基于S7-300 PLC的炼钢厂空压机实时监测与控制系统设计

赵 斌，戚新波,2

（1. 河南机电高等专科学校，新乡 453002；2. 华中科技大学，武汉 430074）

基于S7-300 PLC的炼钢厂空压机实时监测与控制系统设计

赵 斌1，戚新波1,2

（1. 河南机电高等专科学校，新乡 453002；2. 华中科技大学，武汉 430074）

0 引言

在冶金企业中，空压站建设是一项重要的辅助工程。空压站是由空气压缩机，配套过滤器，储气罐，连接管道和阀门等器件组成的供气系统。提供稳定的气源压力及供气流量是空压站的基本任务。空压机是空压站的核心设备，其安全与高效的运转是保证空压站正常工作的前提条件。

早期的空压机控制多为继电器线路，易老化，灵敏度低，长期运行后会经常出现停机故障，给正常生产造成影响。采用可编程控制器(PLC)对空压机控制，克服了传统的继电器控制线路的不足，可以完成对开关量和模拟量的控制，满足了系统对控制稳定性和准确性的要求。

1 系统控制内容

根据实际生产需要，本系统可以实现以下控制功能[1]。

1.1 多种运行模式

该套控制系统有以下3种运行模式：

1）PLC自动运行模式

在该控制方式下，PLC根据总线采集的信号进行综合判断，然后发出启动、停机、加载、卸荷等控制指令，自动判断当前投入/切除系统中的空压机台数，使得总管压力维持在设定的压力下限值和压力上限值之间，既满足用气需要，又可以降耗节能。

空压机不能连续运行，需要进行轮换工作，以保证其安全可靠工作。PLC根据设定的工作时间，建立开机序列和停机序列，经过运算处理，从而对运行中的空压机进行加载、卸荷或切除/投入系统工作。

2）手动运行模式

该控制方式通过就地操作台按钮独立控制每台空压机的启动或停机。

3） 远程监控运行模式

在该控制方式下，通过操作监控室内上位工控机系统来控制各空压机的运行。系统对操作员有权限管理，只有有一定权限的操作员才可进行远程操作。

1.2 生产过程的监控

整个工艺流程实现自动控制并对现场生产设备的运行状况进行实时动画模拟，对生产过程中的主要参数进行实时动态显示。

1）能够自动采集、显示空压机的各种运行参数，控制空压机运行。

2）能够根据检测到的信号判断空压机的工作状况，发生故障时能及时发出报警信号，并根据故障类型判断是否停止空压机运行。

3）能够通过PLC及控制网络采集现场设备开/停及故障状态、电动机电流、电压等实时数据。

4）具有启动、停止、正常停车、故障停车、紧急停车、预告、保护及故障报警功能。

2 系统的整体设计

2.1 系统的硬件设计

基于S7-300 PLC的空压机监控系统结构如图1所示，由1台上位机站、6台PLC站和检测电路等组成。

上位机由工控机、打印机等组成，主要负责所有空压机远程参数和报警信息的监视、记录，运行参数设置及数据处理、查询及报表打印等功能。

图1 空压机监控系统结构图

6台PLC站分别负责5台空压机的报警停车控制和整个系统的工艺参数监测。本系统选用西门子S7-314PLC作为监控核心。S7-300系列PLC模块齐全、扩充方便、通信能力强、运行稳定可靠等优点，特别适合用于工业环境及电气干扰环境的特点。[2]系统的网络结构为MPI多点接口网络，由于S7-300系列的CPU模块内置MPI接口，无需附加任何硬件便可很方便组成网络，简便实现了系统的数据通讯。采用这种网络结构，各个PLC站可以独立使用，及时上位机出现故障，PLC仍能正常工作，极大提高到了系统的稳定性。

每台空压机就地安设ET200M远程I/O单元，通过PROFIBUS-DP与CPU连接，进行温度、压力等信号的采集。检测电路主要由传感器实时采集现场信号，并将其转换为标准电信号传送给CPU。本系统中每台空压机测量10个状态参数，其中采用PT100传感器进行温度检测，包括一级排气温度、二级排气温度、风包温度、润滑油温、冷却水出水温度，PT100传感器在电路中输出0～5V电压信号；采用GPT型压力传感器进行各种压力检测，包括一级排气压力、二级排气压力、润滑油滤后油压、主机进水压力、后冷却器进水压力，GPT型压力传感器在电路中输出4～20mA的标准电流信号。这两种传感器性能可靠、寿命长，配以二线制RVVP电缆单独传送信号，进一步提高了整套系统的可靠性[3]。

2.2 系统软件设计

下位机编程软件采用西门子公司的SIMATIC STEP7 V5.2，它是用于SMATIC S7-300/400、C7 PLC基于PC控制产品的组态、编程和维护的项目管理工具。通过STEP7，用户可以进行系统配置和程序编写、调试，以及在线诊断PLC硬件状态、控制PLC和I/O通道的状态等。

图2 主程序流程图

下位机软件设计主要是PLC监控程序的设计，该程序设计也是空压机监控系统软件设计的重要部分。本系统采用模块化结构程序方式编程，可读性强，方便调试和维护工作，又能使数据库结构统一。程序主要分为通信子程序、空压机控制子程序、数据处理子程序、保护功能处理子程序等。空压机控制子程序流程如图3所示。

图3 上位机监控界面

组态软件采用西门子公司的WinCC V6.0，是一个通用的、全面开放的系统,它可用于自动化领域中所有的操作员控制和监控任务，它提供了基于全面开放式接口的解决方案，具有标准的应用程序接口。WinCC可将生产过程中的状态，以图像、文字、曲线等形式表达出来，可以将所发生的事件、过程数据记录下来，供历史数据查询，还可以进行组态打印报表。上位机监控界面主要由监控画面、实时报表、历史数据、报警查询、远程控制和系统管理界面组成，如图3所示[4]。

3 结束语

本系统采用西门子S7-300 PLC技术，实现了对多台空压机的各种参数的集中监控与综合保护，其功能强、性能稳定、故障率低。该系统已在豫北某钢铁集团公司炼钢三厂成功应用，能够实时监控空压机运行状况，自动采集其各种参数，成功实现了空压机的报警、故障自动停车及自动卸荷等功能，极大提高了系统运行的可靠性。其完善的故障判断功能，为操作人员迅速排除故障提供了方便，提高了炼钢的安全生产、信息化和自动化程度。

[1]石进水.基于S7-300 PLC的空压机监控系统的设计[J].常州:工矿自动化,2009,(2):51-53.

[2]西门子(中国)有限公司.西门子S7-300参考手册[M].2005.

[3]李伟生.空压机综合保护控制系统的应用[J].唐山:水利采煤与管道运输,2008,(1):49-52.

[4]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子WinCC6.0[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:11-25.

The design of air compressor in steelmaking plant real-time monitoring and control system based on S7-300 PLC

ZHAO Bin1, QI Xin-bo1,2

本文利用西门子组态软件WinCC及S7-300 PLC实现了炼钢厂空压机组的自动控制。对该控制

系统的硬件组成、网络结构、系统功能及特点，系统实时监测的实现等，均作了具体的分析和设计。该系统集成了自动控制和远程监控的优点，并保留了现场的手动电气控制，使得系统的运行更加灵活稳定。系统自运行以来，各项功能正常，达到了设计的要求。

WinCC；PLC；空压机组；自动控制

赵斌（1977 -），男，河南新乡人，讲师，硕士，研究方向为控制工程及应用。

TP277

A

1009-0134(2011)5(上)-0014-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).05

2010-11-25