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[摘 要]通过对宝钢2#高炉动力空压站20m3英格索兰空压机及40m3博莱特空压机控制系统改造，新增PLC控制柜及远程监控系统，实现了对空压机组的远距离实时监控，大大提高了操作人员的劳动效率和安全性。
[关键词]PLC 空压机 监控系统 Win CC
中图分类号：TP273.5 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）18-0379-02
1 引言
宝钢炼铁厂2#高炉20m3、40m3动力空压站为宝钢炼铁厂2#高炉的生产提供动力气源，主要有各种阀门、泥炮、开口机等。动力空压站所处位置较为重要，如果动力空压站设备突然跳机，若不能把备用机及时送上将引起空气压力骤降，影响高炉的生产顺行。40m3动力空压站无休息室，且空压机没有远程监控，只能依靠操作人员对其进行定时点检、操作，机器故障、停机等突发事件不能及时了解、处理。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 空压机控制系统调查与分析
20m3动力空压站投产于1991年6月，配置有6台EP200型的固定式喷油螺杆空气压缩机，压缩机额定容积流量为20m3/min，额定排气压力为0.8mPa，控制回路为继电器控制。40m3动力空压站投产于2006年4月，配置有3台BLT-350W喷油螺杆空压机，压缩机额定容积流量为40m3/min，额定排气压力为0.8mPa，由MAM-KY02S微电脑控制器控制。空压机的启动、停止等操作都由操作人员到机房本地操作，由于操作人员办公室距机房较远，操作人员对于空压机的监控、操作都不便。若能应用先进的PLC技术，对现有的空压机控制系统进行改造，实现空压机组远程监控，既可以提高空压机组运行效率，又可以提高维护效率和操作人员劳动效率。
经调研，MAM-KY02S微电脑控制器支持RS485半双工通信方式通信，支持model_bus协议，CP341模块即支持RS485通信方式，40m3空压机组实现与PLC通信，就可实现其远程监控。20m3空压站的控制方式是继电器控制，只需将控制信号引入PLC系统中的DI模块，然后通过DO模块实现对空压机组的控制。PLC技术在其他领域的应用已经成熟，可学习借鉴的案例也很多，完全可以通过应用PLC技术，实现20m3、40m3动力空压站远的距离监控和操作。
3 监控系统的构成
宝钢2#高炉动力空压站监控系统主要由PLC柜、操作计算机、光缆、光电转换器等设备构成。监控系统的整体示意图如图1所示：
3.1 PLC系统配置设计
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，特別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）CPU模块CPU313C-2PtP：系统中信息的运算和处理的核心，带16DI/16DO，有64KB高速RAM用于执行程序部分，微存储卡（最大8mB），作为程序的装载存储器，也可以在CPU中保存项目。它有一个MPI通讯口，最多可以同时建立8个与S7-300或与PG、PC、OP各保留一个连接。一个串口通讯口，集成RS422/485接口，是用户程序的可控接口，用于连接其它外设，如扫描仪、称量设备等。我们将此接口连接MAM-KY02S微电脑控制器，实现CPU与微电脑控制器的通讯。
（2）数字量输入模块SM321：配置1块型号为DI16×24VDC的SM321模块，采集20m3空压机运行状态及热继、回油温度、排气温度的故障信号和40m3空压机紧停信号。
（3）模拟量输入模块SM331：配置1块AI8×13BITSM331模块，采集空压站系统压力、流量、冷却水温度、压力等信号。
（4）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和操作计算机之间的通讯。
3.2 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，查看压缩空气压力、温度、空压机运行状态、运行参数等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。如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，供维护人员参考使用；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启动、停止、加载、卸载等操作任务。PLC技术应用在空压机组远程监控上，极大的方便了机组的调度，提高了管理自动化水平，满足了空压机组集约化管理发展的需要。
4 通讯系统的构成
系统中的通讯包括三个部分，一是40m3空压机控制器MAM-KY02S与PLC之间的通讯；二是20m3空压机数字信号接入PLC；三是PLC与上位计算机之间的通讯。
4.1 MAM-KY02S与PLC之间的通讯
PLC和 MAM-KY02S控制器之间的通讯采用控制方便、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model_bus协议，选用model_bus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；model_bus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，三台MAM-KY02S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76.8 Kbps。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，model_bus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读命令03H和写命令06H。CP341模块发出功能码为03H的命令帧，地址匹配的MAM-KY02S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、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。在命令帧中，寄存器起始地址是告诉MAM-KY02S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。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、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。下面以读取1号空压机运行状态信息和命令1号机开机为例来说明PLC和 MAM-KY02S控制器之间的通讯。
例1：主机读取1号从机运行状态信息：
主机运行状态所在寄存器地址为7、8两个寄存器
主机发送：01 03 00 07 00 02 75 CA
从机回应：01 03 04 80 00 00 00 D3 F3 （当前空压机运行状态是 空久停机）
例2：主机发送开机命令给1号空压机
查寄存器地址表，得知运行状态所在寄存器地址为7，8两个寄存器。
主机发送：01 06 00 09 00 01 98 08
从机响应后，回应相同的数据给主机。
从机回应：01 06 00 09 00 01 98 08
若从机检测数据错，不响应主机，主机做超时处理。
控制信号由CP341模块发出，经过RS-485总线传输到MAM-KY02S控制器，再由MAM-KY02S控制器控制空压机的控制继电器，大大缩短了系统的控制响应时间。
4.2 20m3空压机数字信号接入PLC
20m3空压机控制系统采用继电器控制，PLC要采集的信号只能以单个信号的方式采集，如过电流保护、运行状态等信号。在空压机控制回路针对各信号增加中间继电器，将一路信号接至SM321数字量模块，通过SM321数字量模块引入CPU处理。
4.3 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用双绞线接入光电转换器A，通过光电转换器将模拟信号转换成光信号，再通过光缆传输至光电转换器B，再次通过光电转换器将光信号转换成模拟信号，由双绞线连接至上位机，实现PLC与上位机之间的通讯功能。
5 监控界面
在上位计算机上安装Win CC软件及S7软件。开启CPU，通过S7软件将编写好的PLC程序文件下装至CPU，然后运行Win CC工程，在Win CC操作画面上对监控系统内的空压机进行監视和操作。
6 结束语
本项目的关键技术与创新点是通过增加上位机监控系统，把单体空压机进行联网控制，实现了对2#高炉动力空压站的远距离监控和操作，使操作人员在作业中能够实现相互监护，减少人员的安全隐患，实现设备的时时监护，避免了设备操作监视的“盲区”，而且是对单体空压机进行联网控制，实现远程操作的尝试。操作人员可以根据生产需要，在操作台控制空压机运行、停止、加载、卸载等工作，操作自动化程度大幅度提高，作业劳动强度降低。不仅如此，控制系统新增了故障检测、信息存储、性能趋势等画面，为空压机日常维护及故障处理提供了科学数据，为保证空压机正常运行提供了强有力的保障。
参考文献
[1] 程龙泉.可编程控制器应用技术（西门子）.北京：冶金工业出版车，2009.
[2] 胡中功，黄波，江维.基于RS485总线的PC与单片机多机通信系统设计[B].自动化与仪器仪表，2012年1期.
[3] 孔德文，杜丙同等.基于现场总线的螺杆空压机群控制系统设计与实现[B].机床与液压，2011年 39卷 17期.
[4] 华闰祺，徐海峰.基于SIMATICNETOPC的S7PLC与Win CC通讯[B].可编程控制器与工厂自动化（PLC FA），2012年2期.
[关键词]PLC 空压机 监控系统 Win CC
中图分类号：TP273.5 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）18-0379-02
1 引言
宝钢炼铁厂2#高炉20m3、40m3动力空压站为宝钢炼铁厂2#高炉的生产提供动力气源，主要有各种阀门、泥炮、开口机等。动力空压站所处位置较为重要，如果动力空压站设备突然跳机，若不能把备用机及时送上将引起空气压力骤降，影响高炉的生产顺行。40m3动力空压站无休息室，且空压机没有远程监控，只能依靠操作人员对其进行定时点检、操作，机器故障、停机等突发事件不能及时了解、处理。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 空压机控制系统调查与分析
20m3动力空压站投产于1991年6月，配置有6台EP200型的固定式喷油螺杆空气压缩机，压缩机额定容积流量为20m3/min，额定排气压力为0.8mPa，控制回路为继电器控制。40m3动力空压站投产于2006年4月，配置有3台BLT-350W喷油螺杆空压机，压缩机额定容积流量为40m3/min，额定排气压力为0.8mPa，由MAM-KY02S微电脑控制器控制。空压机的启动、停止等操作都由操作人员到机房本地操作，由于操作人员办公室距机房较远，操作人员对于空压机的监控、操作都不便。若能应用先进的PLC技术，对现有的空压机控制系统进行改造，实现空压机组远程监控，既可以提高空压机组运行效率，又可以提高维护效率和操作人员劳动效率。
经调研，MAM-KY02S微电脑控制器支持RS485半双工通信方式通信，支持model_bus协议，CP341模块即支持RS485通信方式，40m3空压机组实现与PLC通信，就可实现其远程监控。20m3空压站的控制方式是继电器控制，只需将控制信号引入PLC系统中的DI模块，然后通过DO模块实现对空压机组的控制。PLC技术在其他领域的应用已经成熟，可学习借鉴的案例也很多，完全可以通过应用PLC技术，实现20m3、40m3动力空压站远的距离监控和操作。
3 监控系统的构成
宝钢2#高炉动力空压站监控系统主要由PLC柜、操作计算机、光缆、光电转换器等设备构成。监控系统的整体示意图如图1所示：
3.1 PLC系统配置设计
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，特別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）CPU模块CPU313C-2PtP：系统中信息的运算和处理的核心，带16DI/16DO，有64KB高速RAM用于执行程序部分，微存储卡（最大8mB），作为程序的装载存储器，也可以在CPU中保存项目。它有一个MPI通讯口，最多可以同时建立8个与S7-300或与PG、PC、OP各保留一个连接。一个串口通讯口，集成RS422/485接口，是用户程序的可控接口，用于连接其它外设，如扫描仪、称量设备等。我们将此接口连接MAM-KY02S微电脑控制器，实现CPU与微电脑控制器的通讯。
（2）数字量输入模块SM321：配置1块型号为DI16×24VDC的SM321模块，采集20m3空压机运行状态及热继、回油温度、排气温度的故障信号和40m3空压机紧停信号。
（3）模拟量输入模块SM331：配置1块AI8×13BITSM331模块，采集空压站系统压力、流量、冷却水温度、压力等信号。
（4）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和操作计算机之间的通讯。
3.2 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，查看压缩空气压力、温度、空压机运行状态、运行参数等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。如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，供维护人员参考使用；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启动、停止、加载、卸载等操作任务。PLC技术应用在空压机组远程监控上，极大的方便了机组的调度，提高了管理自动化水平，满足了空压机组集约化管理发展的需要。
4 通讯系统的构成
系统中的通讯包括三个部分，一是40m3空压机控制器MAM-KY02S与PLC之间的通讯；二是20m3空压机数字信号接入PLC；三是PLC与上位计算机之间的通讯。
4.1 MAM-KY02S与PLC之间的通讯
PLC和 MAM-KY02S控制器之间的通讯采用控制方便、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model_bus协议，选用model_bus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；model_bus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，三台MAM-KY02S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76.8 Kbps。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，model_bus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读命令03H和写命令06H。CP341模块发出功能码为03H的命令帧，地址匹配的MAM-KY02S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、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。在命令帧中，寄存器起始地址是告诉MAM-KY02S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。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、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。下面以读取1号空压机运行状态信息和命令1号机开机为例来说明PLC和 MAM-KY02S控制器之间的通讯。
例1：主机读取1号从机运行状态信息：
主机运行状态所在寄存器地址为7、8两个寄存器
主机发送：01 03 00 07 00 02 75 CA
从机回应：01 03 04 80 00 00 00 D3 F3 （当前空压机运行状态是 空久停机）
例2：主机发送开机命令给1号空压机
查寄存器地址表，得知运行状态所在寄存器地址为7，8两个寄存器。
主机发送：01 06 00 09 00 01 98 08
从机响应后，回应相同的数据给主机。
从机回应：01 06 00 09 00 01 98 08
若从机检测数据错，不响应主机，主机做超时处理。
控制信号由CP341模块发出，经过RS-485总线传输到MAM-KY02S控制器，再由MAM-KY02S控制器控制空压机的控制继电器，大大缩短了系统的控制响应时间。
4.2 20m3空压机数字信号接入PLC
20m3空压机控制系统采用继电器控制，PLC要采集的信号只能以单个信号的方式采集，如过电流保护、运行状态等信号。在空压机控制回路针对各信号增加中间继电器，将一路信号接至SM321数字量模块，通过SM321数字量模块引入CPU处理。
4.3 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用双绞线接入光电转换器A，通过光电转换器将模拟信号转换成光信号，再通过光缆传输至光电转换器B，再次通过光电转换器将光信号转换成模拟信号，由双绞线连接至上位机，实现PLC与上位机之间的通讯功能。
5 监控界面
在上位计算机上安装Win CC软件及S7软件。开启CPU，通过S7软件将编写好的PLC程序文件下装至CPU，然后运行Win CC工程，在Win CC操作画面上对监控系统内的空压机进行監视和操作。
6 结束语
本项目的关键技术与创新点是通过增加上位机监控系统，把单体空压机进行联网控制，实现了对2#高炉动力空压站的远距离监控和操作，使操作人员在作业中能够实现相互监护，减少人员的安全隐患，实现设备的时时监护，避免了设备操作监视的“盲区”，而且是对单体空压机进行联网控制，实现远程操作的尝试。操作人员可以根据生产需要，在操作台控制空压机运行、停止、加载、卸载等工作，操作自动化程度大幅度提高，作业劳动强度降低。不仅如此，控制系统新增了故障检测、信息存储、性能趋势等画面，为空压机日常维护及故障处理提供了科学数据，为保证空压机正常运行提供了强有力的保障。
参考文献
[1] 程龙泉.可编程控制器应用技术（西门子）.北京：冶金工业出版车，2009.
[2] 胡中功，黄波，江维.基于RS485总线的PC与单片机多机通信系统设计[B].自动化与仪器仪表，2012年1期.
[3] 孔德文，杜丙同等.基于现场总线的螺杆空压机群控制系统设计与实现[B].机床与液压，2011年 39卷 17期.
[4] 华闰祺，徐海峰.基于SIMATICNETOPC的S7PLC与Win CC通讯[B].可编程控制器与工厂自动化（PLC FA），2012年2期.