基于PC/104和PLC的空壓機(jī)組智能監(jiān)測控制系統(tǒng)

空壓機(jī)組是很多類企業(yè)的必備設(shè)備，工作過程不復(fù)雜，但其啟動(dòng)和停車過程有嚴(yán)格的要求。現(xiàn)有空壓機(jī)組一般都由固定工人值守，平時(shí)啟動(dòng)和停車根據(jù)生產(chǎn)需要隨時(shí)調(diào)度，由工人按要求的順序操作相應(yīng)開關(guān)、閥門和主電機(jī)而完成啟停過程。運(yùn)行中，要求值班人員經(jīng)常檢測機(jī)組狀況，在溫度、壓力、電機(jī)額定電流等超過允許值時(shí)應(yīng)緊急停車。因此，空壓機(jī)每天24小時(shí)間斷運(yùn)行需由工人24小時(shí)連續(xù)值守，顯然，這是對(duì)人力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。所以，有必要對(duì)此過程進(jìn)行全自動(dòng)控制，并在遠(yuǎn)程操作室設(shè)置監(jiān)控和報(bào)警裝置，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警。

懷化車輛段東場壓風(fēng)房現(xiàn)有兩臺(tái)V-6/7型空壓機(jī)組，空壓機(jī)組運(yùn)行與否，啟開動(dòng)1#還是2#空壓機(jī)，是由值守工作根據(jù)調(diào)度命令來執(zhí)行?？諌簷C(jī)組啟動(dòng)過程是，先開啟水泵輸入冷卻水，然后打開排氣閥，開啟主電機(jī)，打開進(jìn)氣閥，使其空負(fù)荷啟動(dòng)，運(yùn)行約5分鐘后，將排氣閥關(guān)閉，進(jìn)入負(fù)荷運(yùn)行；停車過程則是，先關(guān)閉進(jìn)氣閥，再打開排氣閥，然后關(guān)主電機(jī)和水泵，最后關(guān)閉排氣閥。

1、監(jiān)測控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)控制要求

懷化車輛段對(duì)該兩臺(tái)空壓機(jī)的控制要求是，遠(yuǎn)程操作自動(dòng)啟停，參數(shù)異常自動(dòng)停車，為此，需對(duì)下列參數(shù)進(jìn)行采集：

(1)壓力信號(hào)分別為1級(jí)缸、2級(jí)缸及儲(chǔ)風(fēng)缸壓力3點(diǎn)；
(2)溫度信號(hào)為1級(jí)缸排氣溫度、2級(jí)缸進(jìn)氣溫度、2級(jí)缸排氣溫度、油溫、曲軸軸承溫度2點(diǎn)、電機(jī)軸承溫度2點(diǎn)以及冷卻水出口溫度共9點(diǎn)；
(3)電量信號(hào)為主電機(jī)電流1點(diǎn)，及總電源的3相電壓共3點(diǎn)。

采集參數(shù)總計(jì)為(9+3+1)x2+3=29個(gè)。

對(duì)上述參數(shù)采集后，首先判斷有關(guān)參數(shù)是否異常，然后形成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表格進(jìn)行實(shí)時(shí)巡回顯示，并存儲(chǔ)起來而供以后進(jìn)行隨機(jī)查詢。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述控制要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了以PC/104工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心的實(shí)時(shí)多參數(shù)采集系統(tǒng)，輔以可編程控制器（以下簡稱PLC）對(duì)空壓機(jī)組啟/停進(jìn)行邏輯順序控制，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 多參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)ADT200模塊介紹

ADT200可將與IBM PC兼容的PC/104CPU模塊系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：8/16個(gè)單端模擬輸入通道；12位，20μs或10μsA/D變換器；±5V，±10V或0到+10V模擬輸入量程等?？梢?，對(duì)本系統(tǒng)來說，足以達(dá)到要求。

(2)模擬量采集

· 溫度 采集的溫度信號(hào)有兩種量程范圍，其中二級(jí)缸排氣溫度在160℃以上，選用JM202V一體化溫度計(jì)，共2臺(tái)，其測量范圍為0～200℃，采用+12V DC電源供電，輸出為0～+5V DC信號(hào)；其他16路溫度測量范圍為0～120℃，選用DS1820數(shù)字溫度傳感器，共16片，其測量范圍為-55℃～125℃，采用+5V電源供電，其信號(hào)為單線并接在一起。

· 壓力 6路壓力信號(hào)分別為兩套空壓機(jī)的1級(jí)缸（≤0.22MPa）、2級(jí)缸壓力（≤0.81MPa）和儲(chǔ)風(fēng)缸壓力（≤0.81MPa）。故選擇Honeywell的24PC系列固態(tài)壓力傳感器，1級(jí)缸選用2只24PCFFA1G型，其量程為0～100psi；2級(jí)缸和儲(chǔ)風(fēng)缸選用4只24PCGFA1G型，量程為0～250psi。其工作電源為DC 0～12V，滿量程輸出約220mV。

· 電流、電壓 選用2臺(tái)電流傳感器分別測量2臺(tái)主電機(jī)的電流，量程為0～100A，1臺(tái)電壓傳感器測量總電源的3相電壓，其5路輸出均為0～5V DC。
· 液位開關(guān) 檢測冷卻水有無，為開關(guān)量輸入信號(hào)。

(3)DS1820數(shù)字溫度信號(hào)采集

為了充分利用資源和提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比，考慮利用計(jì)算機(jī)的打印口采集溫度，如圖2所示。該電路具有接口簡單、成本較低、調(diào)試方便等特點(diǎn)，其唯一缺點(diǎn)是編程較為復(fù)雜，但以軟件功能替代硬件功能亦是控制系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。

圖2 DS1820接線圖

1.4 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了上下位機(jī)的主從控制方式，下位機(jī)采用西門子S7-200系列的CPU216 PLC，這就涉及到計(jì)算機(jī)與PLC的通訊問題，也是難點(diǎn)之一。CPU216具有兩個(gè)RS485的串口，而且兩個(gè)口都可以作為PPI通訊方式或自由口通訊方式，這是采用該CPU的原因之一。因?yàn)檫@有利于作通訊的調(diào)試。PC/104工業(yè)計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)RS485的串口，RS485只需要TD和RD兩根數(shù)據(jù)線，而沒有硬件握手信號(hào)線，因此，只能采用軟件握手的通訊方式。S7-200PLC的串口初始化可以通過設(shè)置特殊標(biāo)志位SMB30來實(shí)現(xiàn)。而發(fā)送數(shù)據(jù)可以通過發(fā)送指令XMT直接發(fā)送。因?yàn)镾7200PLC沒有接收數(shù)據(jù)的指令，只提供了一個(gè)接收中斷，每接收一個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一次中斷，從SMB2中把接收到的數(shù)據(jù)取走。而上位機(jī)的串口通訊也可以采用中斷方式進(jìn)行，這里不再闡述。

1.5 電機(jī)的軟啟動(dòng)

為保護(hù)電機(jī)的安全啟動(dòng)，采用了電機(jī)的空載啟動(dòng)和軟啟動(dòng)技術(shù)，以保證電機(jī)的啟動(dòng)電流不會(huì)過大。軟啟動(dòng)技術(shù)的工作原理是利用晶閘管移相控制原理，使晶閘管的導(dǎo)通角從0開始前移，前移的速度以電機(jī)的電樞電流不超過額定值為依據(jù)，使電機(jī)的端電壓從零電壓開始逐漸上升，直到滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求，保證啟動(dòng)成功。其具體控制采用PID和智能控制相結(jié)合的綜合控制策略。利用PC/104控制晶閘管的移相和檢測電流，并研制了軟啟動(dòng)器，如圖3所示。

圖3 電機(jī)軟啟動(dòng)流程圖

2、軟件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC/104工控機(jī)的軟件用TURBO C語言編寫。主要由采樣濾波模塊、通訊模塊、采集顯示和報(bào)警模塊等組成。

工控機(jī)主程序框圖如圖4。

圖4 工控機(jī)主程序框圖

采樣濾波模塊將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀入CPU的內(nèi)存，然后進(jìn)行濾波處理。濾波方法采用平均值濾波法，這種方法的原理是：在K次采樣值中，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后將余下的K-2個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均，結(jié)果作為濾波值，程序中取K為10。

采集顯示和報(bào)警模塊，每檢測一個(gè)機(jī)組狀態(tài)參數(shù)，接著進(jìn)行標(biāo)度變換和顯示，最后判斷狀態(tài)參數(shù)是否正常，如果正常，則檢測下一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，否則報(bào)警、停機(jī)和顯示故障點(diǎn)。

2.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

通訊模塊用于和PLC之間通訊，從而控制空壓機(jī)的啟停。PLC通訊程序框圖如圖5。

圖5 PLC通訊程序框圖

整個(gè)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能：

(1)既能現(xiàn)場控制機(jī)組的啟停，也能遠(yuǎn)程控制機(jī)組的啟停；
(2)能夠巡因檢測所有機(jī)組狀態(tài)參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示；
(3)檢測到異常的狀態(tài)參數(shù)能及時(shí)報(bào)警、停機(jī)和顯示故障點(diǎn)；
(4)能夠記錄每班的機(jī)組狀態(tài)。

4、結(jié)束語

我們于1999年在懷化車輛段成功推出以工控機(jī)為主處理計(jì)算機(jī)的空壓機(jī)組微機(jī)控制無人值守系統(tǒng)。運(yùn)行效果良好，并通過湖南省科委組織的鑒定。為了使監(jiān)控系統(tǒng)有更高的性價(jià)比，我們?cè)谠到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，作了很大的改進(jìn)，推出了新一代監(jiān)控系統(tǒng)，其可靠性、穩(wěn)定性和體積方面都比前一代有較大的改善，有利于今后的推廣，提高經(jīng)濟(jì)效益。