PLC在空压机组监控系统中的成功应用

1、PLC 在空压机组监控系统中的成功应用收藏此信息打印该信息添加：用户发布来源： 未知1、引言在煤矿采煤生产中，空气压缩机(简称：空压机 ) 主要负责向矿井大量的风动机械提供动力，其工作的可靠性和安全性直接影响着矿山的正常生产和经济效益。目前大部分空压机组存在着控制方式落后、操作不方便的问题。控制回路大多为继电器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人员24 小时值守， 值守人员根据井下用风量的需求手动启动或者停止空压机，并且定时巡检、记录运行状况。另外，空压机组耗电量很大，其中有相当长时间是在空载或轻载状态下运行，导致能耗大、机器受损严重、运行成本较高。因此，设计一个操作方便、功能完善的

2、全自动集中监控系统，对空压机组进行监控和保护，提高空压机组的工作效率，降低能耗，延长使用寿命，有着重要的现实意义。2、监控系统的构成本项目空压机房有五台 CompAir L250型喷油螺杆式空压机，主电机功率为250kW ，供电电压为6000V ， 转速为 1485rpm ，自由排气量为 42.7m3/min、最大排气压力为7.5 105Pa 。每台空压机都配有本体控制器Delcos3100 ，通过 Delcos3100控制器的操作面板，操作人员可以就地控制单台空压机的启停、查看运行状况、设置运行参数等。另外，Delcos3100控制器留有一个RS-485 通信接口，支持 Modbus RTU

3、协议，为实现空压机组的集中监控提供了条件。系统结构图如图1 所示。图 1 系统结构图2.1 PLC 配置设计系统选用西门子公司的S7-300 PLC 实现集中监控。 S7-300 PLC 为模块化结构，具有模块齐全、扩充方便、通信能力强、运行稳定可靠等优点，特别适合用于工业环境及电气干扰环境。根据系统控制要求并考虑留有一定的裕量，PLC 的硬件配置如下：（1）电源模块 PS307 ：输入电压为 220VAC ，输出电压为 24VDC ，输出电流为 5A ，向其他 PLC 模块供电。（2）CPU 模块 CPU315-2DP：系统中信息的运算和处理的核心，内有48KB 随机存储器和80KB 装载存

4、储器，每执行 1000条指令约需 0.3ms ，最大可扩展 1024点数字量或 128 个模拟量通道。它有一个MPI 通讯口和一个 DP 通讯口， MPI 口用于连接触摸屏， DP口用作调试程序时监视PLC 程序的运行以及下载程序；并留作将来系统扩展时使用。（3）数字量输入模块SM321: 配置 3 块型号为 DI1624VDC 的 SM321模块，采集向空压机供电的五台高压开关柜的状态信号(如：高压允许、高压故障、合闸反馈、分闸反馈、小车就位等)、与五台空压机相对应的五个手自动转换开关和五个紧急停止按钮的状态信号。（4 ）数字量输出模块SM322: 配置 2 块型号为DO16 24VDC/0

5、.5A REL的 SM322 模块，输出PLC 的控制信号如启动、停止、加载、卸荷、急停等，控制空压机运行。（5 ）通信模快CP341 ：CP341 模块是串行通讯处理器模块，硬件接口可采用RS-232C或 TTY 或 RS-422/485方式，集成了 3964(R) 、RK512 、ASCII 通讯协议，并且支持用户加载协议。系统选用接口为RS-485 标准的 CP341 模块，并在 CP341 通讯模块中插入Modbus主站 Dongle 模块加载Modbus 协议，使 CP341 模块成为 Modbus 主站。 CP341 模块利用基于RS-485 总线的 Modbus 协议，与五个作为

6、 Modbus 从站的 Delcos3100控制器进行通讯，采集Delcos3100控制器中存储的空压机运行状态信息。（6 ）通信模快CP343-1 ：CP343-1 是用于连接工业以太网的通讯处理器模块，将PLC 系统接入以太网，负责PLC 和上位机之间的通讯。2.2 触摸屏配置设计系统采用西门子TP270-10型触摸屏作为车间级的集中监控站。它是基于标准操作系统Microsoft Windows CE的多功能人机交互界面，具有强大的数据采集和管理功能，稳定可靠，界面友好，图形显示，操作和管理方便。操作人员可以通过图形和菜单的方式查看空压机的运行状态及实时数据，设定空压机的压力、时间等运行参

7、数，查看系统的历史数据、故障报警信息，并可设置是否允许上位机远程控制空压机。触摸屏直观显示了空压机组的运行状况，操作方便快捷，避免了定时巡检记录的烦琐工作，大大提高了工作效率和管理水平。2.3 上位机配置设计系统采用 PC 机作为上位机远程监控站。通过网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、运行时间、电机电压、电机电流、输出功率等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出提示消息并记录存储下来；在远程控制允许的情况下，值班人员还可以远程控制空压机。远程监控方便了调度，提高了管理自动化水平，是煤矿信息化发展的需要。其他元件包括手自动转换开

8、关、紧急停止按钮、声光报警器等。3、通讯系统的构成系统中的通讯包括三个部分。3.1 现场设备通讯PLC 和 Delcos3100控制器之间的通讯4 采用控制方便、设计简单的RS-485 接口标准作为物理通信标准。RS-485 标准要求采用两线制差分方式发送和接收数据，因此能够有效克服共模干扰、抑制线路噪声。 根据实际情况， 通信协议采用单主站多从站结构的Modbus协议，选用Modbus 的 RTU 通讯模式。 RS-485 标准是总线的物理层标准，负责完成电平转换和数据收发；Modbus 协议则构成了总线的数据链路层协议，规定了总线上传输的数据帧格式，为主站和从站之间传递数据提供通信规约，保

9、证有效数据在主站和从站之间可靠传递，两者共同构成了RS-485总线。CP341 模块设置为总线的主站，五个Delcos3100控制器设置为总线的从站，每个从站分配唯一的地址，主站和从站的通讯速率统一设定为 76.8kbps 。工作时采用命令/ 应答的通讯方式，每一种命令帧都对应着一种应答帧，Modbus 协议为命令帧定义了许多功能码，不同的功能码要求从站进行不同的响应。系统中用到的功能码为0x03 ，即读取Delcos3100控制器的寄存器。CP341模块发出功能码为 0x03 的命令帧，地址匹配的 Delcos3100 控制器就会做出响应，将存储在寄存器中的空压机运行信息（压力、压差、温度、

10、电压、电流、载荷状态、运行时间、故障信息等）组成应答帧发出至 CP341 模块。重复上述过程， CP341 模块即可实现轮循采集空压机组的运行信息。CP341 模块下发的命令帧格式如图2 所示。图 2命令帧格式在命令帧中，寄存器起始地址是告诉Delcos3100控制器，CP341模块要读取的寄存器的起始地址；寄存器数是指从起始地址开始连续读取的寄存器值的个数；CRC校验是指对从站地址及其以后部分在命令帧中所占的字节数进行CRC-16校验所生成的校验码。Delcos3100控制器上传的应答帧格式如图3 所示。图 3应答帧格式在应答帧中，字节数是指主站要求从站发送的内部寄存器数据的字节数，寄存器1

11、、2 n是指发送的各寄存器的内容，CRC校验与命令帧中的含义相同。最后需要说明的是，RS-485总线仅用作数据采集，控制信号由PLC的数字量输出模块SM322输出，经过信号线传输到空压机自身的控制继电器，这是由现场的实时性要求决定的。如果控制信号也由CP341模块发出，就需要经过RS-485总线传输到Delcos3100控制器，再由Delcos3100控制器控制空压机的控制继电器；而采用硬接线的方式直接传送控制信号到空压机的控制继电器，就大大缩短了系统的控制响应时间；同时，RS-485 总线能够以更快的速度采集实时数据。3.2 触摸屏通讯PLC 和触摸屏之间的通讯二者均为西门子的产品，通过 M

12、PI电缆连接PLC的 MPI通信口和触摸屏的RS-485通信口 .组态时对相关通讯参数如所要连接CPU的 MPI地址和槽号等进行定义，选择接口类型为MPI ，将波特率设置为187.5kbps进行简单的组态操作即可实现通讯。3.3 上位机通讯在 PLC 和上位机之间的通讯中， PLC 通过以太网模块 CP343-1 接入工业以太网，上位机通过网络实现远程监控功能。选择接口类型为工业 Ethernet ，通信速率为 100Mbps ，设置 PLC 和上位机的 IP 地址。4、软件设计系统的控制要求如下：手自动转换开关为手动状态的空压机，仅受其Delcos3100控制器控制，以方便机器检修和维护，此

13、时PLC 只能采集该Delcos3100控制器中的数据而不能控制空压机；手自动转换开关为自动状态且远程控制无效的空压机，将由PLC进行集中监制， PLC 根据风压的变化来决定投入运行的空压机台数，维持风压能够满足井下用风的需要，并且依据空压机运行时间的长短使它们轮换工作；当触摸屏上的远程控制设置无效时，上位机只能监测到空压机的运行状况而没有控制权限，当远程控制有效且手自动转换开关为自动状态时，空压机将只受上位机远程控制。4.1 PLC 监控程序设计开发环境为SIMATIC STEP7 V5.3 SP2编程软件包，它采用结构化程序设计，程序可读性强，调试和维护方便。单台空压机的主程序流程图如图4

14、 所示。图 4主程序流程图PLC 控制程序主要具有以下功能：（1 ）自动轮换运行。 PLC 根据总线采集的信号进行综合判断，然后发出启动、停机、加载、卸荷、报警等控制指令，监控空压机组自动运行，使得总管压力维持在设定的压力下限值和压力上限值之间。若风压低于压力下限值就增加空压机运行的台数，若风压高于压力上限值则减少空压机运行的台数，达到既满足井下用风需要、又可以降耗节能的目的。空压机连续运行 8 小时后机身温度会很高，需要停机休息，用于散发自身的热量，以保证机器不受损伤。因此，空压机需要进行轮换工作，以保证空压机安全可靠运行，延长设备使用寿命。 PLC 根据运行时间将受控于PLC 的空压机进行

15、排序，建立开机序列和停机序列，当需要增加空压机的运行台数时，PLC 将启动总运行时间最短的空压机；当需要减少空压机的运行台数时，PLC 将停止本次运行时间最长的空压机。（2 ）延时启动和延时停机。 PLC 自身具有较强的抗干扰能力，但由于现场条件、电网、用风量等各种复杂因素的影响，电机电流、电机电压等受到干扰将产生误报警；如果总管压力的扰动发生在压力下限值或者压力上限值附近，将它们作为一般工状处理就会出现频繁启动、停机现象，影响设备的可靠性和使用寿命。因此，需要对发出动作指令的起因信号作适当的延时处理，以消除扰动，防止误动作。（3 ）智能保护。空压机主电机在启动时，启动电流为额定电流的57 倍

16、，对电网和其他用电设备冲击很大，同时也会影响空压机的使用寿命，所以，空压机不宜频繁启动。为了使系统能够对用风状况进行准确判断，并据此控制空压机的启动，在井下用风高峰期空压机启动较频繁，当两次启动时间间隔小于预先设定的值时，将保持空压机持续运转而不停机，当连续两次加载间隔时间较长时，可认为用风高峰期已过，空压机投入间断运行状态。另外，对电机电流、电机电压、排气压力、进气负压、运行温度、油温、油滤压差等重要参数进行实时监控，出现异常及时进行故障报警，并作出处理。4.2 触摸屏人机界面设计选用与触摸屏 TP270 配套的组态软件Protool/pro 设计界面。 画面包括：（1 ）主画面： 空压机组

17、的运行状态以及主要参数的显示。（2 ）数据报表：实时数据汇总显示，并可查询历史数据和总管压力曲线。（3 ）运行设置：设置启动远程控制是否有效；设置自动启动、停机、加载、卸荷的压力阈值；设置时间参数、报警参数等。（4 ）报警查询：查询报警详细信息。（5）系统管理。4.3 上位机监控程序设计上位机监控软件选用西门子公司基于Windows环境的组态软件WinCC6.0版。主要由监控画面、实时报表、历史数据、报警查询、远程控制和系统管理界面组成，监控画面如图5 所示。图 5 监控画面5、结束语S7-300 PLC具有较高的性价比，但与现场设备支持的通信协议不兼容，系统采用CP341 模块作为Modbu

18、s 主站的方案具有一定的实际意义。现场调试和运行表明，该系统运行稳定，安全可靠，提高了空压机组的运行效率，实现了监控和管理的自动化。该系统不仅可以应用于煤矿的空压机组监控，而且可以推广到其他场合。Modbus通讯协议详细介绍收藏此信息打印该信息添加：用户发布来源： 未知协议发送给询问方。Modbus协议包括ASCII 、 RTU 、TCP 等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的 Modicon控制器使用 RS232C实现串行的Modbus 。Modbus的 ASCII 、RTU 协议规定了消息、数据的结构、 命令和就答的方式

19、，数据通讯采用Maser/Slave方式， Master端发出数据请求消息，Slave 端接收到正确消息后就可以发送数据到Master 端以响应请求；Master 端也可以直接发消息修改Slave 端的数据，实现双向读写。Modbus 协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII 模式采用LRC 校验， RTU 模式采用16 位 CRC 校验，但 TCP模式没有额外规定校验，因为 TCP 协议是一个面向连接的可靠协议。另外，Modbus 采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave 站点断开后（如故障或关机），Master 端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动

20、接通。因此，Modbus 协议的可靠性较好。下面我来简单的给大家介绍一下，对于Modbus的 ASCII 、 RTU 和 TCP 协议来说，其中TCP 和 RTU 协议非常类似，我们只要把RTU 协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU 协议的开始加上5个0和一个 6并通过 TCP/IP 网络协议发送出去即可。所以在这里我仅介绍一下 Modbus的 ASCII 和 RTU 协议。下表是 ASCII 协议和 RTU 协议进行的比较：协议开始标记结束标记校验传输效率程序处理ASCII:（冒号）CR,LFLRC低直观，简单，易调试RTU无无CRC高不直观，稍复杂通过比较可以看到， ASCII 协议和

21、 RTU 协议相比拥有开始和结束标记，因此在进行程序处理时能更加方便，而且由于传输的都是可见的ASCII 字符，所以进行调试时就更加的直观，另外它的LRC 校验也比较容易。但是因为它传输的都是可见的ASCII 字符， RTU 传输的数据每一个字节ASCII 都要用两个字节来传输，比如RTU 传输一个十六进制数0xF9,ASCII就需要传输 F的9ASCII 码 0x39 和 0x46 两个字节， 这样它的传输的效率就比较低。所以一般来说，如果所需要传输的数据量较小可以考虑使用ASCII 协议，如果所需传输的数据量比较大，最好能使用RTU 协议。下面对两种协议的校验进行一下介绍。1、LRC 校验

22、LRC 域是一个包含一个8 位二进制值的字节。LRC 值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的过程中计算LRC ，并将它和接收到消息中LRC 域中的值比较，如果两值不等，说明有错误。LRC 校验比较简单， 它在 ASCII 协议中使用， 检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。它仅仅是把每一个需要传输的数据按字节叠加后取反加1 即可。下面是它的VC 代码：BYTEGetCheckCode(constchar* pSendBuf,int nEnd)/ 获得校验码BYTEbyLrc= 0;charpBuf4;int nData= 0;for(i=1;iend;i+=2)

23、/i 初始为 1，避开 “开始标记 ”冒号/每两个需要发送的ASCII 码转化为一个十六进制数pBuf0= pSendBufi;pBuf1= pSendBufi+1;pBuf2= 0;sscanf(pBuf,%x,&nData);byLrc+= nData;byLrc= byLrc;byLrc+;returnbyLrc;2、CRC 校验CRC 域是两个字节，包含一16 位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC ，并与接收到的CRC 域中的值比较，如果两值不同，则有误。CRC 是先调入一值是全“1的” 16 位寄存器， 然后调用一过程将消息中连续的8 位字节

24、各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的8Bit 数据对 CRC 有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。CRC 产生过程中，每个8 位字符都单独和寄存器内容相或（OR ），结果向最低有效位方向移动，最高有效位以 0 填充。 LSB 被提取出来检测，如果LSB 为 1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB 为 0 ，则不进行。整个过程要重复8 次。在最后一位（第8 位）完成后，下一个8 位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC 值。CRC 添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节。下面是它的VC 代码：WORDGetCheckCode(co

25、nstchar* pSendBuf,int nEnd)/ 获得校验码WORDwCrc = WORD(0xFFFF);for(inti=0; inEnd; i+)wCrc=WORD(BYTE(pSendBufi);for(intj=0; j=1;wCrc=0xA001;elsewCrc=1;returnwCrc;对于一条RTU 协议的命令可以简单的通过以下的步骤转化为ASCII 协议的命令：1、 把命令的CRC 校验去掉，并且计算出LRC 校验取代。2、 把生成的命令串的每一个字节转化成对应的两个字节的ASCII 码，比如0x03 转化成 0x30,0x33 （ 0的 ASCII 码和 3 的

26、ASCII 码）。3、 在命令的开头加上起始标记“，:”它的 ASCII 码为 0x3A 。4、 在命令的尾部加上结束标记CR,LF （0xD,0xA ），此处的CR,LF 表示回车和换行的ASCII 码。所以以下我们仅介绍RTU 协议即可，对应的ASCII 协议可以使用以上的步骤来生成。下表是 Modbus支持的功能码：功能码名称01读取线圈状态02读取输入状态03读取保持寄存器04读取输入寄存器05强置单线圈06预置单寄存器07读取异常状态08回送诊断校验09编程（只用于484 ）作用取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF)取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF)在一个或多个保持寄存器

27、中取得当前的二进制值在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值强置一个逻辑线圈的通断状态把具体二进值装入一个保持寄存器取得 8 个内部线圈的通断状态，这8 个线圈的地址由控制器决定把诊断校验报文送从机，以对通信处理进行评鉴使主机模拟编程器作用，修改PC 从机逻辑可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信，探询该从机是否已完成其操作任10控询（只用于 484 ）务，仅在含有功能码 9 的报文发送后，本功能码才发送11可使主机发出单询问，并随即判定操作是否成功，尤其是该命令或其他应答产生读取事件计数通信错误时12可是主机检索每台从机的Modbus 事务处理通信事件记录。如果某项事务处理完读取通信事件

28、记录成，记录会给出有关错误13编程（ 184/384 484 584）可使主机模拟编程器功能修改PC 从机逻辑可使主机与正在执行任务的从机通信，定期控询该从机是否已完成其程序操作，14探询（ 184/384 484 584）仅在含有功能 13 的报文发送后，本功能码才得发送15强置多线圈强置一串连续逻辑线圈的通断16预置多寄存器把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器17报告从机标识可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态18（884 和 MICRO 84 ）可使主机模拟编程功能，修改PC 状态逻辑19重置通信链路发生非可修改错误后，是从机复位于已知状态，可重置顺序字节20读取通用参

29、数（584L ）显示扩展存储器文件中的数据信息21写入通用参数（584L ）把通用参数写入扩展存储文件，或修改之22 64保留作扩展功能备用65 72保留以备用户功能所用留作用户功能的扩展编码73 119非法功能120 127保留留作内部作用128 255保留用于异常应答在这些功能码中较长使用的是1 、2、 3 、 4、 5 、6 号功能码，使用它们即可实现对下位机的数字量和模拟量的读写操作。1、读可读写数字量寄存器（线圈状态）：计算机发送命令： 设备地址 命令号 01起始寄存器地址高8 位 低 8 位 读取的寄存器数高8 位 低8 位 CRC 校验的低8 位 CRC 校验的高8 位例： 11

30、0100130025CRC低 CRC 高 意义如下： 设备地址：在一个485 总线上可以挂接多个设备，此处的设备地址表示想和哪一个设备通讯。例子中为想和 17 号(十进制的17 是十六进制的11) 通讯。 命令号01 ：读取数字量的命令号固定为01 。 起始地址高8 位、低 8 位：表示想读取的开关量的起始地址(起始地址为0) 。比如例子中的起始地址为19 。 寄存器数高8 位、低 8 位：表示从起始地址开始读多少个开关量。例子中为37 个开关量。CRC校验：是从开头一直校验到此之前。在此协议的最后再作介绍。此处需要注意，CRC 校验在命令中的高低字节的顺序和其他的相反。设备响应： 设备地址

31、命令号 01 返回的字节个数 数据 1 数据 2. 数据 nCRC 校验的低8 位 CRC校验的高8 位例： 110105CD6BB20E1BCRC低CRC 高 意义如下： 设备地址和命令号和上面的相同。 返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1 ， 2.n 中的 n 的值。 数据 1.n ：由于每一个数据是一个8 位的数，所以每一个数据表示8 个开关量的值，每一位为0 表示对应的开关断开，为1 表示闭合。比如例子中，表示20 号 (索引号为19) 开关闭合， 21 号断开， 22 闭合， 23 闭合， 24 断开， 25 断开， 26 闭合， 27 闭合 . 如果询问的开关量不是8 的整倍数，那么最后一个字节的高位部分无意义，置为0 。CRC校验同上。2、读只可读数字量寄存器（输入状态）：和读取线圈状态类似，只是第二个字节的命令号不再是1而是 2。3、写数字量（线圈状态）：计算机发送命令： 设备地址 命令号 05需下置的寄存器地址高8 位 低 8 位 下置的数据高8 位 低8 位 CRC 校验的低8 位 CRC 校验的高8 位例： 110500ACFF00CRC低 CRC 高 意义如下： 设备地址和上面的相同。 命令号 :写数字量的命令号固定为05 。 需下置的寄存器地址高8 位，低 8 位：表明了需要下置的开关的地址。 下置的数据高8