1、引言

在煤礦采煤生產中，空氣壓縮機(簡稱：空壓機)主要負責向礦井大量的風動機械提供動力，其工作的可靠性和安全性直接影響著礦山的正常生產和經濟效益。目前大部分空壓機組存在著控制方式落后、操作不方便的問題。控制回路大多為繼電器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人員24小時值守，值守人員根據井下用風量的需求手動啟動或者停止空壓機，并且定時巡檢、記錄運行狀況。另外，空壓機組耗電量很大，其中有相當長時間是在空載或輕載狀態下運行，導致能耗大、機器受損嚴重、運行成本較高。因此，設計一個操作方便、功能完善的全自動集中監控系統，對空壓機組進行監控和保護，提高空壓機組的工作效率，降低能耗，延長使用壽命，有著重要的現實意義。

2、監控系統的構成

本項目空壓機房有五臺CompAir L250型噴油螺桿式空壓機，主電機功率為250kW，供電電壓為6000V， 轉速為1485rpm，自由排氣量為42.7m3/min、最大排氣壓力為7.5×105Pa。每臺空壓機都配有本體控制器Delcos3100，通過Delcos3100控制器的操作面板，操作人員可以就地控制單臺空壓機的啟停、查看運行狀況、設置運行參數等。另外，Delcos3100控制器留有一個RS-485通信接口，支持Modbus RTU協議，為實現空壓機組的集中監控提供了條件。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖
2.1 PLC配置設計

系統選用西門子公司的S7-300 PLC實現集中監控。S7-300 PLC為模塊化結構，具有模塊齊全、擴充方便、通信能力強、運行穩定可靠等優點，特別適合用于工業環境及電氣干擾環境。根據系統控制要求并考慮留有一定的裕量，PLC的硬件配置如下：

（1）電源模塊PS307：輸入電壓為220VAC，輸出電壓為24VDC，輸出電流為5A，向其他PLC模塊供電。

（2）CPU模塊CPU315-2DP：系統中信息的運算和處理的核心，內有48KB隨機存儲器和80KB裝載存儲器，每執行1000條指令約需0.3ms，最大可擴展1024點數字量或128個模擬量通道。它有一個MPI通訊口和一個DP通訊口，MPI口用于連接觸摸屏，DP口用作調試程序時監視PLC程序的運行以及下載程序；并留作將來系統擴展時使用。

（3）數字量輸入模塊SM321:配置3塊型號為DI16×24VDC的SM321模塊，采集向空壓機供電的五臺高壓開關柜的狀態信號(如：高壓允許、高壓故障、合閘反饋、分閘反饋、小車就位等)、與五臺空壓機相對應的五個手自動轉換開關和五個緊急停止按鈕的狀態信號。

（4）數字量輸出模塊SM322:配置2塊型號為DO16×24VDC/0.5A REL的SM322模塊，輸出PLC的控制信號如啟動、停止、加載、卸荷、急停等，控制空壓機運行。

（5）通信模快CP341：CP341模塊是串行通訊處理器模塊，硬件接口可采用RS-232C或TTY或RS-422/485方式，集成了3964(R)、RK512、ASCII通訊協議，并且支持用戶加載協議。系統選用接口為RS-485標準的CP341模塊，并在CP341通訊模塊中插入Modbus主站Dongle模塊加載Modbus協議，使CP341模塊成為Modbus主站。CP341模塊利用基于RS-485總線的Modbus協議，與五個作為Modbus從站的Delcos3100控制器進行通訊，采集Delcos3100控制器中存儲的空壓機運行狀態信息。

（6）通信模快CP343-1：CP343-1是用于連接工業以太網的通訊處理器模塊，將PLC系統接入以太網，負責PLC和上位機之間的通訊。

2.2 觸摸屏配置設計

系統采用西門子TP270-10型觸摸屏作為車間級的集中監控站。它是基于標準操作系統Microsoft Windows CE的多功能人機交互界面，具有強大的數據采集和管理功能，穩定可靠，界面友好，圖形顯示，操作和管理方便。操作人員可以通過圖形和菜單的方式查看空壓機的運行狀態及實時數據，設定空壓機的壓力、時間等運行參數，查看系統的歷史數據、故障報警信息，并可設置是否允許上位機遠程控制空壓機。觸摸屏直觀顯示了空壓機組的運行狀況，操作方便快捷，避免了定時巡檢記錄的煩瑣工作，大大提高了工作效率和管理水平。

2.3 上位機配置設計

系統采用PC機作為上位機遠程監控站。通過網絡在線監視空壓機的運行狀況，查看壓力、溫度、運行時間、電機電壓、電機電流、輸出功率等實時數據，記錄并存儲歷史數據，提供數據的查詢和打印功能。當現場設備有動作或者出現故障時能夠彈出提示消息并記錄存儲下來；在遠程控制允許的情況下，值班人員還可以遠程控制空壓機。遠程監控方便了調度，提高了管理自動化水平，是煤礦信息化發展的需要。

其他元件包括手自動轉換開關、緊急停止按鈕、聲光報警器等。

3、通訊系統的構成

系統中的通訊包括三個部分。

3.1 現場設備通訊

PLC和Delcos3100控制器之間的通訊[4]采用控制方便、設計簡單的RS-485接口標準作為物理通信標準。RS-485標準要求采用兩線制差分方式發送和接收數據，因此能夠有效克服共模干擾、抑制線路噪聲。根據實際情況，通信協議采用單主站多從站結構的Modbus協議，選用Modbus的RTU通訊模式。RS-485標準是總線的物理層標準，負責完成電平轉換和數據收發；Modbus協議則構成了總線的數據鏈路層協議，規定了總線上傳輸的數據幀格式，為主站和從站之間傳遞數據提供通信規約，保證有效數據在主站和從站之間可靠傳遞，兩者共同構成了RS-485總線。

CP341模塊設置為總線的主站，五個Delcos3100控制器設置為總線的從站，每個從站分配唯一的地址，主站和從站的通訊速率統一設定為76.8kbps。工作時采用命令/應答的通訊方式，每一種命令幀都對應著一種應答幀，Modbus協議為命令幀定義了許多功能碼，不同的功能碼要求從站進行不同的響應。系統中用到的功能碼為0x03，即讀取Delcos3100控制器的寄存器。CP341模塊發出功能碼為0x03的命令幀，地址匹配的Delcos3100控制器就會做出響應，將存儲在寄存器中的空壓機運行信息（壓力、壓差、溫度、電壓、電流、載荷狀態、運行時間、故障信息等）組成應答幀發出至CP341模塊。重復上述過程，CP341模塊即可實現輪循采集空壓機組的運行信息。

CP341模塊下發的命令幀格式如圖2所示。

圖2 命令幀格式
在命令幀中，寄存器起始地址是告訴Delcos3100控制器，CP341模塊要讀取的寄存器的起始地址；寄存器數是指從起始地址開始連續讀取的寄存器值的個數；CRC校驗是指對從站地址及其以后部分在命令幀中所占的字節數進行CRC-16校驗所生成的校驗碼。