柳州市怡得安豪科技发展有限责任公司 卢进胜
摘要： 阐述以ControlLogix系列PLC和GE的Cimplicity HMI系统集成的集中控制系统设计思路和集成技巧，实现对不规则RS485通讯协议的空压机组及相关联设备运行状态的自动监测与控制。
关键词：FCS PLC 不规则RS485协议 通信 无扰转换
1 引 言
为企业生产线提供合格的压缩空气，组建足够容量的压缩空气生产线，建立和健全的监控系统、设备维护系统，提高自动化程度，是提高生产效率、降低成本行之有效的途径。本系统是以美国寿力公司的水冷型螺杆式空压机300-2S型及汉粤组合式水冷干燥机组、冷却机组等构建的空气压缩站系统为控制对象，设计一种基于多总线协议（含多种不规则RS485协议）传输控制的可靠、高效的控制系统，精简了组建时的现场材料与工作量，确保了产能平衡；系统采用PLC执行控制，同时在上位机进行实时监控压缩空气及其生产设备的状况与运行。
2 空气压缩站系统概述
空气压缩站系统共包含6台美国寿力公司的300-2S水冷型螺杆式空压机、6台汉粤组合式水冷干燥机，1座冷却塔，2台冷却水泵，4台除尘除油过滤器（配压差传感器），6台除尘过滤器（配压差传感器），以及存储罐等设备，组成两条相关联生产线，其中的一条生产线流程图如图1。其生产过程为：空压机生产出来的压缩空气经一级、二级除油除尘过滤器，存储于储气罐中，再经除尘过滤器，传送给水冷干燥机，最终供应常温、洁净、压力恒定的二次能源：压缩空气，满足生产需求。
图1 生产线流程图
该站为两线一系统的控制模式，控制系统以PLC为控制执行中心，Cimplicity HMI系统为监测与主令中心，两者通过通讯总线链路相结合，集成集中控制系统，图2为一条生产线控制系统构架图。
在控制方式上有三种方式，其一是现场手动控制，主要用于设备调试、维修或异常情况处理；其二是远程单机控制，鼠标点击操作计算机显示屏上的Cimplicity HMI系统界面的控制软按钮，给PLC传输控制命令，由PLC实现自动逻辑输出控制，适宜短暂间歇生产需求的控制；其三是远程联控，在此方式下空气压缩站系统所有设备，按预定的生产工艺要求或规则，在确保提供满足需求的前提条件下，自动调节生产设备的运行、监测设备状态、维护设备安全生产。三种控制方式可以随时无扰切换。
图2 一条生产线控制系统构架图
3集中控制系统控制功能规划设计
3.1 PLC逻辑控制功能
为使系统在实际应用中具有实际意义的可操作性，系统结合压缩空气生产工艺要求、标准以及压缩空气使用标准，规划设计了人性化、合理化的控制功能，具体内容如下：
(1)实现本地手动控制、远程单机控制、主备机自动联控，各控制方式互锁;
(2)系统压力输出恒定为：0.7 MPa；系统压力波动：+0.02MPa;
(3)设备在本机上控制时，在监控屏可监视其运行状态；过程中，转到远程控制模式时，保持原状态。除本机要求在停机后设为遥控，方可远程控制外，应可控。
(4)只有至少1台冷却水泵正常运行后，空压机、干燥机方可启动；空压机、干燥机启动时间间隔为3分钟。冷却水泵起停控制及其状态反馈不受控制模式影响；
(5)联控功能起作用后，主备机可单台设置为主机或备机，并且联控设有自动轮换主备机起用按钮，设有联控全停功能。
(6)系统采用远程单机控制时，其单机起停不受除本机安全运行所需保护外的其他设备干涉，在本机存在故障时，该设备不可启动；但在系统监测总管压力及温度的功能保护下，默认1#机为主机、2#机为第一备用、3#机为第二备用，按系统联控工艺要求，顺序自动起停。
(7)系统联控运行时，系统可设一组主备机模式；当需要轮换主备机设置时，系统将随机自行循环设置；系统管网压力低时，系统按主机、备机1、备机2的顺序启动并加载；反之，系统管网压力、温度高时，系统按备机2、备机1、主机的顺序卸载或停机。
(8)空压机与干燥机联动控制部分：
·选择远程联控方式
远程起动空压机，当空压机排气压力达到0.5MPa时，干燥机自动起动。远程停止空压机，延时6秒后或受空压机排气压力影响自动停止干燥机；干燥机可单独操作停止，但不可操作起动。但在本机存在故障时，该设备不可启动。
·选择远程单控
远程起动空压机，当空压机排气压力达到0.5MPa时，干燥机方可操作起动。远程停止空压机，延时6秒后或受空压机排气压力影响自动停止干燥机；干燥机可单独操作停止，也可单独操作起动，但受空气压力的限制。但在本机存在故障时，该设备不可启动，同时，影响联控的其他设备。
3.2上位机Cimplicity HMI系统界面功能
上位机是人机交互的界面，是实际应用中主要的操作对象。故然设计贴切实际生产过程及简单明了的监视、操作界面，是集中控制系统首要任务，是使用者对系统的印象工程。上位机系统结合整体系统控制功能，将系统划分三大类：一是标准显示界面，二是参数设置界面，三是故障报警界面。详细内容如下分解：
(1) 标准显示界面
·1、2期监视屏；1期监控屏；2期监控屏。
·系统生产链路：动态实时显示生产链路；
·空压机组参数:机组排气压力P1；机组排气温度T1；干侧排气压力P2；干侧排气温度T2；油过滤器前后压力P3和P4；分离器压差ΔP1；油过滤器压差ΔP2；喷油温度T3；级间温度T4；总的开机/加载小时；机组；供气量；运行/停止状态；主备机状态；日期时间；
·干燥机组:进气温度、蒸发温度、出气温度、冷凝温度；运行/停止状态；
·管路系统中：总管压力、总管温度、过滤器压差；冷却水塔进出口水温及其温差；冷却水泵的状态指示、故障指示、起停控制；
(2)参数设置界面
加载压力；卸载压力；加载压差；疏水间隔；疏水时间；重起时间；总管压力上限；总管温度上限；机组间的主/备机设置；本地\远程启动/停车开启或关闭；主/备机自动设置开启或关闭；主/备机自动轮换时间；
(3) 故障报警界面
·空压机组:手动停机错误；遥控停机错误；暂停错误；启动错误；卸载错误；加载错误；调整错误；满载错误；主机干侧排气温度高；机组干侧排气压力高；主机机头排气温度高；机组机头排气压力高；油过滤器压差超过140Kpa时产生失效报警；分离器压差超过70Kpa时产生失效报警；
·干燥机组: 进气、加热器、露点超温故障报警；主机过载报警；冷煤低压报警；冷煤高压报警；
·管路系统中：压力、温度、压差传感器故障报警；冷却水泵故障报警；
过滤器压差超过70Kpa时产生失效报警；冷却塔故障报警等；
3.3集中控制系统组件概述
在规划设计好控制功能之后，又如何将这些功能完完全全的实现呢？其实，这对于自动控制技术高速发展的今天，形式是多种多样的，在此就不再遨诉。那么我们将根据用户现场实际情况或用户拟定的方向，选择最具有前瞻性的可编程序控制器以及工业组态监控，配合工业计算机，实现所有工艺要求和控制功能。其中工业计算机选用的是研祥工控机，可编程序控制器选用罗克韦尔ControlLogix系列1756-L61(CPU)、 以太网通讯模块1756-ENT、输入输出I/O模块、模拟量输入输出模块；其他元件有直流开关电源、中间继电器、电源分配器、断路器等。
在本控制系统中，硬件要求较为简单，精简了成本。
4集中控制系统编程组态要点技术综述
系统编程组态源于集中控制系统控制功能规划设计，其难点在于错综复杂的逻辑互锁关系；首先，三种控制模式：手动、远程单机、远程联控等的无扰切换，要实现这一功能必须精确配合PLC循环扫描周期，设置模式转换所需要的过程时间，否则将出现状态失控现象；其二，主备机分配问题。在手动远程单机控制模式下，主备机的分配可以自由选定，比较简易；在自动远程联控模式下，主备机的自动确认以及轮换主备，难度就显而易见了。“1主5备，先主后备”的控制机理，要求只要主机变换，那么随后的5台备机要相应的作出合理的调整，而且，调整期间不容有停机现象或供气回路气压大幅波动现象。确切的说，这里将有720种逻辑控制功能回路，在自动控制模式下实现可靠、安全、精确的转换。逻辑控制编程组态遵循控制机理，采用了数学数组计算方式的排列组合思维方式，结合数据比较功能，筛选确定各机组身份，并确立运行逻辑功能；其三、自动远程联控模式下，空气压缩机与干燥机运行配套组合。若组成固定式配对模式，那么在出现机组交错故障时，整个空压站将瘫痪；若组成自由配对模式，在其中一台空气压缩机启动或停止后，应启动或停止哪台干燥机时，将有可能出现杂乱无章的运行控制状态，也把控制思路推进了模糊控制的难点。因此，系统在逻辑控制组态时，选择了组成固定式配对的控制模式，在自动状态下出现交错故时，切换到远程单机控制模式，避免整个空压站瘫痪，简化逻辑思路。
以上三点为本系统主要的逻辑核心，其余，诸如冷却系统、气路阀等相关联的联锁保护、控制，以及生产过程各个模拟量信号的采集、分析、处理等，遵循功能规划设计及组态软件常规应用技术，得以实现和完善系统。空压机部分逻辑控制功能程序如图5所示。
图5 空压机控制逻辑程序
还有，基于人机交互界面，Cimplicity HMI系统变量直接读取PLC内部相应的变量数据，组态了动态实时生产状况、动态弹出实时故障报警等；但是，Cimplicity HMI系统变量所采集的数据，并不是全部来自于PLC，相反，它还以脚本赋值的形式提供了部分数据给PLC。这是因为设备本身的复杂性决定的。人机交互的界面如如图3。
图3 a）人机交互的界面---系统监控界面
图3 b）人机交互的界面---系统参数设置
5集中控制系统通讯组态技巧
系统通信协议包含有以太网总线协议，以及两种不同协议格式的RS485总线协议。其通信链路图如如图4。
图4 系统通信链路
空气压缩站系统生产设备主要成员：美国寿力公司的300-2S水冷型螺杆式空压机和汉粤组合式水冷干燥机。两者本身独具的智能控制系统，所具备的通讯能力，都是采用了RS485电气接口的串口通讯模式。但是，它们的通讯协议、数据格式却不同。其通讯协议格式如下：
(1)美国寿力公司的300-2S水冷型螺杆式空压机：监控器SUPERVISORⅡ，顺序控制通讯模式
协议格式如表1：
表1 协议格式
(2)汉粤组合式水冷干燥机（XJK-LX）
数据 格式：1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校验（MODBUS格式）。
协议帧格式如表2：
表2 协议帧格式
鉴于设备的通讯协议，采用计算机高级语言，编写针对性的信息读写控件，实现控制系统的通信。通信控件程序设计采用C语言编写，设置精确的数据流缓存时间值，遵照设备协议格式，采用RS485通信接口方式，与已设置唯一性站地址及一致性通信参数的设备，完成设备与计算机之间的主从通信方式。计算机通过通信控件采集回来的数据，又通过上位机Cimplicity HMI系统软件脚本赋值给其变量以及下位机PLC变量，为PLC进行复杂地逻辑判断，提供精确的数据。。
另外，上位机Cimplicity HMI系统与下位机PLC，通过Internet以太网总线接口协议（TCP/IP），实现两者的数据交互。通信组态要求分别在计算机和罗克韦以太网通讯模块1756-ENT中设置相互关联的地址，设置一致的通信参数，并在Cimplicity HMI系统中组态OPC服务器方式，联接下位机来完成。
6 结束语
本控制系统基于C语言的通信控件，以PLC为核心，从根本上是与各台设备的智能控制器组成了一个基于总线形式的FCS集散式控制系统，在复杂设备控制群中，发挥了其完美的作用。系统经上汽通用五菱汽车股份有限公司SGMW空压站的成熟应用，总结出系统不但简捷、安全、可靠，而且扩展性广泛，还大幅度缩减了硬件成本、运行维护成本，对减少设备故障率，节能降耗起到了积极的作用。适用于各种类此空气压缩站及其他复杂设备群的控制场合，具有很好的应用前景。
参考文献
[1]深圳寿力亚洲实业有限公司《监控器SUPERVISORⅡ顺序控制及通讯协议手册》；
[2]杭州新箭电子有限公司《XJK-LX型组合式冷吸机通讯协议》；
[3]Allen-Bradley 《Logix5550控制器指令集参考手册》1756-6.4.1ZH-January 2000；
[4] 李现勇. Visual C++串口通信技术与工程实践.北京：人民邮电出版社，2002
[5]《CIMPLICITY入门教程》、《CIMPLICITY HMI系统过程控制用户手册》。
附图6 部分通信控件C语言程序：
、
// : Implementation of the CWlky_ctrlCtrl ActiveX Control class.
#include "stdafx.h"
#include "wlky_ctrl.h"
#include "Wlky_ctrlCtl.h"
#include "Wlky_ctrlPpg.h"
#ifdef _DEBUG
#define new DEBUG_NEW
#undef THIS_FILE
static char THIS_FILE[] = __FILE__;
#endif
IMPLEMENT_DYNCREATE(CWlky_ctrlCtrl, COleControl)
CWlky_ctrlCtrl *zcwlky;
// Message map
BEGIN_MESSAGE_MAP(CWlky_ctrlCtrl, COleControl)
//{{AFX_MSG_MAP(CWlky_ctrlCtrl)
ON_WM_CREATE()
//}}AFX_MSG_MAP
ON_OLEVERB(AFX_IDS_VERB_PROPERTIES, OnProperties)
END_MESSAGE_MAP()
// Dispatch map
BEGIN_DISPATCH_MAP(CWlky_ctrlCtrl, COleControl)
//{{AFX_DISPATCH_MAP(CWlky_ctrlCtrl)
DISP_PROPERTY_NOTIFY(CWlky_ctrlCtrl, "TimerCount", m_timerCount, OnTimerCountChanged, VT_I4)
DISP_PROPERTY_NOTIFY(CWlky_ctrlCtrl, "COM", m_cOM, OnCOMChanged, VT_I4)
DISP_PROPERTY_NOTIFY(CWlky_ctrlCtrl, "UpdateInterval", m_updateInterval, OnUpdateIntervalChanged, VT_I4)
DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "K1P1", GetK1P1, SetK1P1, VT_R8)
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DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "K1T3", GetK1T3, SetK1T3, VT_I4)
DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "K1T4", GetK1T4, SetK1T4, VT_I4)
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DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "K1RunStatus", GetK1RunStatus, SetK1RunStatus, VT_I4)
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DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "K1LoadP", GetK1LoadP, SetK1LoadP, VT_I4)
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DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "K1LoadTime", GetK1LoadTime, SetK1LoadTime, VT_I4)
DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "G1LengGanJiStatus", GetG1LengGanJiStatus, SetG1LengGanJiStatus, VT_I2)
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VT_I2)
DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "G1JinQiWenDu", GetG1JinQiWenDu, SetG1JinQiWenDu, VT_I4)
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DISP_PROPERTY_EX(CWlky_ctrlCtrl, "G1JiaReQiWenDu", GetG1JiaReQiWenDu, SetG1JiaReQiWenDu, VT_I4)
DISP_FUNCTION(CWlky_ctrlCtrl, "KCStop", KCStop, VT_BOOL, VTS_I4)
DISP_FUNCTION(CWlky_ctrlCtrl, "KCUnload", KCUnload, VT_BOOL, VTS_I4)
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DISP_FUNCTION(CWlky_ctrlCtrl, "KCFull", KCFull, VT_BOOL, VTS_I4)
DISP_FUNCTION(CWlky_ctrlCtrl, "KCTune", KCTune, VT_BOOL, VTS_I4)
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DISP_FUNCTION(CWlky_ctrlCtrl, "CtrlStart", CtrlStart, VT_BOOL, VTS_NONE)
DISP_FUNCTION(CWlky_ctrlCtrl, "GStop", GStop, VT_BOOL, VTS_I4)
DISP_FUNCTION(CWlky_ctrlCtrl, "GStart", GStart, VT_BOOL, VTS_I4)
//}}AFX_DISPATCH_MAP
DISP_FUNCTION_ID(CWlky_ctrlCtrl, "AboutBox", DISPID_ABOUTBOX, AboutBox, VT_EMPTY, VTS_NONE)
END_DISPATCH_MAP()
// Event map
BEGIN_EVENT_MAP(CWlky_ctrlCtrl, COleControl)
//{{AFX_EVENT_MAP(CWlky_ctrlCtrl)
EVENT_CUSTOM("ReadComplate", FireReadComplate, VTS_NONE)
EVENT_CUSTOM("TimeOut", FireTimeOut, VTS_I4)
//}}AFX_EVENT_MAP
END_EVENT_MAP()
// Property pages
// TODO: Add more property pages as needed. Remember to increase the count!
BEGIN_PROPPAGEIDS(CWlky_ctrlCtrl, 1)
PROPPAGEID(CWlky_ctrlPropPage::guid)
END_PROPPAGEIDS(CWlky_ctrlCtrl)
// Initialize class factory and guid
IMPLEMENT_OLECREATE_EX(CWlky_ctrlCtrl, "rlCtrl.1",
0xe9bd6709, 0x1ef3, 0x4a37, 0x94, 0xfd, 0x77, 0x69, 0x8a, 0x80, 0xb0, 0x7f)
// Type library ID and version
IMPLEMENT_OLETYPELIB(CWlky_ctrlCtrl, _tlid, _wVerMajor, _wVerMinor)
（转载）
