障数据信息与各机组设备的工作状态，为后续的故障现象分析及故障数据的调用提供便利。S7-1200PLC作为自动监控系统的控制核心，用于现场所有机组设备（冷干机组、空压机组、电磁阀、变频器、冷却水系统）及仪器仪表（压力传感器、温度传感器、液位传感器、流量传感器、其他监测传感器、故障指示）工作状态的监测和控制。为提高现场操作人员的工作效率和空压站设备机组的自动化程度，该系统在采用集中监控的操作模式下，将系统的控制方式分为自动控制、软手动控制和手动控制三种。自动控制用于空压站各机组设备的远程全自动监控运行，各机组之间根据已设定好的运行次序、工作方式与各监测传感器的反馈参数，保证在系统报警参数的设定范围内实现自动运行。软手动控制用于操作人员的远程协调性操作，操作人员可根据现场实际情况选择性进行操作，为现场机组设备的远程通信的调试操作与各系统或机组设备间的分步操作提供便利。采用软手动控制方式，可根据厂区内的实时工况需求实现精准控制，有效提高各机组设备的运行效率，减少多余的资源浪费。手动控制为防止空压站现场出现网络故障或突发情况而设置的本地控制方式，通过手动控制可在本地控制机柜中实现空压站各设备机组的运行操作。采用手动控制方式，可在现场控制或调试时，就近对各机组设备和系统装置进行监控，并在简单工况的情况下实现便捷操作，有效提高工作效率。PN触摸屏显示自动监控系统中各机组设备的工作状态和运行模式，并可为本地操作提供自动控制、软手动控制和手动控制三种控制方式，为整个自动监控系统提供操作上的便利。
近几年来，西门子小型PLC在工业以太网的应用背景下为用户提供了灵活多样的远程服务解决方案[8]。西门子SIMATIC S7-1200小型可编程控制器作为现代工业中最常用的一款紧凑型、模块化PLC，在简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务中提供了有效的单机小型自动化系统解决方案[9-11]。对于需要网络通信功能和单屏或多屏HMI的自动化系统，易于设计和实施，具有支持小型运动控制系统、过程控制系统的高级应用功能[12]。该系统采用的便是西门子S7-1200PLC作为整套自动监控系统的控制器，以CPU 1215C作为自动监控系统的中央处理器，系统的硬件组成如图2所示。
图2 系统硬件组成
在充分考虑CPU性能的可扩展性与应用灵活度的基础上，该系统采用的中央处理器CPU 1215C所提供的两个以太网接口，为连接路由端口、触摸屏或工控机设备提供了极大的便利条件。同时，为厂区内各厂房之间的整体性智能联控系统设计与能源监控系统设计提供了网络备用接口和I/O接口模块的可扩展空间。
空压站自动监控系统的机组设备主要包括：4台空气压缩机、4台冷冻式干燥机、4台电磁阀、2台储气罐以及循环水冷却系统中的变频器、循环水泵、冷却水泵、冷却风机，空压站现场还包括管道、水箱等设备机组上的温度、压力、液位和流量等传感器。通过扩展的16位数字量输出模块（两个），16位数字量输入模块，8位模拟量输入模块可以全面实现整套自动监控系统所有信号的监测与控制，实现空压机组与冷干机组的启停控制，报警、故障或运行状态反馈；
实现电磁阀组的通断控制；
实现循环水系统的水泵启停控制，运行或故障的工作状态反馈，以及温度、压力、液位高度的状态反馈；
实现冷却水系统的设备启停控制，运行和故障的工作状态反馈等。在满足设计要求与功能完整的基础上，多点位的数字量输入/输出模块和模拟量输入模块为后续硬件设备的功能扩展，提供了充足的备用接口，可实现对整套自动监控系统功能的二次开发。
3.1 上位机监控
空压站自动监控系统以Windows系统软件搭载平台，上位机监控界面采用组态王软件进行组态，其快速便捷的应用设计与丰富可扩充的图形库具有良好的易操作性、易辨识性与便捷性等特点[13]。该空压站自动监控系统的主要界面包括“总览监控界面”、“压缩空气监控界面”、“循环水监控界面”、“控制参数界面”、“故障报警界面”、“压缩空气曲线界面”、“循环水曲线界面”、“手动控制界面”和“I/O语音界面”，共九个监控界面，以及“故障复位”操作按钮，通过界面下端的选项按钮可进行各监控界面间的切换，观察各界面的监控数据或曲线。监控系统主界面如图3所示。
图3 监控系统主界面
总览监控界面为空压机综合站控制平台，在总览监控界面下，可以有效地对现场机组设备的工作状态以及传感器各项数据的参数进行监测，包括：空压机组、冷干机组、电磁阀组的工作状态和管道压力、流量；
循环水系统的工作方式、控制模式、运行频率，以及循环水箱与循环水泵的工作温度、压力、液位和频率等数据参数；
冷却水系统中冷却水泵和冷却风机的工作状态。通过总览界面的“系统启动”与“系统停止”按钮可实现整个系统的全自动监控运行状态，根据各设备机组的具体工作状态与工作性能可自行设置空压机、冷干机和循环水系统的投入状态、运行模式和控制参数等如图4所示，设置压缩空气和循环水系统的故障报警值，并记录报警信息与报警记录如图5所示。
图4 控制参数
图5 故障报警
为了解空压机机组与循环水系统在生产过程中的工作变化状态，在“压空曲线”与“循环水曲线”界面中，对压缩空气过程和循环水过程中的工况数据进行记录，并形成相应的工作状态曲线，根据其变化规律，在满足生产工况需求的前提下，调整空压机机组、冷干机机组和循环水系统的投入/切除状态、控制方式和运行次序等，有效提高各机组设备的工作效率，并降低多余的能源消耗。
在“手动控制”与“I/O语音”界面中，可针对各机组设备的单独运行操作进行监控和工作状态报警测试，根据观测到的工作状态显示与报警信息提示调试现场各设备机组的实际工作状态，验证各机组设备的工作状态与检测信号的发送与控制，并可通过“故障复位”常规故障的清除与系统参数还原，在现场调试与工况测试中有效为设备维护、故障排查提供方便性与安全性。
3.2 触摸屏组态
触摸屏KTP1200的软件设计采用SIMATIC WinCC（TIA博途）进行集成化组态，SIMATIC WinCC作为一种极具功能特性的工具，可用于组态所有SIMATIC人机界面面板以及基于PC的系统，简单高效[14-15]。
KTP1200触摸屏的组态包含空压站综合控制系统的总览界面、手动控制界面和报警信息界面。在综合空压站控制系统的总览界面中，可总览监控空压站控制系统的控制方式、各设备机组的运行模式与工作状态，以及各检测传感器实时采集的温度、流量、压力、液位等参数。如图6所示。
图6 综合控制系统
通过切换“手动控制”界面，可以实现自动监控系统的手动控制，根据现场工况的实际需求，对空压机组、冷干机组、电磁阀组、循环水系统和冷却系统等相关设备进行基本的运行控制和参数设置，从而达到设备调试、分步骤运行和独立控制等功能要求，如图7所示。
图7 手动控制
通过切换“故障报警”界面，可查看本地设备在运行或调试操作中遇到故障时简要的报警信息，主要包括故障时间、故障现象等。现场设备的故障被实际清除后，可通过显示界面中的“故障复位”按钮，将系统内的故障信息进行复位操作。
采用PLC和触摸屏双重控制，可有效实现空压站自动监控系统在各类工况下工作状态，解决了自动化程度低、能源浪费严重等普遍问题。系统在使用过程中，在设备维护、系统稳定状态、动态响应时间、运行可靠性和节能降耗等各方面表现优越。
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