空压机站分布控制系统软件设计

空压机站分布控制系统软件设计本科生毕业论文（设计）题目：空压机站分布控制系统软件设计姓名：系别：专业：年级：学号：指导教师：职称：年月日引言进入信息时代，微型计算机技术得到了前所未有的发展机遇，同时自动化技术也迎来了自己的黄金发展时机，当下，计算机检测和控制系统在很多领域得到了大规模的应用，空压机站分布控制系统软件也是基于自动化不断发展的时代产物。随着移动终端的越来越普及，空压机站利用微机来实现控制也是未来的一种发展趋势，它改变了传统的人工控制，大大地节约了劳动力，同时，它的管理更加的向着智能化、科学化地监控与管理发展，大大地提高了空压机的安全可靠性和质量保证性。可编程控制器（PLC）是在综合了计算机技术，自动化控制技术和通信技术的一种通用型的工业自动控制装置。它具有功能强、操作可靠、使用方便以及适合于工业环境等系列优点。因此，应用PLC设计空压机站分布控制系统，可实现较好的监控功能和效果。本课题利用西门子在PLC控制上的成熟技术，采用西门子Step7和WinccFlexible软件对空压机站分布控制系统进行软件设计，主要实现集中管理分布控制的控制目标，系统能够通过触摸屏监控现场4台空压机的温度和压力，并实现超标报警和记录报警的功能。第1章绪论1.1选题的背景与意义本论文是以某矿山空压机监控系统为背景，该空压机站内有四台5L－40/8型矿用压缩机。以往对这四台空压机的监视靠的是现场操作人员24小时的不间断值守监视，工作人员的劳动强度大，工作环境恶劣，记录的数据不准确，出现异常时也无法及时保护空压机。而对空压机的控制则主要是通过继电器搭成的控制柜来控制空压机的启动，停止等操作，不利于系统的维护、升级，稳定性欠缺。随着电子、软件、控制等信息技术的不断革新，更加地朝着智能人性化方向发展，随之带动了检测和控制设备的一个发展高潮，尤其当下最炙手可热可编程逻辑控制器PLC，它的出现集中了性能优越，价格低廉，占据空间小等优点。与之前的继电器逻辑控制电路相比其具有很大的扩展空间。因此，PLC在空压机监控控制系统中得到了广泛的使用。在使用过程中，PLC实现了优越的的自诊断、监控和报警等一套自动化的流程，同时，对故障的原因及部位能通过数据端实现实时记录，所以，它对于提高生产效率，实现现代化的管理，保证了人民的生产财产安全具有重大意义。1.2技术现状与发展趋势1.2.1空压机站技术现状空压机的主要功能是实现对气体的压缩并完成其高压输送，由于其优越的功能在矿山、机械、电子等行业得到了广泛的运用。但是由于其需要巨大的压力来实现空气的压缩。其需要的能耗是巨大的，所消耗的能耗不同，其排气压力时所采取的控制方式也将会不一样。压力控制主要有如下三种方案:（1）在开关端利用进气口阀门的加载、卸载来实现气压的控制；（2）利用电机启、停时所产生的初动力实现控制；（3）通过频率转而控制电机转速，从而控制气压大小，当储气压力<所需压力时，加速电机运转，当储气压力>所需压力时，减速电机运转。（1）方案虽然控制步骤简单，但是可能在过程中出现空压机空载运作状态，作无用功，消耗了不必要的能耗；（2）方案操作复杂，其需要不停的反复启动和停止电机，会产生很大的冲击电流，对电机的使用寿命造成了极大的损耗；（3）方案是目前使用最多的方案，它能够达到良好的的节能，压力控制效果远比其他两种方法优越，但是它于鏊另外增设一套设备即变频调速主电路及控制系统，所需要的设备是及其复杂的。例如它还需要采用PLC控制器来实现控制算法。随着电子、软件、控制等信息技术的不断革新，更加地朝着智能人性化方向发展，随之带动了检测和控制设备的一个发展高潮，尤其当下最炙手可热可编程逻辑控制器PLC，它的出现集中了性能优越，价格低廉，占据空间小等优点。PLC还能实现优越的的自我诊断、同时集中了监控和报警等一套自动化的流程，对故障的原因及部位能通过数据端实现实时记录。目前PLC的发展已相当成熟。德国的SIEMENS，美国的GE都有系列产品。PLC以其性能优越、可靠性高、编程简单，在工程控制领域占据了极大的市场与需求。1.2.2空压机站技术发展趋势改革开放以来，微处理机得到了史无前例的发展，其市场价值得到不可预估的价值。目前出现了分布式控制系统（DCS），分布式控制系统集中了标准化、模块化、系统化三大设计主流而搭建的，其操作管理平台由过程控制级、过程管理级、生产管理级和经营管理级等组成，它是以通讯网络为中间传输带的的集中显示操作系统，控制比较分散，相关技术配置组态灵活方便。DCS的发展推动了相关技术的应用和发展，如可编程控制器PLC技术，现场总线FieldBus技术、智能控制技术与过程控制技术等。同时这些技术也为DCS的发展提供了有力的支持和保障。而与PLC技术的相融合已成为当今DCS技术的重要发展方向。随着DCS技术的发展，空压机站监控系统也必将顺应DCS系统的趋势，朝着标准化，模块化，网络化，智能化的方向发展。1.3作者的主要工作本课题是在导师的指导下，对矿山空压机站分布控制系统进行软件设计，作者的主要工作可概括如下：1.研读毕业设计任务书，根据任务书进行了检索查阅相关技术文献和资料；2.在明确系统功能和技术指标要求的基础上进行系统方案的总体设计；3.在系统总体方案框架下进行了系统的硬件选型与设计；4.在系统总体方案框架下进行了系统的控制软件设计和监控软件设计；5.对系统程序进行调试；6.总结在工作中遇到的问题和与老师讨论的结果；7.最后论文对毕业设计工作进行了总结，并对接下来的工作进行展望。1.4论文的内容安排论文主要针对空压机分布控制系统进行研究和设计，根据实际要求，完成整个控制系统的总体方案，并对软件系统进行详细的设计，实现最终的自动化控制系统。第1章主要介绍课题的选题背景，以及目前空压机站监控系统的现状和未来的发展方向。第2章主要介绍空压机分布控制系统的设计指标和要求，系统的整体设计方案。第3章介绍PLC、触摸屏硬件的选型与组态。第4章主要是空压机分布控制系统的控制程序和监控程序的设计。第5章主要是对系统的调试。第6章对本次设计的总结和展望。

第2章空压机站分布控制系统总体方案设计2.1系统的设计原则2.1.1可靠性原则系统运行时需满足实时性和连续性；系统间的独立性与冗余容错结构的协调性；对程序和数据的保护，对工业生产环境的适应性。2.1.2安全性原则矿用空压机站风包温度，轴瓦温度，气缸温度，风包压力，排气压力，缸体压力，总水管压力等与系统安全相关指标必须全程在允许范围之内。所有操作要保证有序进行，工作状况要保证全程稳定。各类生产过程中可能产生的异常要充分考虑。2.2系统的设计指标及要求根据现场的实际情况，矿山空压机智能监控系统需满足如下要求：1.温度、压力传感器必须满足耐腐蚀、耐高温、高抗震、寿命长等要求。2.温度检测点要实现对风包温度、轴瓦温度、一级气缸温度、缸体温度、出水管温度、二级温度等6大处的检测，压力检测点要实现对风包压力、二级排气压力、一级排气压力缸体压力、进水管压力、总水管压力等6大处压力的检测。并实时监测。3.检测点处的实时温度值、实时压力值大于起初设置的报警值（计算标准值）时，会发生系统报警；当设置的的停机值时，空压机自动关闭，并停止自启动的发生（即下次启动时必须重新按下启动按钮，防止故障期间的频繁启动）。具体报警参数、停机参数见表2-1。表2-1空压机报警参数、停机参数压力——风包压力二级排气压力一级排气压力缸体压力进水管压力总水管压力报警值0.7MPa0.7MPa0.23MPa≤0.1MPa≤0.01MPa≤0.13MPa停机值无0.75MPa0.25MPa≤0.09MPa≤0.01MPa无温度——风包温度轴瓦温度一级气缸温度缸体温度出水管温度二级温度报警值160℃62℃160℃60℃80℃160℃停机值无65℃无无无无4.所有检测点的数据要每隔半小时记录一次，并且实行数据存储；当然，为了检修的方便，各检测点的报警、停机的时间和故障排除等情况要一一记录在案。5.随着压力系统的不断更换，各检测点的报警值、动作值也要实现计算与修改。6.数据监督体统通过排除能够定位故障传感器，辅助修理人员排除传感器故障。7.系统可以远程维护，软件可升级[1]。2.3系统的总体方案整个空压机站只能监控系统由一台监控主柜和四台监控分柜组成，如图2-1所示。图2-1系统总体结构图整个系统信息综合管理的核心平台是监控主柜，它不仅能对配套设施高性能触摸屏与用户之间实现交互，还能较快地轮循访问任何一台监控分柜，也能对监控分柜发出命令实现自动化控制。首先分布式控制器空压机各检测点的实时数据进行现场及时的采集，并且对其进行处理判断、存储在案。一旦检测点数据不符合规范值，空压机监控分柜就会及时发出警报，并通过串联空压机原配有的控制柜对空压机进行控制[2]。第3章空压机分布控制系统硬件设计3.1系统硬件的选型3.1.1PLC的选型PLC选型是设计中重要的一部分，选型时应满足以下原则：1.PLC功能要适当，结构要合理；2.输入，输出功能及负载能力的合理；3.使用的环境条件；4.根据以上原则，这次设计选择西门子S7-300系列的CPU315-2DP。3.1.2触摸屏的选型触摸屏的选型应根据实际的需求情况而定，可考虑以下几点：1.需要的色彩是种类2.需要多大的尺寸3.是否有以太网通讯接口或USB接口4.支持哪种通讯协议根据实际需求，本次设计选择西门子的MP27010''Touch。3.2系统组态3.2.1系统硬件组态硬件组态的功能就是在步骤七中产生一个与实际的硬件系统完全吻合的的操作系统，如生成网络中的各个站点的机架模块构体，同时对模块构体的参数要计算和设置，即完成参数的赋值（要考虑安全系数）。模块的所有系数都采用用编程软件计算设置，完全取缔了传统的用来设置参数的硬件DIP开关的电位器[3]。根据实际硬件系统，在STEP7中需要进行相应的硬件组态。建立机架，一次配置各个模块。配置完模块后就要对模块进行参数设置，其中数字量的输入模块地址是从I0.0-I1.7，数字量输出模块的地址是从Q0.0-Q1.7，模拟量输入模块地址为IW0-IW30。具体硬件组态图如图3-1。图3-1系统硬件组态3.2.2系统网络组态西门子SIMATIC的通信规定了PC与PLC之间、PLC与PLC之间、PLC与OP之间、PLC与PG之间、PLC与现场设备之间的信息交换的连接关系，为了满足控制系统的不同需要，它有多种通讯方式可选。本次设计采用PROFIBUSDP网络进行通讯。网络组态图如图3-2所示。图3-2系统网络组态第4章空压机分布控制系统软件设计4.1系统控制软件设计4.1.1系统控制软件总体设计针对矿山空压机站分布控制系统的特点，控制软件的设计思想如下：1.提高软件的抗干扰能力，软件的抗干扰主要涉及到：输入部分抗干扰，软件执行部分抗干扰和软件输出部分抗干扰。系统的输入信号大多是模拟量信号，所以软件的整体性抗干扰主要表现在对软件滤波算法的判断选择上面，以及对采样频率和数据模量的选取上面；对软件的局部抗干扰主要体现在设置相应的监督看门狗，或者设置对应的监视程序来完成对逻辑标志位的检测；但是对于PLC的软件输出要采取主要的简单开关量的设置，因为其干扰力较小，故而可以不必进行设计。2.模块化设计是将整个程序分解成若干个子功能块，然后将子功能块不断分解成子程序，将程序的编写过程简单化，完成功能块的调用和子程序的调用过程就可以实现整个程序的控制。3.增强快速反应能力，适当的使用中断和使用立即输出功能，控制整体程序的篇幅，避免使用跳转指令，缩短程序的扫描周期。4.留有适当的备用区域，便于今后的扩展。5.为硬件的配置参数开辟专用变量区，方便参数的更改。程序结构图如图4-1所示。图4-1程序流程图4.1.2系统软件资源分配根据实际情况，定义出系统的I/O地址。系统I/O地址分配表输入信号见表4-1，输出信号见表4-2。表4-1输入信号输入信号符号类型地址编号空压机起动按钮DII0.0空压机停止按钮DII0.1空压机起动反馈信号DII0.2总报警测试DII0.3温度传感器信号AIIW0压力传感器信号AIIW10表4-2输出信号输出信号符号类型地址编号空压机起动输出DOQ0.0空压机停止输出DOQ0.1报警笛DOQ0.2动作停止DOQ0.3报警灯DOQ1.0空压机起动指示灯DOQ1.1系统软件总体资源分配表如表4-3所示。表4-3系统软件总体资源分配表资源描述OB100上电初始化程序OB1主程序FC1系统复位模块FC2空压机起动/停止模块FC3空压机急停模块FC4压力采集模块FC5温度采集模块FC6模拟量处理模块FC7报警模块4.1.3系统数据采集软件设计压力、温度等过程量输入信号，经过传感器变为系统可接收的电压或电流信号，再通过模拟量模块中的A-D转换，以数字量形式传送给PLC。然而电压、电流等模拟量常常会因为现场的瞬时干扰而产生较大的扰动，若仅采用瞬时采样值进行控制计算，将会产生较大的误差，有必要采用数字滤波方法。工程上数字滤波方法很多，如平均值滤波法、中间值滤波法、惯性滤波法等。本次设计采用平均值滤波法。在滤波处理子程序FC81中，将最近3次温度数据保存在3个全局地址区域，每个扫描周期进行更新以确保是最新的3个数。最后，将3个数相加求平均完成模拟量滤波。FC81变量声明见表4-4，程序图见图4-2。表4-4变量声明变量声明变量类型数据类型说明RawValueINREAL要处理的温度EarlyValueIN_OUTREAL最早的温度LastValueIN_OUTREAL较早的温度LastestValueIN_OUTREAL最近的温度ProcessedValueOUTREAL滤波后的温度值temp1TEMPREAL中间结果temp2TEMPREAL中间结果图4-2模拟量滤波程序4.1.4系统控制软件设计空压机站分布控制系统中每个PLC从站所使用的组织块包括OB1，OB100。OB100系统启动时运行一次完成系统初始化的功能。所使用的功能块有FC1系统复位模块，FC2空压机起动/停止模块，FC3空压机急停模块，FC4压力采集模块，FC5温度采集模块，FC6为模拟量处理模块，FC7报警模块。系统初始化子程序在仅在PLC起动时调用一次，系统初始化子程序清除程序中用于采样、滤波运算的变量缓冲区，清除报警标志位和停机标志位，防止过去改变的中间变量数据和标志位对本次运行产生影响，带来不可预知的错误。具体流程图如图4-3所示。图4-3系统初始化子程序流程图在FC1模块中，对整个空压机站系统进行复位，所有空压机停止运作，报警标志位清零。在FC2模块中，通过按钮开关输入信号控制空压机的起动与停止。FC3模块是在空压机在运转中发生故障或紧急状态时采取急停。FC4、FC5模块是对空压机运转时的温度、压力值进行采集。FC6模块主要是为了对采集到的模拟量信号进行处理滤波，降低误差。FC7模块是对温度、压力超过标准值与停机值进行报警，停机。报警、停机事件判断子程序主要是通过判断报警和停机的条件来产生相应的报警和停机信号。报警信号为检测点超标报警信号，停机信号为检测点超标停机信号。在设计该功能模块时，为每一处检测点定义了2个标志位，检测点超标报警标志位和检测点超标停机标志位。然后将每一处检测点的标志位分别汇总成为总检测点超标报警信号和总检测点超标停机信号。最后将报警信号和停机信号对应到相应的输出口。检测点超标报警和检测点超标停机的条件是传感器读数值超过了预先设定的报警值和停机值，此时就产生相应的检测点超标报警标志位和检测点超标停机标志位。报警、停机事件判断子程序流程图如图4-4所示。图4-4报警、停机事件判断子程序流程图其它部分程序如图4-5所示。图4-5部分程序图4.1.5系统通信软件设计西门子SIMATIC在PLC与PLC之间有多种通讯方式可以选择，例如MPI网络通信，PROFIBUSDP网络及以太网。本课题采用的是PROFIBUSDP网络进行通讯。PROFIBUS是一个令牌网络，一个网络中有若干个从站，而它的逻辑令牌只有一个主站，这样的网络为纯主从系统。典型的PROFIBUS-DP总线配置是以此种总线存取程序为基础的，一个主站轮询多个从站。PROFIBUS-DP在整个PROFIBUS应用中最为广泛，它可以连接不同厂商负荷PROFIBUS-DP协议的设备[4]。用STEP7软件进行系统的通信软件设计，首先在硬件组态中配置主站和从站，选择通信方式，分别设置主站、从站CPU在DP网络中的地址，如图4-6所示。图4-6通信方式设置4.2系统监控软件设计4.2.1WinCCFlexible开发软件简介WinCCflexible，德国西门子（SIEMENS）公司工业全集成自动化（TIA）的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。WinCCflexible用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。WinCCflexible与WinCC十分类似，都是组态软件，而前者基于触摸屏，后者基于工控机[5]。4.2.2系统监控程序总体设计使用WinCCflexible软件来设计监控程序，根据工程设计要求，设计触摸屏与用户进行交互的界面总体框架图。触摸屏界面总设计框架如图4-7所示。图4-7触摸屏界面总框架4.2.3系统监控程序设计根据设计需求，需要对四台空压机的实时温度、压力进行监控，温度、压力数值直接在触摸屏上反映出来，并能够查询报警标志和报警的历史纪录，进行WINCC界面设计，软件监控界面图如图4-8所示。图4-8软件监控界面监控程序变量声明如图4-9所示。图4-9监控程序变量声明报警记录设置如图4-10所示。图4-10报警记录设置4.2.4触摸屏与PLC的连接与组态将触摸屏与PLC连接并进行组态，首先打开WINCC中项目列表，单击在Step-7中集成。完成后设置PLC与触摸屏的连接参数。连接图如图4-11所示。图4-11连接组态图第5章空压机分布控制系统调试5.1系统各部分程序分别调试5.1.1系统控制程序调试本课题的控制程序调试主要进行实验室调试，运用西门子STEP7中的S7-PLCSIIM仿真软件对控制程序进行仿真运行，在变量表中查看对应输出输入点的状态，观察程序运行的可行性，以及功能是否正常，检测当空压机系统温度、压力超过标准值时空压机是否报警，报警灯、报警笛是否动作，当温度、压力超过停机值时空压机是否停机。PLCSIIM仿真调试如图5-1所示。图5-1PLCSIIM仿真调试5.1.2系统通信程序调试系统的通信程序调试主要是通过检测主站PLC与从站PLC是否有建立连接，可通过网络组态查看。检测PLC与触摸屏之间是否有建立连接，可通过改变PLC特定参数的变量，观察触摸屏上是否有反应。5.1.3系统监控程序调试系统的监控程序调试主要是通过WinccFlexible软件的仿真进行调试，检测当报警标志位动作时，主界面的报警灯是否会闪烁，报警笛是否会动作，是否会产生报警记录。5.2系统各部分程序联合调试系统各部分程序联合调试是将系统控制程序调试，系统通讯程序调试和系统监控程序调试相结合，对整个系统的软件设计进行调试。检测PLC主站与从站之间的通信是否有效，PLC与触摸屏之间的通信是否正常。在控制软件仿真系统出现报警、停机的时候，监控界面仿真程序的报警标志位、停机标志位是否会动作，以及报警指示灯、停机指示灯是否会闪烁，监控界面是否会显示空压机的实时温度和压力。在所有程序正常运行的情况下，完成调试。1号空压机温度超过标准值调试图如图5-2所示。图5-2整体调试结论本课题主要完成空压机站分布控制系统的软件设计。在开始设计的时候，本人对课题设计方向上的理解有些不到位，在导师的讲解和与同学的交流讨论之后，明确了设计的方向。在多次与导师的讨论和阅读了大量资料之后，确立了系统的总体设计方案。在进行系统软件设计之前，本人先是认真学习了西门子Step7和WinCCFlexible这两款软件，并查找了相关的编程手册。之后明确了空压机系统的设计原则和设计指标和要求，完成了基本的PLC和触摸屏的选型，并对系统进行了硬件组态和网络组态。本课题的主要部分是系统的软件设计，系统的软件设计分为控制软件设计和监控软件设计，系统的控制软件设计主要分为系统控制软件总体设计，数据采集软件设计，控制程序设计和通信软件的设计，系统的监控软件设计主要是完成对WinCCFlexible监控界面和监控程序的设计，还有将PLC和触摸屏进行连接。最后进行各部分程序的分别调试和整个系统程序的联合调试，检测系统的稳定性和可行性。通过本次空压机站分布控制系统软件设计，实现了对空压机温度、压力的实时监控并进行报警和记录报警的目标，虽然本次设计运用到的知识只是围绕这个课题展开的，但是将来我可以把本次设计中学习到的设计思路和设计原则，运用到以后的工作中，实现自己学习能力和工作能力的提升。如今时代工业发展迅速，随着德国工业4.0概念的提出，让我们深刻的意识到中国制造业的不足，如果我们不能在巨大的压力下反省自己的不足，任重道远的进行改革，中国传统制造业将会被世界淘汰。电气自动化智能生产已经未来成为了未来工业发