（机械工程专业论文）基于plc的矿用空压机组综合保护系统研究.pdf

论文题目：基于p l c 的矿用空压机组综合1 呆手尸系统研冤 专业：机械工程 ， 硕士生：郅富标( 签名) 幽 指导教师：郭卫 签雩z 二j 冯 摘要 随着人们对安全生产建设节约型国家的重视，越来越多的监控保护系统已不能够适 应时代发展的需求，暴露了或多或少的弊病，严重威胁着生产过程中的安全，同时也制 约着生产效率的提高。论文以鹤壁煤矿某国有大型矿山空压机站监控系统的改造工程为 项目背景，系统地阐述了新型智能系统的设计方法。 论文针对项目中涉及的数据采集和监控系统( s c a d a ) 及分布式监控系统( d c s ) 设计 思想进行了一定的研究，在此基础上设计出了系统分布式总体方案。论文从硬件的选型， 通信网络的设计，控制柜电路的设计，系统的组态，控制器程序的编写，触摸屏界面的 设计诸方面，详尽地叙述了整个系统的设计开发过程，同时，对系统的二期工程功能扩 展设计上即将采用的空压机变频调速技术、系统通信方式的升级、空压机群控联动思想 等系列问题进行了研究。在系统的调试过程中，作者采用了软件虚拟对象调试与实际硬 件仿对象调试相互结合的调试方法，多方面印证了系统软件、硬件、通信的可靠性，并 在论文中对一些工程问题进行了讨论。 该矿山空压机站智能监控系统在现场进行了试运行，至今一切运转正常，并且大幅 度地提高了单位的安全状况，减轻了工作人员的负担，提高了单位的工作效率，待系统 全部设计完成后将推广到多个矿区示范使用。 关键词：空压机；分布式控制系统( d c s ) ；数据采集和监控系统( s c a d a ) ；m p i 协 议；p l c ；h m i 设备；变频技术；虚拟对象 s u b j e c t ：s t u d yo nt h es y n t h e t i cp r o t e c t i n gs y s t e mf o rm i n ec o m p r e s s o r s b a s e do np l c s p e c i a l t ) r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g n a m e：z h if ub i a o i n s t r u c t o r ：gu ow e i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a sp e o p l et a k em o r ea t t e n t i o nt ot h es a f e t yi np r o d u c t i o na n ds a v i n gt h ep o 、v e r ，m o r ea n d m o r eo l ds u p e r v i s i o n&c o n t r o ls y s t e m sc a n n o tm e e tt h ei n c r e a s i n g n e e do ft h e p r o d u c t i o nt h eo l ds y s t e mm a y n o td e t e c tt h en e wt y p e so fd a n g e ri np r o d u c t i o na n dl e a v e s o m eh i d d e nt r o u b l e sa l o n e t h eo l ds y s t e m a l s or e s t r i c ti m p r o v i n go fm ee m c i e n c yi n p r o d u c t i o n t h i st h e s i sb a c k g r o u n d so nt h ep r o l j e c to ft h a td e s i g n i n gas u p e r v i s i o n & c o n t r o ls y s t e mf o rc o m p r e s s o r s t a t i o ni nc e r t a i nn a t i o n a lm i n ee n t e 印r i s ei nh e b i ，h e n a n w r i t e re x h a u s t i v e l yi l l u s t r a t et h em e t h o d s0 fh o wt od e s i g na ni n t e l l i g e n ts u p e i s i o n & c o n t r o ls y s t e mi ni t h t e rh a sd o n es o m er e s e a r c ho ns u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) s y s t e ma n dd 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 ) ，a n dd e s i g n e dad i s t r i b u t i n gi n t e g e rs o l u t i o n f o rt h es u p e r v i s i o n& c o n t r o ls y s t e mf o rc o m p r e s s o r s t a t i o nb a s e do nt h a t i nt h i s t h e s i s ，w r i t e rh a se x h a u s t i v e l yi l l u s t r a t et h ei m e g e rp r o c e s so fd e s i g n i n gf r o ms e v e r a lf a c t o r ， s u c ha s ：c h o o s i n gt h ef l th a r d w a r e ，d e s i g n i n gm ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，d e s i g n i n gt h e c i r c u i to fc o n t r o lc a b i n e t ，t h es y s t e mc o n f i g r a t i o n ，p r o g r a m m i n gf o rc o m r o l l e r ，d e s i g n i n gt h e f u n c t i o n so fh m l a n d 、v r i t e ra l s od i dac e r t a i nr e s e a r c ho nf r e q u e n c yc o n v e r s i o n c o n t r o l o fc o m p r e s s o r ，u p g r a m n gm ew a yo fc o m m u n i c a t i o na n dc o l o n yc o n t r o lo fc o m p r e s s o r s t a t i o n ，w h i c hw o u l db ed e s i g n e di n t h es e c o n dp h a s eo ft h i sp r o j e c t i nt h es y s t e m s d e b u g g i n g ，w r i t e rh a du s e d s o r 、v a r ev i n u a lo b e j e c td e b u g g i n gm e t h o da n dh a r d w a r e i m i t a t i n go b e j e c td e b u g g i n gm e t h o dt op r o v et h er e l i a b i l i t yo fs y s t e ms o r w a r e & h a r d w a r e w r i t e rh a da l s od o n es o m ed i s c u s s i o n so nt h ee n g i n e e r i n gp r o b l e m s t - 1 1 ef i r s tp h a s eo ft h i sp r o j e c th a db e e na c c o m p l i s h e di ns e p t e i l l 【b e r2 0 0 8 ，6 的mt h e no n t h i ss y s t e mh a sb e e nw o r k i n gc o r r e c t l yi th a de n h a n c e dt h es a f eq u a li t yo ft h em i n e e n s t e r p r i s er e d u c e di n t e n s i t ya n di m p r o v e dm ee 掰c i e n c yi np r o d u c t i o nm i ss u p e r v i s i o n & c o i l n o ls y s t e mc o n p r e s s o r s 删i o n 谢l lb eu s di ns e v e r a lm i n ea r e 嬲w i l i l em i n ew h o l es y s t e m p 嬲s e dt h et e s t - m m l i n g k e y w o r d s ：c o m p r e s s o r d c ss c a d am p id e v i c e f r e q 眦m c y c i i e r s i o n v i n u a lo b j i e c t 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构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 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 修吼栌哆胪 1 绪论 1 绪论 1 1 空压机站监控技术发展概况 压气设备是矿山主要动力设备之一，它是由空压机、风包、输气管路、冷却装置和 电气控制设备等一整套设备组成。其中空气压缩机( 以下简称空压机) 是产生压缩空气的 主要设备，称它为压气设备的“主机”。通过它将自由空气压缩到所需的压力称为压缩 空气，用以驱动风动机具( 如风钻、风镐、抓岩机、风水泵、铆钉机、空气锤、修钎机 等) 。矿山还经常用压缩空气进行清理水仓或进行井巷锚喷工作。空压机是矿山四大机 械之一，管好、用好空压机，提高设备效能，对于保证矿山生产的发展、人身和设备安 全，提高经济效益，都具有重要意义。 1 1 1 空气压缩机的分类 空气压缩机种类很多，分类方法各异，结构及工作特点各有不同： 按照g b 4 9 7 6 8 5 标准分类，空气压缩机分类如图1 1 1 。1 所示： 厂一1 一 l 宅气压缩机 j 圈 i 往复压缩机ii 刨转压缩机j r 一1r 一1 i-“h一j ，l， 豳圃匦固臣圊| 圈 嘲 圊 j i 透平压缩机| 引射器 f1 -。-一一 - - - _ - - 一 l 圆圆匾重暨 匝夔 i。一 圈圈鐾匿驾圈圈巨 图1 1 1 1 空气压缩机g b 4 9 7 6 8 5 标准分类图 1 1 2 活塞式空气压缩机介绍 随着工业和科学技术的发展，空压机的类别、型号不断更新，常用的空压机有：活 塞式、回转式、离心式、轴流式空压机。矿山选用的大多数是前两种，即活塞式和回转 式。该项目中矿山空压机站里的空压机选用的就是活塞式空压机，如图1 1 2 1 所示。其 西安科技大学工程硕士学位论文 特点是由曲柄连杆机构将旋转运动变为活塞的往复运动：由气缸和活塞组成压缩容积， 活塞在气缸内做往复运动，使气体完成向气缸内进气、压缩、排气等过程。这类空压机 在矿山应用最普遍，其又按汽缸中心线的配置位置分为；卧式、立式、对称平衡式、对 置式、角度式。 圈11 0 1现场空压机原型图 i 1 3 空压机站监控技术概况 由于空压机是在高温、高压条件下连续运转的动力设备，经过长期的运行，其零部 件都会不同程度磨损，使性能降低甚至失效。为了保证空气压缩机应有的性能而持续、 正常，而、不间断的供气，除了本身材质、制造及装配质量、正确操作外，在很大程度 上取决于对空气压缩机实时监控。 在五、六十年代，空压机站监控制系统一般为继电器控制系统，当时的半导体技术 比较落后，设计人员必须先设计好控制逻辑关系图，然后用继电器柬实现。一旦控制原 理电路稍有变动，整个电路需要做很大的改动，这不利于系统维护与升级。与此同时继 电器是靠线圈的吸台与脱开来控制常歼触点与常闭触点的，属于有触点操作，断电器频 率繁通断必将加速触点老化，并且控制容易受震动，环境的影响。再则继电器的体积比 较大，不利于监控设备的安装。近年来，虽然国内有些矿井采用了空气压缩机自动控制 及微机控制技术，但由于所选机型或采取的技术措施不能适应矿山空气压缩站的特殊生 产环境，安装不久就不能正常使用。 近年，随着电子技术，软件技术，控制技术飞速发展，监测和控制设备( 特别是可 犏程逻辑控制器p l c ) 发展迅猛，性能好价格较为合理，与继电器搭的逻辑控制电路 1 绪论 相比较具有非常大的可扩展性。国内外越来越多地采用p l c 作为空气机站监控系统的 控制器。该类系统有许多优点，它具有完善的自诊断，报警和监控，并能显示故障的原 因及部位并做记录保存。目前p l c 的发展己相当成熟。德国的s i e m e n s ，美国的g e 都 有系列产品。p l c 以其优越的性能，高可靠性，编程简单在工控领域占有很大市场。 1 1 4 空压机站监控技术的发展趋势 空压机站监控系统是以计算机技术为基础的生产过程监控与调度自动化系统。它可 以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以 及各类信号报警等各项功能。它是监督控制与数据采集系统( s c a d a ) 在矿山领域的一 个应用，因而具备了s c a d a 系统的一些特性，并且s c a d a 系统的发展也将给空压机 站监控系统的发展指明方向。 s c a d a 系统是集计算机技术、网络技术、通信技术、传感器技术于一体的工业自 动化控制系统，它可以实时采集现场数据、对工业现场进行本地或远程控制、对工艺流 程进行全面实时监视，为生产调度和管理提供必要的数据，并可借此运用控制理论算法 提供更进一步的辅助分析和生产调度决策。 由于s c a d a 系统属于过程控制系统范畴，其发展历程也是紧跟过程控制系统的发 展脚步。5 0 年f j ，过程控制是基于3 1 5 p s i 的气动信号标准的基地式气动控制仪表系统， 即第一代过程控制系统( p c s ，p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ) ；接着发展成为基于模拟电流信 号标准4 2 0 n a 的电动单元组合式模拟仪表控制系统，即第二代过程控制体系结构 ( a c s ，a n a l o g o u sc o n t r o ls y s t e m ) ；2 0 世纪7 0 年代，由于使用了数字计算机，从而产 生了集中式数字控制系统，即第三代过程控制体系结构( c c s ，c o m p u t e rc o n n - o ls y s t e m ) ； 2 0 世纪8 0 年代，微处理机的出现和应用，产生了分布式控制系统，即第四代过程控制 体系结构( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls v s t e m ) 。 分布式控制系统( d c s ) 是采用标准化、模块化和系统化方法设计，由过程控制级、 过程管理级、生产管理级和经营管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作 管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态方便的多级计算机网络系统。 d c s 的发展推动了相关技术的应用和发展，如可编程逻辑控制器( p l c ) 技术、现场 总线( f i e l db u s ) 技术、智能控制技术与过程控制技术等。同时这些技术也为d c s 的发 展提供了有力的支持和保障。而与p l c 技术的相融合己成为当今d c s 技术的重要发展 方向。 空压机站智能监控系统作为监督控制与数据采集系统( s c a d a ) 在矿山领域的一个 应用，必将顺应s c a d a 系统和d c s 系统的趋势，朝着标准化，模块化，网络化，智 能化，系统化的方向发展。 作者正是在导师的指导下，充分参考了s c a d a 系统、d c s 系统的思想后，构建出 3 西安科技大学工程硕士学位论文 该矿山空压机站智能监控系统的整体设计方案的。 1 2 项目的研究背景和意义 论文以河南鹤壁某国有大型矿山空压机站监控系统的改造工程为项目背景。该空压 机站内有四台5 l 4 0 8 型矿用压缩机，如图1 1 2 1 所示。过去对这四台空压机的监视靠 的是现场操作人员2 4 小时的不间断值守监视。每隔一段时间对运行中各个检测点( 诸如 进出口水温、压力、轴温等) 都要逐个记录和分析，这必然会造成工作人员的劳动强度 大，工作环境恶劣，记录的数据不准确，出现异常时无法及时保护等诸多弊端。而对空 压机的控制则主要是通过继电器搭成的控制柜，通过该控制柜来控制空压机的软启动， 停止等操作。当空压机制造的气压达到了上限时，空压机卸荷运行，不产生压缩气体， 电动机处于空载运转，但其电量仍为满载的3 0 6 0 ，这部分电能被白白浪费。 总体而言，该空压机站无论从监视，还是从控制上，都存在着保护设备陈旧、监控 方式落后等诸多弊端。因而，设计一套新型的空压机站智能监控系统对保障矿区的生产 安全，提高矿区的生产效率和管理现代化程度等方面具有积极的意义。 1 3 作者的主要工作 作者在这次项目中的主要工作是： ( 1 ) 完成整体方案的设计以及传感器、控制器、触摸屏、隔离器、断路器等相关硬件 的选型。 ( 2 ) 完成控制柜平面图和原理图的设计。 ( 3 ) 完成控制器程序的编写与调试。 ( 4 ) 设计h m i 的功能界面框架，并配合同学完成触摸屏界面的设计。 ( 5 ) 组织系统的整体调试。 ( 6 ) 对系统的功能扩展进行一定的讨论。 1 4 论文的总体结构 在第一章节绪论中主要阐述空压机站监控技术发展概况以及论文依托的项目背景 和作者的主要工作。第二章节主要论述空压机站智能监控系统的总体方案设计，在接下 来的第三章、第四章详尽的叙述了系统的硬件设计和软件设计的开发过程。第五章主要 用于概述系统的调试方法。第六章是对该系统功能扩展和改进方面的一些讨论。 1 5 本章小结 本章讨论了选题的背景及研究意义，分析了国内外空压机组控制系统研究现状及发 展趋势，确定了课题的主要研究内容和拟采用的技术路线。 4 2 空压机站智能监控系统的总体方案设计 2 空压机站智能监控系统的总体方案设计 2 1 系统的设计指标及要求 应现场空压机站工作人员的要求，设计出的该套空压机站智能监控系统需满足如下 要求： ( 1 ) 选择耐腐蚀、耐高温、高抗震、寿命长的温度、压力传感器。 ( 2 ) 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6 处温度检测点，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6 处压力检测点进行实时监视。 ( 3 ) 当各检测点处的实时温度值、实时压力值超过预设的报警值时，声光报警；超 过预设的停机值时，关闭空压机，并防止自启动( 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、停机参数如表2 1 1 所示。 表2 1 1 各检测点报警、停机参数 一级排缸体压力 风包压力二级排气压力进水管压力总水管压力 气压力( 油压) 压力 报警值 o 7 m p a o 7 m p a 0 2 3 m p a如1 m p a! o l m p a郢1 3 m p a 停机值 无 0 7 5 m p a 0 2 5 m p a ! 抑0 9 m p a! 如0 l m p a 无 轴瓦温度( 电一级汽缸体温度 风包温度出水管温度二级温度 机温度)缸温度 ( 油温) 温度报警值 1 6 0 6 2 1 6 0 6 0 8 0 1 6 0 停机值无6 5 无无无无 ( 4 ) 每隔半小时记录一次所有检测点的数据以数据存档：记录各检测点报警、停机的 时间和故障排除情况。 ( 5 ) 系统的各检测点的报警值、动作值以及一些系统内部参数可以随时修改。 ( 6 ) 能够定位哪一个传感器处发生故障，辅助修理人员排除传感器故障。 ( 7 ) 系统可远程维护，软件升级。 根据现场的实际情况，作者在参考了一定文献的基础上建议给该系统增加一些新功 能设计： ( 1 ) 在原先空压机软启动的基础上增加变频控制。 ( 2 ) 优化系统内部的数据传输方式，增加p r o 肋u s ，p r o f i n e t 等通信，以便于系统的 网络化扩展。 5 西安科技大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 增加简单的群控功能。 2 2 系统总体方案的设计 2 2 1 集中式方案与分布式方案的比较 在空压机站智能监控系统的总体方案上，普遍采用的是两种设计方案：集中式与分 布式。它们的比较关系如表2 2 1 1 所示。 表2 2 1 1 集中式和分布式监控系统的比较 集中式监控系统分散式监控系统 管理 集中管理和控制 集中管理，分散控制 各子系统相对独立、互不干扰，并资源共享 资源所有资源为主机所有 通信通信信息量少 数据通信大、需联网设备 大、中型系统对主机要求高，小开放系统，可从多个层面和第二产品互相连 性价比 系统要求低接，实现较高的性价比 高，需要解决系统软、硬件特殊问题和系统 技术要求 低 的调度和优化 系统布线多，无效开销人，缺乏松耦合的多处理机系统，可实现硬件积木 灵活性 扩展性化，软件模块设计，扩展性好 系统结构、冗余技术、自诊断功能和高性能 可靠性可靠性高，危险过度集中 软件保证高可靠性 从上表不难看出，集中式监控系统将所有功能、所有操作集中于一台计算机，这必 然大大增加计算机发生故障时对整个系统造成的危害性。所有实时信息、闭环控制、历 史数据和处理功能集于一身，一旦出现问题，造成的后果都是全局性的。显然，集中式 这种结构对计算机本身的要求极高，它不仅必须有足够的处理能力和极高的可靠性，还 必需保证功能的实现和系统的安全。集中式系统的好处是系统的整体性、协调性好，由 于是集中的方式，所有现场状态集中在一台计算机中处理。因此中央计算机可以根据全 面情况进行控制和判断，在控制方式、控制时机的选择上可进行统一的调度和安排。但 是，随着计算机的应用不断深入，系统功能越来越复杂，系统规模越来越庞大，集中式 控制已越来越难满足应用的需求，它将逐渐被新型的分布式监控系统所取代。 分布式监控系统( d c s ) 是计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u i l i c a t i o n ) 、c r t 显示和控制( c o n t r 0 1 ) 技术( 简称4c 技术) 发展的产物。它采用危险分散、控制分散， 而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式，更适应现代化 s c a d a 系统，是目前s c a d a 系统的发展的方向。 6 2 空压机站智能监控系统的总体方案设计 2 2 2 系统总体方案的设计 基于分布式监控系统和s c a d a 系统的理解，作者在导师指导下设计了如图2 2 2 1 所示的系统总体设计方案。 整个空压机站智能监控系统由一台监控主柜和四台监控分柜组成，监控主柜是整个 系统信息综合管理的平台，它能够通过配有的高性能触摸屏与用户进行交互，也能够较 快的轮循访问任何一台监控分柜和向监控分柜发出控制命令。在监控主柜中选用触摸屏 主要是因为其技术成熟，兼容性好，通信方便，具有很大的灵活性和扩展性，能够适合 工业现场的恶劣环境，开发方便，便于在现场及时地修改与调试。同时通过使用触摸屏， 可以满足现场操作人员的要求，大大缩短了系统的开发周期，进一步增强系统的可靠性 和可交互性。监控主柜也配有较大功率的变压器和电路保护装置，负责对四台监控分柜 供电。整个系统的接地也将汇总到监控主柜。 图2 2 2 1 系统总体方案结构图 空压机监控分柜通过分布式控制器主要负责现场采集空压机各检测点的实时数据， 对这些数据进行处理、判断、存储。当检测点数据超标时，空压机监控分柜发出报警， 并通过串联空压机原配有的控制柜对空压机进行控制。从以上功能分析可以看出，监控 分柜需要配有小型化但是功能强大，能够在复杂，恶劣条件下工作的高性能控制器。该 系统中将使用在工业现场表现尤为出色的p l c 作为监控分柜的控制器。为了保证系统 的远程维护功能，作者考虑在某一个监控分柜中预置m o d e m 模块，通过m o d e m 模块和 系统自身的通信网络，可以实现p l c 程序的远程监控和维护。系统还预留了以太网模 块的扩展空间，便于今后以太网扩展时与矿上的主安全系统挂接。 2 2 3 分布式总体方案的特点及优点 这种集中式管理，分布式控制体系结构的优势在于很好的秉承了s c a d a 系统和d c s 7 西安科技大学工程硕士学位论文 系统的特点。四台空压机监控分柜是各自为政的自治系统，它们各自完成自己的功能， 如：数据采集、处理、计算、监视、操作和控制。在独立的基础上，各监控分柜间又能够 通过通信网络传送各种信息以协调工作，完成监控系统的总体功能和优化处理。它们也 通过通信网络接受监控主柜的调度和控制。当任一台监控分柜出现故障时，该系统能够 在不影响其它部分正常工作前提下，进行现场的维护。监控分柜直接靠近监控对象，这 样可以方便传感器的布线，也可有效的防止信号线过度集中造成的信号问相互干扰。 该系统的硬件和软件都采用标准化和模块化的方法设计。系统的积木式结构，具有 灵活的配置，可适应不同用户的需要。并且可根据生产的具体要求，改变系统的大小配 置。在改变生产工艺和系统参数时，只需要改变某些配置和控制方案，不需整个系统从 头开发，这样可以节约开发时间，提高开发效率。 2 3 通信网络的选择 2 3 1 通信网络选择的标准 通信网络是整个系统的骨架，同时它也是空压机站智能监控系统的基础和核心。通 信网络对于整个系统的实时性、可靠性和扩展性起着决定性的作用。满足实时性要求是 指在确定的时间限度内完成信息的传送。可靠性是指无论在任何情况下，网络通信都不 能中断。同时为了满足系统扩展性的要求，通信网络上可接入的最大节点量应比实际使 用的节点数量有较大的剩余。 2 3 2 通信网络协议介绍 由于在系统监控分柜的控制器选型上，拟使用西门子公司的s 7 2 0 0c n 小型p l c ， 故在通信网络的选取上，可以选择m p i 网络、p r o 舶u s 网络以及p r o f i n e t 网络等。 m p i ( m u l t i p o i n ti n t e r f 犯e 多点接口) 通信适用于较小范围的现场级通信，通信速率 为9 6 k b p s 一1 8 7 5k b p s ，通常默认值为1 9 2k b p s 。m p i 网络最多连接3 2 个节点，最 大通信距离为5 0 m ，但可通过r s 4 8 5 中继器延长m p i 网络通信距离。s 7 2 0 0c nc p u 上 的r s 4 8 5 编程口可作为m p i 通信口使用。 p r o 助u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放式系统互联网络( o p e ns y s t e m i m e r e r c o 彻e c t i o n ，o s i ) 作为参考模型的。现场总线采用简化的网络体系结构，具有似于 o s i 模型的物理层、数据链路层和应用层的三层协议或进一步包括网络层或传输层在内 的四层协议，而不采用会话层和表示层。p r o 舶u s 提供三种通信协议类型：d p 、f m s 和 p a 。其中p r o 舶u 卜m p 是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和分布式 i o 设备之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输，传输速率最高可达 1 2 m b p s ：p m 肋u 卜- f m s 主要解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成 8 2 空压机站智能监控系统的总体方案设计 中等速度的循环和非循环通信任务；p r 0 舶u 蝴专为过程自动化设计，提供标准的本 质安全传输技术，用于对安全性要求较高的需要总线供电的场合 p r o f i n e t 是p r o 舶u s 总线技术的纵向扩展，它是一个综合的自动化概念。在白化技 术趋向模块化、分布式、智能化时，这种概念已经被逐渐推广开来，并被广大的设计人 员所接受。由于它的设计是一体化的，从工程设计到运行期( r 眦t i m e ) 以对其它通信系 统( 如p r o 胁u s 和o p c ) 的转换体系结构都使用统一的模型。p r o f i n e t 满足了自动化技术 的所有关键要求： ( 1 ) 从现场层到使用e t h e m e t 的企业管理层的连续一致的通信； ( 2 ) 用于整个自动化区域的与制造商无关的成套设备级的工程设计模型； ( 3 ) 对其它系统的开放性； ( 4 ) 实现i t 标准； ( 5 ) 集成p r o 舶u s 总线段的能力，而不需要对它们进行任何改变。 p r o f i n e t 规范将现有的p r o 助u s 协议与m i c r o s o r 的自动化对象模型c o m d c o m 标 准、t c p i p 通信协议、以及工控软件互操作规范o p c 技术等有机地结合成一体，实现 一种向所有的自动化装置都是透明的、面向对象的和全新的结构体系。 2 3 3 通信网络的选定 由于本次设计的空压机站智能监控系统对时间的要求不是很高，是秒级系统，信息 传输量不大，同时若使用p r 0 舶u s 或p r o f i n e t 通信方式时，需要为s 7 - 2 0 0 添加专门的 通信模块e m 2 7 7 和c p 2 4 3 1 模块，会增加一定的成本，并且该系统的监控分柜数量不 是很多。故作者并没有选用较高级的通信方式p r o 舶u s 或p r o f i n e t ，选用的通信方式是 较为常用的m p i 通信方式，设定的通信速率为1 9 2k b p s ，它可以很好的满足系统的通 信要求，并且极大地发挥s 7 2 0 0 系统的整体性能，减少花在通信上的系统资源，因为 若使用p r 0 舶u s 或p r o 缸n e t 通信方式时，系统需要为新增的通信模块分配一些资源。但 是随着监控系统朝着网络化方向的发展和全集成自动化( t i a ) 思想的推广，p r o f i b u s 和 p r o f i n e t 的应用将越来越广泛，故在论文第六章的系统扩展讨论中，作者将简述系统在 通信方式上的一些改进方法。虽然在通信协议上，此次系统选用的是m p i 协议，但是在 通信介质上，系统选用的是p r o 丘b i l s 专用电缆，从而提高系统在传输过程中的可靠性。 2 4 本章小结 ( 1 ) 介绍了集中式与分布式方案的比较及系统总体方案的设计。 ( 2 ) 对通讯网络的选择，协议进行了选定。 9 西安科技大学工程硕士学位论文 3 空压机站智能监控系统的硬件设计 现场的空压机站位于矿井口附近，由于空压机的不间断运行，空压机站内噪声较大， 地面震动强烈，并伴有一定的粉尘和油污，湿气也比较重。故现场的条件对硬件的选型 和电路的设计提出了较高的要求。 3 1 系统硬件的选型 3 1 1p l c 的选型 3 1 1 1 可编程控制器( p l c ) 的介绍 可编程控制器( p l c ) 是专为在工业环境下应用而设计的，集微处理器技术、自动化 技术和通信技术为一体的实时工业控制装置。它从继电器逻辑控制系统发展而来，在开 关量控制和顺序控制等方面占据了很大的优势。随着微电子技术和计算机通信技术的飞 速发展，p l c 在硬件配置、软件编程、通信联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长 足的进步和系统的升级，为工业自动化控制系统注入了前所未有的生机和活力。而基于 p l c 和网络通信技术的新型分布式控制系统，己经成为现代自动化监控系统的一个主要 发展趋势。用p l c 来构建或改造s c a d a 系统或d c s 系统，一方面可以保证控制的实 时性、稳定性以及准确性；另一方面可大幅度地降低成本，满足用户对控制系统的经济 性要求。目前，随着p l c 技术的不断发展，小型和微型p l c 不仅具备了过去大型p l c 的所有基本逻辑运算功能，而且能实现高级运算、通信以及运动控制功能。故而空压机 监控分柜选用p l c 作为系统的分布式控制器。 目前国内使用的p l c 种类很多，但主要还是集中在德国s i e m e n s 、美国g e 、同本 三菱、欧姆龙等厂商的产品。在此次设计中由导师推荐，作者选用德国s i e m e n s 公司 的s 7 2 0 0c n 系列p l c 作为监控分柜的控制器。s i m a t i c s 7 2 0 0 系列p l c 己经在中国市 场上被广泛地使用。s 7 2 0 0 c n 保持了与s i m a t l c s 7 2 0 0 相同的功能指标，使用了s i m a t i c s 7 2 0 0 相同的技术，与s i i i l a t i cs 7 2 0 0 之间各c p u 及模块实现1 0 0 兼容。c n 系列p l c 共提供8 种c p u 以及1 5 种扩展模块供用户选择和使用，丰富的产品保证了灵活的组合， 适合于各种应用场合。只需升级到s t e p 圳i c r o w i nv 4 os p 3 并将系统语言设置为 “中文 ，即可对s 7 2 0 0 c n 系列产品进行编程、上传及下载等操作。s 7 2 0 0 c n 是仅限 在中国境内销售和使用的可编程序控制器，相对较低的生产成本使得它在竞争激烈的中 国小型p l c 市场具有非常大的竞争优势。 3 1 1 2s 7 2 0 0c np l c 的选型依据 s 7 2 0 0c np l c 的c p u 系列如图3 1 1 2 1 所示。从该选型表中可以看出，c p u 2 2 4 l o 3 空压机站智枢监控系统的硬件设计 是全系列c p u 中偏高端的产品，它的用户程序区为8 k 字节，数据存储区为5 k 字节， 足够满足系统监控分柜功能的需要，并且较低端的c p u 2 2 l ，2 2 2 多出一倍，并和c p u 2 2 6 有相同大小的用户程序区和数据存储区，具有很好的性价比。c p u 2 2 4 内置了1 4 个数字 量输入点和l o 个数字量输出点，由于监控分柜的数字量信号不多，正好也可以满足系 统设计的需要，不需要增加额外的数字量模块。而对于模拟量输入输出，c p u 2 2 4 能够 带动2 8 入或1 4 出，不仅足够满足传感器接入点的数量，还能够一部分的各用。并且 c p u 2 2 4 内置了时钟功能，还附有对数字量和模拟量的输入滤波功能，这将大幅地增加 系统的输入可靠性。 31 1 3p l c 的输出方式介绍及选型依据 p l c 常用的数字量输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出等几种方式。 ( 1 ) 继电器输出的优点是不同输出点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同， 带负载电流可达2 a 点：但继电器是机械元件所以有动作寿命，不适用于高频动作的负 载。其寿命也随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至几百万次之间，有的公司 产品可达1 0 0 0 万次以上，响应时间为10 l i l s 。 ( 2 ) 晶闸管输出的带负载能力为o 2 a ，点，只能带交流负载，可适应高频动作，响应 时间为1 m s 。 ( 3 ) 晶体管输出的优点是晶体管是电子元件只有老化，没有使用次数限制。适于 高频动作，响应时间短一般为o2 m s 左右但它只能带d c5 3 0 v 的负载，最大输出 负载电流为05 a ，点，但每4 点不得大于0 8 a 。用晶体营时，有时候要加其它器件来带 西安科技大学工程硕士学位论文 动大负载( 如继电器，固态继电器等) 。 继电器输出型c p u 驱动继电器线圈时，触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱 动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢( 约1 0 m s ) ，但可以带较大的外部负载，晶 体管输出型c p u 通过光耦使晶体管通断，以控制外部直流负载，它的响应时间快( 约 0 2 m s ) ，可带外部负载小。 由于空压机站现场环境，如震动强度大，粉尘、油污较多，潮湿，不适合继电器输 出的长期使用，而且系统中需要驱动的大负载较少，故空压机监控分柜设计中选用的是 晶体管输出的c p u 2 2 4c n ，它同时可以带来较快的系统响应。 在系统监控分柜设计中，选用s 7 2 0 0c n 系列的c p u 2 2 4 c n ( d c d c d c ) 作为其 控制器，其中d c d c d c 表示该款c p u 是2 4 vd c 电源供电，输入是2 4 vd c ，输出也 是2 4 vd c 。该款c p u 能够最多挂接7 个扩展模块。为了配合采集现场传感器的模拟量 输入信号，为c p u 2 2 4 c n 扩展了e m2 3 lc na 1 4 1 2 位模拟量输入模块、e m2 3 lc n a 1 4 t c 热电偶模块，e m2 31c na 1 2 i 玎d 热电阻模块，同时为了便于对该系统的远程维 护，增加了e m 2 4 1 调制解调器模块。 3 1 2 触摸屏的选型 3 1 2 1 触摸屏的种类 触摸屏主要分为三大种类是：电阻技术触摸屏、表面声波技术触摸屏、电容技术触 摸屏。 ( 1 ) 电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多 层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属( i t o 氧化铟，透明的导电电阻) 导电层，上面再覆盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑 料层、它的内表面也涂有一层i t o 涂层、在它们之间有许多细小的( 小于1 1 0 0 0 英寸) 的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就 有了接触，控制器侦测到这一接触并计算出( x ，y ) 的位置，再根据模拟鼠标的方式运 作。这就是电阻技术触摸屏的基本工作的原理。电阻触摸屏自从进入市场以来，就以稳 定的质量，可靠的品质及环境的高度适应性占据了广大的市场。尤其在工控领域，由于 它对环境和条件的要求较低，更显示出电阻触摸屏的独特性，使其在同类触摸屏产品中 占有9 0 的市场量，己成为市场上的主流产品。它最大的特点是不怕油污，灰尘，水， 此外，电阻触摸屏还具有如下特点： a ) 解析度高，高速传输反应。 b ) 表面硬度大，具有减少擦伤、刮伤及防化学处理。 c ) 具有光面及雾面处理。 d ) 一次校正，稳定性高，永不漂移。 1 2 3 空压机站智能监控系统的硬件设计 ( 2 ) 表面声波技术触摸屏是利用声波在物体的表面进行传输，当有物体触摸到表面 时，阻碍声波的传输，换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标的模拟。 表面声波触摸屏需要经常维护，因为灰尘，油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面，会阻 塞触摸屏表面的导波槽，使波不能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别，从 而影响触摸屏的正常使用，用户需严格注意环境卫生。必须经常擦抹屏的表面以保持屏 面的光洁，并定期作一次全面彻底擦除。表面声波触摸屏的特点是： a ) 清晰度较高，透光率好。 b ) 高度耐久，抗刮伤性良好。 c ) 一次校正不漂移。 d ) 反应灵敏。 e ) 适合于办公室、机关单位及环境比较清洁的场所。 ( 3 ) 电容技术触摸屏利用人体的电流感应进行工作。用户触摸屏幕时，由于人体电 场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于 是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并 且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的 精确计算，得出触摸点的位置。电容触摸屏的特点是： a ) 对大多数的环境污染物有抗力。 b ) 人体成为线路的一部分，因而漂移现象比较严重。 c ) 带手套不起作用。 d ) 需经常校准。 e ) 不适用于金属机柜。 f ) 当外界有电感和磁感的时候，会使触摸屏失灵。 3 1 2 2 触摸屏的选型依据 从上面的比较看出，电阻技术触摸屏能够很好的适应空压机站现场油污，灰尘，潮 湿的环境。由于空压机站智能监控系统采取的是集中式管理、分布式控制的模式，并且 选择的触摸屏将作为信息集中管理的平台，故在触摸屏的选型上，选取了一款较满足现 行系统要求稍高的一款触摸屏产品，以便于日后功能的扩展和改进。在导师的建议下， 作者选取了s i e m e n s 公司的配套产品t p 2 7 1 0 触摸屏。该屏带有1 0 英寸彩色显示屏， 它的显示和操作方法可以通过使用p r o t o o l 组态软件自定义，以得到有关过程所要求的 最优