苑旭阳，王启立，何 敏，盛腾飞

（1.中国矿业大学化工学院，江苏徐州221116；2.徐州工程学院，江苏徐州221008）

基于工业以太网的空压机远程监控系统设计

苑旭阳1，王启立1，何 敏2，盛腾飞1

（1.中国矿业大学化工学院，江苏徐州221116；2.徐州工程学院，江苏徐州221008）

针对中小型企业压缩机的应用特点和监控要求，设计基于工业以太网络，以西门子S7-300可编程控制器为硬件核心，以组态软件Wincc为软件核心的远程监控系统，实现对压缩机运行状态的远程实时监测与控制,并与上级监控系统完成数据交换与信息共享，促进压缩机监控网络化、信息化与数字化。

空压机；监控系统；可编程控制器；工业以太网

1 引言

压缩气体是工业现场的三大动力源之一，空压机则是提供压缩气体的关键设备，在工业生产和国民生活中广泛应用,《煤矿安全手册》中对煤矿空压机监控有严格的要求，以确保矿山压气系统安全运行[1]。目前，国内空压机的监控现状参差不齐，新上压缩机项目通常都配套完善的监控和保护系统，尤其大型企业（项目）基本实现自动化控制与无人值守，而部分中小型企业以及老旧工业现场的压缩机监控手段落后，通常只布置就地显示仪表，有些现场由于压缩机使用时间很长，仪表准确度差甚至损坏，完全依靠人工巡视实现对压缩机工作状态的监测，给安全生产埋下较大隐患[2-5]。在不同行业与不同规模企业中，压缩机的监控现状和自动化程度体现出较大差异性，尤其是在中小型企业和老旧工业现场体现尤为突出。本文以西门子PLC为控制系统核心，设计适用于中小型企业的压缩机远程监控系统，以提高中小型企业压缩机工业自动化水平和管理水平，消除安全隐患，减小和大型现代化企业在压缩机自动化监控方面的差距。

2 压缩机监控功能要求

对国内压缩机应用现状调研及分析，尤其是远程监控技术在流体机械设备自动化进程中的应用情况，提出基于工业以太网的压缩机远程监控系统方案，现以某玻璃厂4台氧气压缩机为例，根据现场条件和监控要求，设计一套远程监控，监控系统主要功能要求如下：

（1）模拟量监测参数：进气压力、一级排气压力、二级排气压力、三级排气压力、润滑压力，一级排气温度、二级排气温度、三级排气温度；系统压力、润滑油压力、润滑油温度、后冷器温度、油分离器压差、流量、电压、电流、功率；

（2）开关量监测参数：控制柜接触器状态、压缩机起停状态、控制柜故障状态、阀门开闭状态；

（3）控制功能：开关柜远程控制、压缩机远程启停、故障停车；

（4）报警功能：温度超温报警（排气温度、润滑油温、冷却水温、定子温度、轴承温度）、压力超限报警（总管压力、油气分离器压差、润滑油压力）振动超限报警；

（5）组态软件显示功能：显示所有监测参数、生成重要参数实时曲线和历史趋势曲线、压缩机运行动态模拟、监测数据存储及查询、报警信息显示及存储、开关柜状态显示；

（6）组态软件控制功能：通过上位组态软件控制各开关柜分合闸、压缩机启停及故障处理；

（7）数据传输及共享功能：以工业以太网为基础，实现监测数据远传，解决工业现场与上级管理部门（调度中心）信息共享问题，实现远程控制。

3 系统框架设计

根据技术要求，系统提出以西门子S7-300系列PLC为硬件核心，西门子组态软件Wincc为软件核心，构建压缩机监控系统，系统拓扑结构如图1所示。系统以工业以太网实现数据传输，将现场操作员站信息上传至调度中心服务器，以调度中心服务器为数据交换中心，将企业管理层、生产管理层和现场操作站联系起来，实现了全部信息共享，并根据授权许可实现远程控制。PLC操作站与现场连接分为两部分，一部分是通过Modbus协议直接读取压缩机控制器上监测数据；一部分是通过物理接线读取传感器模拟量信号实现。

图1 空压机监控系统网络拓扑图

4 系统硬件设计

系统硬件设计以西门子中型S7-300PLC为核心，除了正常配置各类I/O模块外，各预留20%的冗余通道，以备扩展，为了实现远程控制，配置CP343以太网通讯模块1块，现场监控计算机和PLC站之间可通过TCP/IP通讯或者MPI通讯。压缩机本身相关监测数据可通过Modbus协议直接从压缩机控制器上读取，其他参数（如进气温度、风包温度、储气罐压力）以及电机（定子、轴承）温度、振动、电量等信号需要通过相关传感器测量（输出为0～5V或4～20 mA信号)，通过PLC站的I/O模块实现采集。系统通过对开关柜和压缩机的监测，全面掌握压缩机的运行情况，通过PLC操作站的DO模块控制各中间继电器，以实现对开关柜分/合闸，压缩机起/停控制。同时，为了确保系统功能完善和可靠运行，还配置UPS稳压电源、打印机等辅助设备，硬件配置如表1所示。

表1 监控系统硬件配置表

系统硬件配置完成后，需要进行抗干扰设计，防止监测信号收到电源噪声、电位差及通道耦合造成的干扰，以提高系统可靠性和准确性。针对压缩机运行特点和现场实际情况，采用以下几点抗干扰措施：（1）选用带隔离输出的测量传感器，输出信号为抗干扰能力较强的直流电流信号；（2）监测电缆全部采用屏蔽信号线，屏蔽层一端良好接地；（3）电源线和信号线分开布置，严禁交叉；（4）监控系统单独接地，系统采用UPS稳压电源供电[6]。实践证明，经过上述措施处理后信号稳定，准确性高，确保了系统的稳定可靠运行。

5 系统软件设计

系统软件设计包括2部分：一是PLC编程，采用西门子Step7 V5.4编程软件，实现硬件组态、数据采集与换算、控制命令等功能；二是上位组态软件，采用西门子Wincc 6.0作为开发工具，设计界面友好直观、操作方便、安全可靠地上位人机界面。组态软件与PLC编程软件采用同一产品，实现数据交换无缝链接，提高系统的可靠性与实时性[7]。组态软件设计采用功能块的设计思想，将系统功能分解为数据预处理、数据显示与存储、系统运行模拟、控制功能、报警与故障处理、系统帮助等功能块，实现对压缩机运行状态的全面监测与控制，系统功能块如图2所示。

图2 系统软件功能

PLC编程按照功能块方式实现PLC站的数据采集与命令执行，如表2所示。组态软件Wincc中，通过“变量管理”功能块完成变量定义，并与PLC程序中数据存储区域实现变量链接，通过“图形编辑器”功能块设计人机界面图形，通过“全局（VBS）脚本”功能块程序实现数据计算，在各组态界面中显示。组态软件通过“变量记录”功能块实现数据归档与存储，通过“报警记录”功能块建立变量报警机制，通过“报表编辑器”功能块实现监测数据查询与打印，通过“用户管理器”功能实现用户管理与权限设置功能。上述功能块划分明确，相辅相成，共同完成对压缩机运行状态的监测与控制。

表2 Step7程序主要功能块

监控系统与上级管理部门数据交换可通过以下2种方式实现：一是利用西门子CP343系列以太网通讯模块，采用TCP/IP协议以10（100）M/s的速度将西门子S7-300操作站连接到工业以太网络，在上级管理软件中直接实现对PLC站的访问和操作；二是利用Wincc组态软件的标准OPC通讯协议，将操作员站计算机主机，将上级监控计算机作为客户端，通过OPC协议实现数据远程读/写功能，从而实现信息共享[8-9]。目前这2种方式均广泛应用，并且都具有较高可靠性与传输速度，实际应用中可根据具体情况择优而用。

6 结语

系统针对中小型企业压缩机应用实际情况，采用功能块设计思想，以西门子S7-300系列PLC为硬件核心，以组态软件Wincc为软件，基于工业以太网开发了压缩机远程监控系统，实现压缩机运行状态监测与控制，并与上级环网监控系统实现数据远传与信息共享，取得较好效果，为中小型企业压缩机监控信息化、网络化、数字化作出了探索。

[1]崔鑫，李继勇.PLC在煤矿空压机自动控制系统的应用[J].煤矿机械，2004，（4）：109-111.

[2]强明辉,俞玉,张晓森.往复式压缩机综合性能测试系统的研制[J].化工机械，2009，（6）:607-610.

[3]朱安邦，黄君良.基于网络的多台空气压缩机远程监控系统[J].东华大学学报，2005，31，（2）：4l-46.

[4]邵慧华，顾战松，陈锦松.基于PLC的空气压缩机组控制系统[J].电气自动化，2006，28，（2）：68-69.

[5]邢海龙，夏田，李春义.空压机组控制中PLC的应用[J].制造业自动化，2008，30（5）:72-74.

[6]罗韬.基于可编程变频器控制的空气压缩机控制系统的改造[J].江西有色金属，2009，23（2）:25-28.

[7]田瑞庭.可编程控制器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[8]高钦和.可编程控制应用技术与设计实例[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[9]邱公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].北京：清华大学出版社，2000.

Design on Remote Monitoring System for Air Compressor Based on Industrial Ethernet

YUAN Xu-yang1，WANG Qi-li1，HE Min2，SHENG Teng-fei1
（1.School of Chemical Engineering and Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.School of Mechanical＆Electrical Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221008，China）

According to the application characteristics and monitoring requirements for middle-small enterprise，basing on the siemens S7-300 PLC and wincc configuration software，a remote monitoring system was developed to realize remote online monitoring and controlling for air compressor.By the industrial ethernet，data exchange and information sharing was realized in this system and the informalization，network and digitalization of monitoring and controlling system for air compressor was improved.

air compressor；monitoring system，PLC；industrial ethernet

TH45

A

1006-2971（2014）01-0023-04

苑旭阳（1990-），男，河北保定人，现就读于中国矿业大学化工学院过程装备与控制工程专业。E-mail：wqlcumt@126.com

2013-05-06

徐州工程学院江苏省大型工程装备检测与控制重点建设实验室开放基金（JSKLEDC201302）；江苏省科技支撑计划（BE2013038）