（控制理论与控制工程专业论文）空气压缩机组监控系统开发.pdf

大连理工大学硕士享伊论文 摘要 活塞式空气压缩机以其单级压缩比高，工作效率高等特点，广泛应用于工业生产领 域，在其规模不断扩大的同时，危险性和不确定性也日益提高。计算机监控技术和计算 机网络技术的发展，为人们更加可靠和安全地运行机组提供了便利。空气压缩机组监控 系统正是这两种技术结合的产物。 在空气压缩机组监控系统中，可编程控制器( p l c ) 作为下位机得到了广泛的应用， 较好地解决了工业控制领域中普遍关心地可靠性、安全性等问题；而在上位机中利用组 态软件开发出友好的用户监控界面，是一种成本低、开发周期短的方案。 本文在了解国内外监控技术发展及应用概况的情况下，以某油田分公司油气集输公 司压缩机站改造项目为背景，研究了空气压缩机组监控系统的设计与开发。 论文研究了国内外压缩机在线监控方法的动向，并进行了综述，同时，对空气压缩 机组的工艺特性进行了分析。给出了空气压缩机组分布式监控系统的总体设计方案、硬 件组态及网络通讯配置方案。开发了空气压缩机组公共参数系统的p l c 监控软件，及 基于w l n c c 的空气压缩机组上位机过程监控软件，完成了监控系统的安装与调试工作。 系统运行结果显示本系统具有较好的可靠性、灵活性、交互性及稳定性。 最后论文总结了在整个研究过程中所取得的主要成果，并指出集监控、分析、诊断 和显示于一身的专家系统，是以后的工作目标。 关键词；活塞式空气压缩机；可编程控制器；组态软件：在线监控系统 大连理工大学硕士学位论文 t h e d e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e mo fa i rc o m p r e s s o rs e t a b s t r a c t p i s t o nc o m p r e s s o r sa r ew i d e l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r i a l 丘e l db e c a u s eo ft h e i rm a n y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ka sh i g hc o m p r e s s i o nr a t i oi ns i n g l es t a g e ，h i g hw o r ke f f i c i e n c ya n ds oo n , b u tt h e i rf a t a l n e s sa n du n c e r t a i n t yi n c r e a s e dw i t ht h e i r s e a l e s n 坞d e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb r o u g h tv e r yb i g c o n v e n i e n c ef o rp e o p l et oo p e r a t ec o m p r e s s o rs e tm o r er e l i a b l ya n ds a f e l y t h cm o n i t o r i n g s y s t e mo fa i rc o m p r e s s o rs e ti sap r o d u c to f t h e s et e c h n o l o g i e s i nt h em o n i t o r i n gs y s t e mo fa i rc o m p r e s s o rs e t , t h ep l cs o l v e st h ep r o b l e m sa b o u t c r e d i b i l i t ya n ds a f e t yt h a tm a n ye x p e r t sc a r ef o ri ni n d u s t r i a lf i e l d ，s oi ti sw i d e l ya p p l i e da s t h el o w e rl e v e lc o n t r o l l e r , m e a n w h i l ei ti sal o wc o s t , s h o r tp e r i o ds c h e m et h a tw ed e s i g n f r i e n d l yr e a lt i m ed i s p l a y i n gw i n d o w sb yu s i n gc o n f i g u r a t i o ns o t ! t 、】v a r ci nt h es u p e rc o m p u t e r n ea u t h o rd i s s e r t a t e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tf o rt h i sp r o j e c tu n d e rt h eb a c k g r o u n d o ft h ea i rc o m p r e s s o rp l a n to fs o m eo i l f i e l db r a n c hf o rs t o r a g ea n dl r a n s p o r t a t i o no fo i la n d g a sa f t e rk n o w i n ga b o u tt h ed e v e l o p m e n td o m e s t i ca n do v e r s e a so n l i n em o n i t o r i n gt e c h n i q u e t h ea r t i c l es t u d i e sa n ds u m m a r i z e st h ep u l s eo ft h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo f c o m p r e s s o ri nd o m e s t i ca n do v e r s e a sf i e l d ，m e a n w h i l ei ta n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t e c h n i c so ft h ec o m p r e s s o rs e t t h e nt h et h e s i sg i v e st h et o t a ld e s i g np l a n , h a r d w a r e c o n f i g u r a t i o na n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np l a no ft h ea i rc o m p r e s s o rs e td i s t r i b u t i v i t y m o n i t o r i n gs y s t e m ，a n di td e v e l o p st h ep l cm o n i t o r i n gs o , w a r eo f p u b l i cp a r a m e t e r sa n dt h e s u p e rc o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h ea i rc o m p r e s s o rs e tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n w i n c c 。a n df i n i s h e st h ei n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n go ft h es y s t e m t h er u n n i n gr e s u l ts h o w s t h a tt h es y s t e mh a sg o o dr e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t y , i n t e r a c t i v i t ya n ds t a b i l i t y a sac o n c l u s i o n , t h e a r t i c l es u m m a r i z e st h em a i na c h i e v e m e n ti nt h ew h o l er e s e a r c hc o u r s ea n dp o i n t so u tt h a tt h e e x p e r ts y s t e mi n c l u d i n gm o n i t o r i n g ，a n a l y s i s ，d i a g n o s i sa n dd i s p l a y i n gi st h ef u t u r ed i r e c t i o n f o rl o t so f r e s e a r c h e r s k e yw o r d s ：p i s t o na i rc o m p r e s s o r = p l c ：c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ：o n l i n em o n i t o r i n g s y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 壶比劬2 日期：迎笸垒丛日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 立竺年上l 月z - 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源与背景 本学位论文的课题来源于某油田分公司油气集输公司重大科研项目“空气压缩机组 过程监控系统”。该油田分公司油气集输公司压缩机站始建于1 9 7 3 年，是该油田外输 气的枢纽，主要担负着该油田天然气的外供任务由于机组性能及电气设备严重老化， 使压缩机在运行过程当中经常发生故障，生产中存在着各种安全隐患，影响天然气的正 常外输。为了消除隐患，保障正常生产，该公司于2 0 0 5 年对压缩机组进行重建，引进5 台活塞式空气压缩机( 包括2 台高压机、2 台低压机和1 台高低压备用机) 由于其工 艺复杂，生产连续性强，只有通过计算机控制系统准确地监控设备的运行状况，及时地 调整工艺参数的扰动，才能促进其生产的稳定、协调和优化，保证整个系统的高效运转。 活塞式压缩机( 又称往复式压缩机) 在国民经济各部门中使用极其广泛，是利用活 塞在气缸内做往复运动，使容积减小而提高气体压力并输送气体的一种机械。由于其单 级压缩比高，工作效率高等优点，在石油、化工、机械、采矿、制冷、制药、冶金、建 筑、土木、食品和国防等工业部门得到广泛应用l l j 。压缩机、泵、风机和电动机四类产 品的设计制造水平，以及它们的运行经济性和可靠性，已被认为是衡量一个国家的机械 工业发展状况和水平的标志之一，在经济建设中占有极其重要的地位【2 】。 1 2 课题研究的意义 随着现代化工业和科学技术的迅猛发展，冶金、石化、电力等行业的生产过程向着 大型化、系统化、自动化方向发展，已经形成了一个具有整体行为的链式生产系统。作 为链式系统的每一环节，任一关键设备发生故障都将导致整个生产过程不能正常运转， 甚至会引起灾难性事故的发生，造成巨大的损失。近些年来重大设备事故的发生，使得 人们意识到，设备可靠性及安全性的重要性。设备的可靠性是一项系统工程，应贯穿于 设计、制造到运行和管理的整个过程，设计、制造过程中设备本身固有可靠性的提高固 然重要，运行管理中的使用可靠性亦不容忽视网只有在保证使用可靠性的前提下，既 有可靠性才能得到充分的实现和发挥。要提高使用可靠性，在使用和管理中必须依靠精 心、合理的操作，利用各种现代化先进技术和手段进行科学管理。 提高设备的可靠性和安全性，最直接的方法就是排除安全隐患，避免事故发生在 早期的实际生产中，人们常用的一种防止重大设备事故的方法称作：定期检修。其本质 就是提前检修，以设备安全运行为主要前提，但往往降低了设备的利用率。这种极不科 学的维修方式所消耗的成本可能会达到整个维护成本的7 0 e 4 1 。如果对生产过程中设备 空气压缩机组监控系统开发 的状态进行监测，跟踪发现潜在的故障并预测其发展趋势，在真正必要的时候停机维修， 那么就可以兼顾安全性与经济性，实现稳定高效的生产因此，人们迫切需要这样的系 统：它实时的或定期的监视设备的运行状态，发现设备的微小故障，实现事故的早期预 报，以便人为及时排除安全隐患，做到“防患于未然”，避免重大事故的发生。由此可 见，建立快速、稳定的状态监测系统势在必行。 油气集输公司空气压缩机组过程监控系统是一种分布式控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，它是在吸取了模拟仪表控制系统和直接计算机控制系统优点的基 础上发展起来的，实现了人机对话技术，系统扩展灵活，在实现控制功能分散的同时， 分散了危险性，并将参数显示和操作部分进行集中，具有很高的可靠性嘲。 1 3 课题研究的现状 压缩机作为一种通用机械，为了适应用户的需要和激烈的市场竞争，研究与开发一 直在广泛而深入的进行着【6 】。近年来，国内外不少企业和研究机构对活塞式压缩机状态 监控技术进行开发研究，并且已经研究出具有一定特色的在线监控系统，例如丹麦b & k 公司的3 5 4 0 监控系统，在十字头滑道部位安装加速度传感器，美国b e n t l y 公司的3 3 0 0 监测系统，设置了6 个通道的活塞杆下沉监测器、3 2 通道的进出口气阀温度监测器和双 通道振动速度监测器，利用多种传感器对这些关键部位进行监测来判断是否发生气缸下 沉，活塞杆和填料磨损，气阀损坏，主轴承磨损和运动部件松动等故障。 国内的研究也比较活跃，东风汽车厂和华中工学院联合研制的s a c d s 在线诊断监 测系统，监测的参数包括热力、振动和电参数在内共8 0 多个。在信号的分析方法上也 有较多的研究，如西安交通大学、浙江大学、南京航空航天大学等，把振动信号的高频 谱分析，往复机械特征频段信号的解调分析和小波分析应用到活塞式压缩机的故障特征 提取与诊断之中，对活塞式压缩机的状态监测与诊断技术，在理论和实践两个方面都做 了大量的探索，并在工业现场的监测中发挥着重要的作用，取得了卓越的成果【 。 1 4 本文的主要内容 本论文以某油田分公司油气集输公司空气压缩机组过程为背景，研究开发了空气压 缩机组过程监控系统，主要工作包括以下几方面： ( 1 ) 研究了国内外压缩机在线监控方法的动向，并进行了综述。同时，对空气压缩 机组的工艺特性进行了分析。 ( 2 ) 给出了空气压缩机组分布式监控系统的总体设计方案、硬件组态及网络通讯配 置方案。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 开发了空气压缩机组公共参数系统的p l c 控制软件，及基于w i n c c 的上位机 空气压缩机组过程监控软件。 ( 4 ) 完成了监控系统的安装与调试工作。系统运行结果显示本系统具有较好的可靠 性、灵活性、交互性及稳定性。 空气压缩机组监控系统开发 2 过程工艺和系统设计方案 2 1 系统监控对象过程工艺描述 油气集输公司空气压缩机组由五台活塞式空气压缩机组成，其中，两台对称平衡型 两缸活塞式压缩机作为高压机，两台对称平衡型四缸活塞式压缩机作为低压机，一台对 称平衡型四缸活塞式压缩机作为高低压备用机。 根据活塞式压缩机的工作特征以及客户的要求，在监控系统设计的过程中要考虑到 的测量参数如表2 1 所示。 袭2 1 压缩机组测量参数一览表 t a b 2 1p a r a m e t e r st a b l eo f a i rc o m p r e s s o rs e t 2 2 系统总体结构方案 一个比较成熟、能够得到企业认可的在线系统，第一，必须具有适用于工业现场的 硬件结构和能与被监控机组同周期运行的高可靠性。第二，系统在机组处于任何运行状 态或者运行状态改变时，都不能丢失任何数据。要能采集和保存事故现场的全部信息， 即系统要具有高采样实时性和快速性。第三，系统应具有符合生产实际状况和需要的工 程实用分析与诊断功能，以期在生产中充分发挥作用。基于以上考虑，结合当前状态监 控与诊断系统正在网络化、小型化和智能化方向发展的趋势，以嵌入式系统代替传统仪 器系统来实现监控与诊断功能成为本系统的首选。 2 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用 软件等部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视和管理等功能。嵌入式系统将操作 系统和功能软件集成于计算机硬件系统当中，以应用为中心，以计算机技术为基础，软 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 件硬件可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求，属专用计算机系纠耵。 特别近年来，计算机网络技术的飞速发展，给嵌入式系统的发展注入了新的活力。 嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有与监测、伺服、指示设 备相配合的功能，这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有 操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶 段的操作系统具有一定的兼容性和扩展性，但用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段的嵌入式操作系统能 运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有 高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗 1 2 以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应 用软件丰富。 第四阶段是以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前 大多数嵌入式系统还孤立于1 n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信 息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式 技术的真正未来 9 - 1 0 1 在嵌入式系统发展的同时，嵌入式系统软件也相应地经历了两个阶段的发展，一是 主要以汇编语言编制成的软件，二是嵌入式实时操作系统r t o s ，而以v x w o r k s 、 n u c l e u s 、w i n d o w sc e 等为代表的嵌入式实时操作系统早在上世纪8 0 年代末期就占据 了主流软件的地位。 2 2 2 压缩机组监控系统的目的和内容 作为一个具有很强的针对性的嵌入式系统，压缩机组监控系统对于压缩机组运行状 态的监控有很明确的目的： ( i ) 实时地、真实地反映系统地运行状态，保证系统的正常工作，防止意外事故发 生： ( 2 ) 对系统中主要元件，如电机、阀门及其他伺服元件的工作状态进行监控，对故 障进行显示及报警； ( 3 ) 显示系统监控对象( 如温度、压力等) 的当前值，并支持通过数据库的历史数 据查询； 空气压缩机组监控系统开发 ( 4 ) 预测系统状态变化趋势，对未来的运行趋势进行预报，对将要发生的故障进行 报警，并给出故障处理方法及措施。 为了达到以上目的，在对压缩机组运行状态进行监控时，监控系统的主要监控对象 与内容一般是压缩机组的主要工作参数，具体内容如下： ( 1 ) 电机电流电机电流反映了压缩机组运行过程中电机的工作状态，通过对电机 电流的监控，可以对压缩机飞车、非法停车等故障进行监铡并作出及时地反映； ( 2 ) 压力系统压力综合反映了系统及系统内元件的工作状态，通过对工艺气进出 口、冷却水以及润滑油压力的监测，可以对系统失压、压力不可调、压力波动与不稳等 与压力有关的故障进行监视； ( 3 ) 产物流量产物流量的变化可以反映压缩机组的工作效率及工作状况，而工作 效率及工作状况又可以在一定程度反映系统中可能存在的故障及隐患，所以可以通过监 测产物流量的变化状况达到对系统工作状态的监控目的。 ( 4 ) 温度压缩机组工作温度的变化范围是有限制的，润滑油和冷却水温度的波动 往往会造成产物组份的变化，系统温度的异常升高也往往意味着系统内部出现故障。通 过监控系统的温度变化，可以实现对与温度变化有密切联系的故障的监测，保障生产的 顺利进行 ( 5 ) 液位充足的润滑油和冷却水是压缩机组正常运行必不可少的先决条件，因此， 对冷却水贮水罐和润滑油罐液位的监控有着十分重要的意义。 除了监控以上工作参数以外，还可以通过监控压缩机组的振动、噪音、阀门的状态 等，实现对系统工作状态的全面监控。具体的测量参数的选取要根据系统的应用场合、 信号采集的难易程度和资金多少等合理确定，在可能的情况下应该尽可能多的选择被监 控量，以便更全面地了解系统工作情况，综合分析系统运行趋势并为故障诊断与定位提 供充分依据。 2 2 3 在线监控系统的设计原则 在设计压缩机组的在线监控系统时需要充分考虑一下因素； ( 1 ) 所采用技术的先进性； ( 2 ) 系统实现的可能性与难易程度； ( 3 ) 是否需要实现实时、在线监控及远程监控； ( 4 ) 与相关系统( 如机械、电气等) 的兼容性与统一性： ( 5 ) 监控系统自身的可靠性与维护的难易程度。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 从当前及今后的技术发展趋势看，监控系统应该优先采用基于网络的实时、在线监 控与诊断技术模式。 2 2 4 基于网络与p l c 的在线监控系统组成 图2 1 所示为一种基于网络与p l c 的在线监控系统的框图。该框图是一种分级的层 次化结构形式，从小到上依次为设备层、车间级监控层、厂级监视诊断层与远程监视诊 断中心层等。系统操作人员通过h m i ( 人机交互界面) 发出的操作指令经由车间以太网 送到p l c 主站，再经过现场p l c 分站的a o 、d o 模块与设备总线对系统中相关元件进 行调节与控制；同时监控系统运行过程中的状态参数经过设备总线与现场p l c 分站的 a i 、d i 模块送到p l c 主站，再经过车间以太网送到监视站。工程技术人员可以通过工 程师站对系统运行环境、参数进行设定、修改和维护。设在车间级的服务器还可以将系 统运行的状态参数经过厂局域网送到厂信息中心，供厂级监视诊断中心和远程监视诊断 中心使用。 厂级 管理级 一 过程 控制级 基础 自动化 图2 1 基于网络与p l c 的在线监控系统组成框图 f i g 2 1d i a g r a mo f o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nn o , y o r ka n dp l c 空气压缩机组监控系统开发 该框图的主要特点有： ( 1 ) 将监测、诊断与控制功能统一到一个系统中实现； ( 2 ) 系统分布上实现了分布式、模块化与层次化，既易于实现又便于维护，同时为 今后系统升级提供了方便； ( 3 ) 从网络观点看整个系统实际上构成一个监控诊断局域网，为最终实现实时、在 线及远程监控奠定了基础。 2 3 压缩机组在线监控系统方案的确定 2 3 1 油气压缩机组在线监控系统的方案 该油田分公司油气集输公司压缩机站压缩机组改造工程为2 0 0 5 年国家重点项目， 将承担油田未来的天然气外供任务，是该公司的效益增长点，因此，稳定、安全、高效 地运行压缩机组是设计系统的根本出发点。 电气系统方面：为了保证系统的兼容性与一致性，下位机全部采用西门子s i m a t i c s 7 系列p l c ，其中，选用一台s 7 - 3 0 0 控制器对冷却水液位、润滑油液位等外围参数进 行检测与控制。选用三台s 7 3 0 0 控制器分别对两台低压压缩机组和台高低压备用压 缩机组的运行状态进行监控，而对两台高压压缩机组的监控则由两台$ 7 0 2 0 0 来完成。 监控系统方面：在车间现场，对应五台压缩机组设置五台西门子s i m a t i ct p 2 7 0 触摸屏，以实现现场的监控与操作；同时，在中央控制室中分别设立一个工程师站和一 个操作员站，以实现对压缩机组运行参数的监控与记录。 项目施工方面：考虑到与其他单位的协调施工，本项目采取了分阶段施工的方案： 首先，完成触摸屏、机架、p l c 以及各模块的组装，完成光缆的铺设：其次对监控五台 压缩机组运行情况的p l c 进行调试：再次调试通讯，以保证上下位机数据的统一性； 最后调试上位p c 机组态监控程序，完善画面，及对公共参数监控p l c 系统调试，完成 系统总体的监控功能。 2 3 2 压缩机组在线监控系统的组成 根据厂方的要求以及经济方面的考虑，四台s 7 3 0 0 控制器通过工业以太网，两台 s 7 2 0 0 控制器使用s 7 2 0 0 系列以太网专用模块通过西门子发布的p ca c c e s so p c 软件 与上位机通讯【l ”。系统设计了基础自动化和过程监控两级，但预留端口以备后期加设厂 级监视诊断及管理级。监控系统的实际组成框图如图2 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 压缩机监控系统的实际组成框图 f i g 2 2t h er e a ld i a g r a mo f c o m p r e s s o rm o n i t o r i n gs y s t e m 2 3 3 压缩机组在线监控系统的配置 系统主要由控制和监测两部分组成，主要配置为：上位p c 机、可编程控制器、通 讯网卡、通讯电缆等。 ( 1 ) 可编程控制器为了使监控系统达到更好的兼容性，选择西门子s 7 系列控制 器。它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛，其模块化、无排风结构、结构 紧凑、易于被用户掌握等特点使得s 7 系列控制器成为各种小规模到中等性能要求控制 任务的方便又经济的方案s 7 系列控制器具有多种性能递增的c p u 和丰富的且带有许 多方便功能的f o 扩展模块，使用户可以完全根据实际的应用选择合适的模块。当任务 规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对p l c 进行扩展。西门子s 7 系列p l c 所具备的高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。此 外，s 7 系列p l c 还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便 等特点 在对控制对象和控制任务进行了分析和统计后，采用以下p l c 模块来组成本系统： s 7 3 0 0 系列： - 9 - 空气压缩机组监控系统开发 电源模块p s 3 0 7 ：将1 2 0 2 3 0 v 交流电压转变为2 4 v 直流电压，为s 7 - 3 0 0 提供电源。 考虑到负载模块较多，故选取电流较大的1 0 a 型电源。 c p u 模块c p 3 1 4 ：具有2 4 k 字节r a m 的程序存储容量，通过背板总线为其提供 5 v 电源后，可以通过m p i 口、p r o f i b u s 主，从口与上位机进行通讯；为了完成上下位 机的通讯，本系统上位机安装了c p 5 6 1 1 网卡。 通讯模块c p 3 4 3 - l ：其采用自身的处理器，分担c p u 的通讯任务并通过1 0 0 m b i g s 的工业以太网，将s 7 3 0 0 直接集成到系统中。其具有结构紧凑、安装简单、接线方便 等特点，可以使s 7 3 0 0 与编程器、计算机、人机界面装置及其他s i m a t i c 可编程控制 器系统进行通讯。 数字量输入模块s m 3 2 1 ：数字量输入模块将从过程传输来的外部数字信号的电平转 换为内部s 7 3 0 0 的信号电平，可用于连接开关和2 线接近开关( a e r o ) 。输入信号进入 模块后，一般都进行光电隔离和滤波，然后才送到输入缓冲器等待c p u 采样，采样时， 信号经背板总线进入到输入映象区。s m 3 2 1 有4 种型号可供选择，即直流1 6 路输入、 直流3 2 路输入、交流1 6 路输入、交流3 2 路输入，本系统采用直流1 6 路输入模块。 数字量输出模块s m 3 2 2 ：数字量输出模块将s 7 3 0 0 的内部信号电平转换成过程所 要求的过程信号电平，可以用来直接驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电机启动 器等。按输出开关器件种类的不同可分为：晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器 输出方式。出于对安全隔离效果的考虑，本系统选择直流1 6 路继电器输出型数字量输 出模块。 模拟量输入模块s m 3 3 1 ：模拟量输入模块将扩展过程中的模拟信号转化为s 7 3 0 0 内部处理用的数字信号。目前s m 3 3 1 有两种型号：8 路1 2 位输入模块和2 路1 2 位输入 模块，本系统采用8 路1 2 位模拟量输入模块。s m 3 3 1 主要由a d 转换部件、模拟量切 换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。s m 3 3 1 的8 个模拟量输 入通道共用一个积分式a d 转换部件，通过模拟量切挟开关，各通道按顺序逐一转换。 模拟量输出模块s m 3 3 2 ：模拟量输出模块将s 7 3 0 0 的数字信号转换成控制需要的 模拟量信号。目前s m 3 3 2 有两种型号：2 路1 2 位输出模块和4 路1 2 位输出模块，本系 统采用4 路1 2 位模拟量输出模块。模拟量输出各通道的转换是顺序进行的，模块的循 环时间是所有活动的模拟量输出通道的转换时间的总和【1 2 】。 s 7 - 2 0 0 系列： c p u 模块：本系统采用c p u 2 2 4 处理器。该处理器具有8 k 字节r a m 的存储容量， 以及1 4 点d i 和1 0 点d o 。通过稳压电源对其进行2 4 v 直流供电后，通过以太网通讯 模块e m 2 7 7 与上位机进行通讯。 大连理工大学硕士学位论文 数字量输入模块e m 2 2 1 ：t 作原理与s m 3 2 1 相同，为用户提供除了集成在本机的 输入点之外的输入点。目前e m 2 2 1 有8 路直流输入、8 路交流输) k ( 1 2 0 v 2 3 0 v ) 、1 6 路 直流输入3 种类型。本系统采用1 6 路直流输入型模块。 数字量输出模块e m 2 2 2 ：工作原理与s m 3 2 2 相同，为用户提供除了集成在本机的 输出点之外的输出点。目前e m 2 2 2 有5 种类型：4 路2 4 v 直流输出、4 路继电器输出、 8 路2 4 v 直流输出、8 路继电器输出、8 路交流输, h u , ( 1 2 0 v 2 3 0 v ) 。本系统选用8 路2 4 v 直流输出型模块。 模拟量输入模块e m 2 3 1 ：工作原理与s m 3 3 1 相同，为用户提供模拟量输入点。 e m 2 3 1 有4 路1 2 位无隔离模拟输入、4 路1 2 位热电偶输入扩展模块和2 路，1 2 位热电 阻输入扩展模块等。本系统采用的e m 2 3 1 为4 路1 2 位热电偶模拟量输入模块。 模拟量输出模块e m 2 3 2 ：工作原理与s m 3 3 2 相同，为用户提供模拟量输出点。本 系统采用的e m 2 3 2 为2 路模拟量输出模块 1 3 - 1 4 1 。 ( 2 ) 上位机本系统采用高端配置的p c 机，高主频的c p u ( 2 8 g ) 和较大的内存 ( 5 1 2 m ) 足以保障系统的灵敏性，海量的硬盘( 1 2 0 g ) 可以准确记录归档数据，c p 5 6 1 l 网 卡可以完成与下位机的数据交换任务 ( 3 ) 通讯电缆采用工业以太网电缆及光纤。 ( 4 ) 软件配置 由于系统采用s 7 3 0 0 与s 7 2 0 0p l c 两种控制器，故组态和编程采 用与之匹配的s t e p 7v 5 3 和s t e p 7m i c r o w i nv 4 0 考虑到下位机选用的是s 7 系列的p l c ，故选用与其同为德国s i e m e n s 公司产品 的w i n c c 作为上位机组态软件w i n c e 本身提供s 7 系列p l c 的驱动软件，使p l c 与 上位机具有更好的兼容性。w i n c c 版本采用v 6 0 。 2 3 4 公共参数控制系统p l g 硬件配置 公共参数控制系统p l c 主要负责采集、处理系统的公共参数，并对系统的两个工 艺气回路进行闭环控制。公共参数控制系统采用1 6 路数字量输入、1 6 路数字量输出、 1 6 路模拟量输入、8 路模拟量输出，其硬件配置表如表2 2 所示。 公共参数控制系统p l c 的电控柜置于中控室中，内部采用标准导轨构架，保证了 p l c 的正常工作，如图2 3 所示 空气压缩机组监控系统开发 表2 2 公共参数控制器硬件配置表 t a b 2 2h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f c o n t r o l l e ro f p u b l i cp a r a m e t e r s 图2 3 公共参数系统p l c 控制柜 f i g2 3e l e c t r i cc o n t r o lc u b i c l eo f p u b l i cp a r a m e t e rs y s t e m 2 4 本章小结 本章首先介绍了课题的来源，进而建立了监控系统的模型，在阐述了系统的控制目 的和要求后，分析并确定了系统的配置以及组成。 大连理工大学硕士学位论文 3 压缩机组状态监控系统的p l c 控制与监控程序的开发 3 1p l c 概述 3 1 1p l c 的产生与现状 可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 是一种新型的工业控制器， 它以微处理器为核心，是微机技术与继电器常规控制概念相结合的产物。早期的p l c 只能实现工业生产的顺序控制，而当今的p l c 不仅能实现顺序控制，还能实现工业生 产的各种过程控制和网络控制。 所谓顺序控制是指按生产工艺要求编制相应程序，在各输入信号的作用下，控制系 统的各个执行机构按一定规律自动进行工作。 在p l c 之前的传统顺序控制系统是由导线、继电器，接触器，开关及触点等器件 按一定的逻辑关系连接起来的继电一接触器控制系统，其连线方式又称为布线逻辑，具 有电路图直观形象、价格低廉、容易操作等优点，但它是有触点的控制系统，组合复杂、 维修不便、可靠性差，而且系统接线固定，没有通用性和灵活性。因此，这种控制系统 只能用于要求不高的专用逻辑控制场合。 2 0 世纪6 0 年代末，随着现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速 发展，对工业控制器的要求也越来越高。t 9 6 8 年，美国通用汽车公司( g m ) 要求制造商 为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出1 0 项招标指标，即著名的“g m l 0 条” 1 s o 如果说各种电控制器、电子计算机技术的发展是可编程序控制器出现的物质 基础，那么“g m l 0 条”就是可编程序控制器出现的直接原因。 “g m l 0 条”提出以后，美国数字设备公司e c ) 经过一年多的努力，研制出第一 台这种控制器，并在g m 公司的汽车生产线上首次应用成功。当时，这台可编程序控制 器的功能仅限于执行继电器逻辑、定时和计数控制等。 2 0 世纪7 0 年代中期，随着大规模集成电路和微型计算机技术的发展，美国、日本、 德国等把微处理器引入p l c ，使其具有更多的计算机功能，不仅用软件编程取代了硬件 连线逻辑，还增加了计数、定时以及数字运算、数据处理和数据通信等功能，并且做到 小型化。在编程方面采用了面向生产、面向用户的语言，打破了编程困难的局面，广大 工程技术人员容易接受，从而使其得到了迅速的发展。 2 0 世纪8 0 年代，国外工业界把引进了微处理器的p l c 正式命名为可编程控制器 ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，p c ) ，以表明含有微处理器的p l c 不再仅仅是一种逻辑控制器， 空气压缩机组监控系统开发 而是一种功能广泛的可编程控制器。但部分技术人员为了将可编程控制器的简称p c 与 个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的简称区别开来，仍把可编程控制器简称为p l c 。 1 9 8 5 年1 月国际电工委员会( i e c ) 对p l c 给出如下定义：“可编程控制器是一种数 字运算的电子系统，专为工业环境下的应用而设计。它采用可编程序的存储器存储执行 逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的 输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关设备，都应按易 于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。”由此明确界定了p l c 的功 能，标志其已进入成熟的应用阶段【1 6 1 。 按照f o 点数的不同，人们一般把p l c 分为五种：只有最基本的计数器和计时器， 数字量i o 点数不超过3 2 点，程序存储容量不超过2 k 字的p l c 称作微型p l c ；在微 型p l c 基础上增加了寄存器和模拟量f o ，实现了与其他p l c 最简单的通信，数字量 f o 不超过1 2 8 点，程序存储容量不超过4 k 字的p l c 称作小型p l c ；具备远程f o ， 可以实现基本的数学和数据操作，增加了子程序、中断、函数块以及高级语言，支持本 地局域网连接，数字量f o 不超过1 0 2 4 点，程序存储容量不超过3 2 k 字的p l c 称作中 型p l c ：增强了数学和数据的操作功能，增加了p i d 控制，数字量不超过2 0 4 8 点，程 序存储容量不超过2 5 6 k 字的p l c 称作大型p l c ；数字量i o 扩展到8 1 9 2 点，程序存 储容量扩展到4 m 字的p l c 称作超大型p l c 埘。 当今p l c 的发展相当迅速，产品更新换代周期为3 年左右，其结构不断改进，功 能日益增强，性价比越来越高。目前全世界p l c 制造商有2 0 0 多家，产品有4 0 0 多个 系列。按地域影响力可分为三大流派，即欧洲产品以西门子( s m 砸 n s ) p l c 为代表：美 国产品以a - b ( a u e n - b r a d l e y ) p l c 为代表；日本产品以欧姆龙( o m r o n ) 和三菱f x 系列 p l c 为代表。它们在我国得到了广泛使用【1 4 1 。 3 1 2p l o 的一般特点 p l c 虽然种类繁多，但都有一下共同特点： ( 1 ) 通用性强p l c 是一种工业控制计算机，其操作功能可以通过软件编制确定， 在生产工艺改变或生产线设备更新时，不必改变p l c 硬件设备，只需改变编程程序就 可实现不同的控制方案，具有良好的通用性。 ( 2 ) 编程方便大多数p l c 可采用类似继电控制电路图形式的“梯形图”进行编程， 控制线路清晰直观，稍加培训即可进行编程，收到普遍欢迎。p l c 与个人计算机联成网 络或加入到集散控制系统之中时，通过在上位机用梯形图编程，使编程更容易、更方便。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 功能完善由于计算机有很强的运算处理能力，故以计算机为核心的现代p l c 不仅有逻辑运算、定时、计数等控制功能，还能完成a d 、d a 转换、模拟量处理、高 速计数、联网通信等功能，还可以通过上位机进行显示、报警、记录、进行人机对话， 使控制水平大大提高 ( 4 ) 扩展灵活p l c 产品均带有扩展单元，可以方便地适应不同输入，输出点数及不 同输，u 输出方式的需求。模块式p l c 的各种功能模块制成插板，可以根据需要灵活配 置，从几个输入输出点的最小型系统到几千个点的超大型系统均可轻易实现，扩展灵活， 组合方便。 。 ( 5 ) 系统构成简单，安装调试容易使用p l c 组成控制系统时，简单的编程与连接 取代了传统的继电器、转换开关等，大大简化了硬件的接线，减少了设计和施工工作量。 同时p l c 又能事先进行模拟调试，更减少了现场的调试工作量，并且p l c 的监视功能 很强，模块化结构大大减少了维修量。 ( 6 ) 可靠性高p l c 采用大规模集成电路，可靠性要比有接点的继电接触系统高很 多。在自身的设计中，采用了冗余措施和容错技术，另外，输入输出采用了屏蔽、隔离、 滤波、电源调整与保护等措施，提高了抗工业环境干扰的能力，使p l c 适合于在工业 环境下使用，可靠性大大提高。 由于p l c 具备以上特点，它把微型计算机技术与开关量控制技术很好地融合在一 起，还与连续量直接数字控制d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 技术紧密结合，并且有与监控 计算机联网地功能，因此应用十分广泛，几乎覆盖各个工业领域，正成为新一代机电一 体化产品的佼佼者。 3 1 3p l c 的基本组成与主要功能 p