空气压缩机监控系统设计及应用

空气压缩机监控系统设计及应用

刘建勇

重庆市地质矿产勘查开发局 107地质队，重庆市， 401120

摘要：随着能源、化工和设备制造等行业的快速发展，空气压缩机的市场变得日益庞大，对其运行控制和监测的安全性和经济性要求也越来越高。同时由于空气压缩机在运行过程中进行高强度周期性的压缩操作，具有极高的危险性，因此加强对空气压缩机的运行状态监控，及时发现故障征兆并排除潜在隐患具有重要意义。设计了基于PLC和单片机的空气压缩机和冷干机无线监控系统，详细阐述了监控系统总体设计方案。通过现场ModbusRTU通信和无线通信，设计的监控系统实现了空压机和冷干机远程监控，有效提升了设备的运维和管理能力。

关键词：空压机；冷干机；监控系统；无线；Modbus485通信

引言

空压站5台空压机和冷干机系统是井下作业物料干混系统的核心气源动力系统，干混站和空压站相距较远，为实现干混站远程监控5台空压机和5台冷干机系统，设计一套基于PLC和单片机通信的空压机无线监控系统，该系统通过ModbusRTU通信实时采集10台下位机生产运行数据，并通过DTU（DataTransferUnit，数据传输单元）将数据无线传输至干混站调度监控网络中心，同时运用组态开发技术，设计出人机互动监控系统，从而实现了10台设备的远程监视和控制。监控系统通过对比下游干混运行数据，合理调控供气量，及时控制干混负荷，为干混系统的安全运行提供重要数据。

1方案设计

1.1总体设计

典型压缩空气系统主要由空气压缩机、储气罐、气体干燥机、气体过滤器、排污口和终端用户组成。在使用环境中，气体被吸入压缩机进行处理，由低压气体变为高压气体并存入储气罐进行缓冲处理，去除气体中含有的水汽、油污和其他杂质之后，经过气体干燥机和过滤器，完成深层次的除油和吸水工作，确保压缩后的气体更为纯净，最终将处理后的气体由运输管道传给终端用户，整个流程中完成压缩气体的产生、运输和使用工作。根据空气压缩机系统组成。系统主要分为设备层和监控层两大部分，监控的基本组成部分为节点，每个节点由温度传感器、压力传感器、电压监测装置、数据加密模块、RS485通信模块等子功能模块组成，进行各个压缩机的不间断测量监控工作。当完成上述参数的监控工作后，不同节点的数据通过485总线汇集至485集中器，并经过485/以太网转换器，完成传输信号灯的转换工作，从设备层将关键信号传输至以太网。监控分析模块的服务器用于存储、计算关键数据并供显示分析模块访问。显示分析模块除实现关键数据比如运行温度、气体压力、负载电压、电流等的实时曲线显示和报警外，还能实现重要运行场所的视频信号播放功能，为保证视频质量，采用PAL制式视频信号。

1.2设备地址分配

5台空气压缩机控制系统为复盛公司专用PLC，PLC预留两路RS485串口通信接口，其中一路由空压机操作面板占用，另一路备用，能够将机组运行压力、温度、运行时间、报警信息等据采集传输至DTU。空压机和冷干机控制系统通信端口无光电隔离，且控制柜存在磁场干扰，所有通信信号增加485隔离系统，以安全保护空压机和冷干机控制器。干混站监控系统使用亚控Kingview7.5工业监控软件开发，实时数据通过DTU模块ModbusRTU通信连接至数据库词典，从而实现机组运行参数的关联和显示，同时机组实时运行数据通过ODBC（OpenDatabaseConnectivity，开放数据库连接）连接和SQL编程，定时存入Sqlserver数据库中，以实现历史数据查询功能。

ModbusRTU通信运行的物理层是RS485接口，在Mod－busRTU数据通信中，每台设备地址唯一。由于3台冷干机通信参数与其他7台设备不一样，故ModbusRTU通信分成两路参数通信。1#和5#冷干机控制系统使用ZX-WR-II型单片机系统，该系统无通信端口，可将A塔和B塔吸附再生、运行停机、报警、远程控制等状态开关量信息通过增加中间继电器控制系统和远程控制终端的方式实现ModbusRTU数据远传通信功能。2#、3#和4#冷干机控制系统采用ZXK-ZHXL-II型单片机系统，该系统预留一路RS485通信端口，但由于和其他7台设备不能配置成相同的通信参数，无法与空压机、1#和5#冷干机控制系统（1#网络）并网传输，只能将2#、3#和4#冷干机独立通信（2#网络）。DTU包含两个RS485接口，A1、B1口传输1#网络数据，A2、B2口传输2#网络数据，两路网络数据通过主站DTU数据打包无线传输至从站DTU，从站DTU通过RS485转USB（Univer－salSerialBus，通用串行总线）实现工控机的连接通信。

1.3DTU数据处理

10台设备数据通过ModbusRTU功能码1和4读至DTU。而5台空压机Modbus功能码4的9号字前四位地址位分别是远程启机、远程停机、远程卸载、远程加载位。按照手册要求功能码4的9号字只写不读，因此需编写逻辑程序实现控制功能。考虑到远程开机和加载存在安全隐患，本方案未实现远程启机和每台空压机和2#、3#、4#冷干机报警数据通信字含有16个报警信息，在DTU中定义了报警开关量。通过逻辑与实现报警信息的读操作，例如地址40007第4位和第5位分别为排温高报警和相序错误，则排气温度高报警和相序错误的关系式为：排气温度高报警=（地址40007&8）==1；相序错误报警=（地址；40007&16）==1同理，空压机和冷干机各阀位的状态通过逻辑与实现状态判断。

1.4监控系统设计

监控系统界面按照用户需求设计为七大模块，分别为主界面、冷干机流程界面、实时数据曲线界面、历史曲线界面、历史报警查询界面、远程控制界面、用户登录和注销界面。

通过数据一一映射，10台设备的关键数据显示在主界面上，监控系统定义了管理员角色，以实现权限远程控制功能。在数据存储过程中，空压机和冷干机可通过记录体的方式将实时数据存入数据库，SQL语句如下：SQLInsert(\\本站点\DeviceID，"运行参数表"，"n号设备")其中，n=1～5。机组出现报警或故障时，监控系统能自动发现和弹出实时报警和触发报警数据录入数据库指令，报警记录可以从历史报警查询界面获取。

2通信模块及通信框架设计

为保证空气压缩机传感数据准确传输，需要使用一种稳定高效抗干扰能力强的通信方式，本方案采用硬件指标为485总线，数据帧采用ModBus协议的方法，完成传感节点与485集中器之间的温度、压力、电压等关键参数的传输。相较于其他传输方法，485总线接口采用差分电平和平衡驱动器相结合的方式进行传输，抗共模干扰能力强，最高可支持12Mbps传输速率，传输距离最远可达1200m，并支持中继器的传输方式，本方案即采用此方法。除此之外还具有联网多机通信功能，最多可支持128个终端。软件协议方面，采用的ModBus协议，接收单元有对应的地址码，主要由初始结构（大于4字节）、地址码（1字节）、功能码（1字节）、数据区（N字节）、校验码（16位数据）、结束结构（大于4字节）组成，主要通过CRC循环冗余算法来保证校验码数据传输准确。

3软件系统设计

为实现空气压缩机系统整体的安全控制，当系统开始流程之后，经过系统初始化完成相关参数初始配置，并采集当前温度数值进行判断。当其超过预定温度值时，系统显示温度异常，并进行压缩机停机、设备故障报警等预警处置，直至温度恢复正常时，停止报警；当检测到温度正常而气体压力值异常时，完成压力预警显示，并实施停止继电器、压缩机停止工作等预警处置。同理对于系统电压和电流出现上述问题时，也执行相关保护程序，最后执行数据存储及波形显示功能，以确保检测数据直观可见。

结束语

本文提出的设计方案，充分考虑了复杂的电磁干扰工业环境，项目采用无线通信技术和ModbusRTU通信技术结合的模式实现了工业数据无线采集与传输[1]。投运以来，空压机监控系统运行安全平稳可靠，实现了10台设备的无人值守，有效减小了巡检劳动强度，实现降本增效。该系统具有较高的复制性，可以应用于其他工业生产。

参考文献

［1］李晟栋，张琳.工业数据无线采集方案的设计与开发［J］.信息系统工程，2007（2）：51-53.