謝青海 方紅彬 袁媛 劉青川 樊東亮 王健

摘 要：北方冬季寒冷，礦區(qū)井口必須采取加熱措施，防止井筒或井道結(jié)冰而造成提井、運(yùn)輸事故。針對(duì)生產(chǎn)中的這一情況，本文設(shè)計(jì)采用西門子S7-200 PLC作為主控制器，以Modbus通信技術(shù)構(gòu)建的現(xiàn)場(chǎng)總線作為媒介，控制2臺(tái)由11kW變頻器ACS510驅(qū)動(dòng)的熱風(fēng)機(jī)組工作，將加熱室中的熱空氣送至井口，與室外空氣混合形成熱風(fēng)，以確保礦井口溫度恒定，同時(shí)通過(guò)觸摸屏遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行管理、操作，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，系統(tǒng)安全可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，能極大地降低能源損耗，節(jié)省人力成本。

關(guān)鍵詞：S7-200 PLC Modbus通信技術(shù) 熱風(fēng)機(jī)組 溫度恒定 遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：G322.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0060-05

北方冬季寒冷，以山西大同、榆林等地煤主產(chǎn)區(qū)為例，冬天室外溫度會(huì)降低至零下20℃，過(guò)低的溫度易導(dǎo)致井筒或井口結(jié)冰，造成提升機(jī)和運(yùn)輸車打滑，因此為安全生產(chǎn)，礦區(qū)必須采取加熱措施，河北、山西等主產(chǎn)煤地區(qū)通過(guò)在礦井口加裝熱風(fēng)機(jī)組，向井下供應(yīng)暖風(fēng)，保證井口的安全，但熱風(fēng)機(jī)常常處于多機(jī)組、大功率長(zhǎng)期運(yùn)行的狀態(tài)，能耗非常嚴(yán)重，而且控制設(shè)備運(yùn)行故障的監(jiān)控措施設(shè)計(jì)也不夠完善，故障出現(xiàn)后信息不能及時(shí)上傳，易引起安全事故。本項(xiàng)目針對(duì)主產(chǎn)煤地區(qū)礦井口熱風(fēng)機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀，在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，以榆林金雞灘煤礦主、副斜井熱風(fēng)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)闡述S7-200 PLC Modbus通信技術(shù)如何應(yīng)用在礦井熱風(fēng)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中，提高工作的可靠性，確保井口安全。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)設(shè)有工控機(jī)一臺(tái)，安裝組態(tài)王6.55版監(jiān)控軟件放置于監(jiān)控室，通過(guò)工控機(jī)自帶的RS232口與S7-200 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，S7-200 PLC選用CPU-226型，由于PLC自帶兩個(gè)通信口，均支持RS485物理基礎(chǔ)的通信協(xié)議，為方便搭建控制系統(tǒng)，與工控機(jī)通信時(shí)端口1采用PLC默認(rèn)的PPI通信協(xié)議，端口0使用PLC的Modbus庫(kù)函數(shù)保持與變頻器支持的通信協(xié)議一致，礦井口距離控制室距離不足1200m，Modbus通信網(wǎng)絡(luò)采用普通的屏蔽雙絞線即可。為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集，控制系統(tǒng)還添加了西門子S7-200 PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM231，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 Modbus通信原理

Modbus協(xié)議是Modicon公司開發(fā)的一種串行通訊協(xié)議，其物理層采用RS232或485通信標(biāo)準(zhǔn)，常用的各種PLC、智能儀表、變頻器均支持這種通信協(xié)議，是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信中最常用的一種通信格式之一，利用它不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備相互之間可以進(jìn)行通信，連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。Modbus通訊方式采用主從方式的查詢-響應(yīng)機(jī)制，只有主站發(fā)出查詢時(shí)，從站才能給出響應(yīng)，從站不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用S7-200作為Modbus通信系統(tǒng)的主站，兩臺(tái)變頻器作為通信系統(tǒng)的從站，通信地址分別為1和2。當(dāng)需要起動(dòng)、停止和修改變頻器運(yùn)行速度時(shí)，通過(guò)S7-200PLC按照對(duì)應(yīng)的地址寫入變頻器，當(dāng)需要讀取電機(jī)電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)時(shí)，按照地址順序輪流去讀取，即完成一臺(tái)變頻器的讀或者寫數(shù)據(jù)后，以數(shù)據(jù)讀寫完成作為觸發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)讀寫的條件。

1.3 溫度檢測(cè)及處理

S7-200的EM231為四路模擬量輸入模塊，以一個(gè)溫度變送器與模塊連接為例繪制PLC模擬量模塊的接線方法如圖2所示。輸入阻抗與連接有關(guān)：電壓測(cè)量時(shí)，輸入是高阻抗為10MΩ；電流測(cè)量時(shí)，需要將RX和X+短接（X代表A、B、C、D），阻抗降到250Ω。為避免對(duì)輸入通道的數(shù)據(jù)造成干擾，不用的通道X+和X-需要短接在一起。

電流型溫度傳感器處理方法的表達(dá)式為：

（通道值—6400）/（32000-6400）=（檢測(cè)量—測(cè)量下限）/（測(cè)量上限—檢測(cè)下限）

4～20mA電流型變送器為目前使用量最多的模擬信號(hào)變送器，不論什么樣的檢測(cè)對(duì)象，其程序的處理方法都是一樣的，將其做成一個(gè)通用的子程序可以方便調(diào)用和節(jié)省編程時(shí)間。當(dāng)有傳感器連接到PLC其他輸入通道時(shí)，只需要更改通道地址和檢測(cè)量輸出值的存儲(chǔ)地址。模擬量處理PLC主程序如圖3所示。

模擬量處理子程序采用局部變量寄存器來(lái)存儲(chǔ)中間運(yùn)算結(jié)果，不占用實(shí)際的存儲(chǔ)空間，有利于節(jié)省存儲(chǔ)空間，增強(qiáng)程序的可移植性。

按照模擬量處理對(duì)應(yīng)關(guān)系的表達(dá)式編寫子程序，在程序編寫過(guò)程中會(huì)涉及到整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，PLC對(duì)數(shù)據(jù)類型要求很嚴(yán)格，只有相同種類的數(shù)據(jù)才能做運(yùn)算，這樣在編寫程序時(shí)需要將整數(shù)先轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再由雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，最后都以浮點(diǎn)數(shù)來(lái)做運(yùn)算。模擬量處理子程序如圖4所示。

1.4 S7-200 PLC Modbus通信網(wǎng)絡(luò)

S7-200 PLC Modbus通信指令主要通過(guò)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主站庫(kù)函數(shù)主要包含“MBUS_CTRL”“MBUS_MSG”指令。

1.4.1 PLC程序編寫流程

S7-200 PLC不支持對(duì)Modbus通訊功能塊的自動(dòng)排序，需要編寫Modbus輪詢程序來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的讀寫，輪詢時(shí)每次只能激活一個(gè)Modbus讀寫功能塊，利用S7-200 PLC自帶的Modbus庫(kù)函數(shù)能較方便完成變頻器控制數(shù)據(jù)的讀寫，程序編寫思路和控制流程如圖5所示。

1.4.2 編寫初始化程序

PLC開機(jī)運(yùn)行第一個(gè)掃描周期調(diào)用初始化子程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化。程序中賦予VW300=1142、VW302=1151、VW304=1143是在使用Modbus通信程序時(shí)分別用于變頻器復(fù)位、起動(dòng)和停止的參數(shù)賦值。同時(shí)程序中使用到的一些相關(guān)的寄存器也需要在第一個(gè)掃描周期清零。

初始化程序如下。

Network 1 //變頻器的初始化、啟動(dòng)、停止參數(shù)賦值

LD SM0.0

MOVW 16#0476， VW300

MOVW 16#047F， VW302

MOVW 16#0477， VW304

Network 2

LD SM0.0

MOVB 0， VB400

MOVB 0， VB500

MOVB 0， VB600

MOVB 0， VB700

R T37， 1

R M17.0， 8

R M18.4， 1

Network 3

LD SM0.0

R M4.6， 1

1.4.3 主程序

在主程序中調(diào)用初始化子程序，完成Modbus通信的初始化，本項(xiàng)目中的通信參數(shù)在通信初始化時(shí)設(shè)定通信速率為9.6kbps，無(wú)校驗(yàn)，主程序如圖6所示。

系統(tǒng)使用的兩個(gè)風(fēng)機(jī)采用PID調(diào)節(jié)的方式自動(dòng)完成對(duì)井口溫度的調(diào)節(jié)，其中礦井口1溫度的設(shè)定由組態(tài)直接給到寄存器VD310，礦井口2溫度的設(shè)定由組態(tài)直接給到寄存器VD318。此外，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也可以通過(guò)組態(tài)畫面上的手動(dòng)方式進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置。VD314和VD322分別表示兩臺(tái)風(fēng)機(jī)手動(dòng)轉(zhuǎn)速的設(shè)置。

1.4.4 變頻器參數(shù)讀寫

Modbus通信程序初始化完成后，開始輪流讀寫兩臺(tái)變頻器的參數(shù)。如圖7所示，“變頻器1讀寫”子程序中的第一條讀參數(shù)指令讀取了從Modbus寄存器40005開始的連續(xù)6字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，分別表示變頻器1驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、頻率、轉(zhuǎn)矩、功率、時(shí)間，讀取出的6個(gè)數(shù)據(jù)分別存放在S7-200 PLC VW450開始的連續(xù)6個(gè)字存儲(chǔ)區(qū)里。組態(tài)監(jiān)控畫面只需要與這6個(gè)字地址分別做連接，就能很方便地顯示出相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.5 變頻器連接與設(shè)置

1.5.1 RS485通信網(wǎng)絡(luò)連接及終端電阻使用

ABB變頻器ACS510提供支持Modbus通信的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，端子編號(hào)為X1：28～32。為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)兩端用120Ω的電阻做網(wǎng)絡(luò)的終端電阻，使用DIP開關(guān)來(lái)連接或者斷開終端電阻。

1.5.2 變頻器的參數(shù)設(shè)置

（1）Modbus通信相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要對(duì)變頻器進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置，參數(shù)詳細(xì)設(shè)置如下。

9802=1 STD MODBUS （標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議）；

5302=站號(hào) 變頻器1設(shè)置站號(hào)：1，變頻器2設(shè)置站號(hào)：2，以此類推

5303=38.4kbit/s 波特率 （能保證通信的情況下竟可能的快）

5304=1 校驗(yàn)方式為8 None 2 （數(shù)據(jù)位8位，無(wú)校驗(yàn)，停止2位）；

5305=0 標(biāo)準(zhǔn)的ABB傳動(dòng)協(xié)議；

1001=10 由MODBUS控制變頻器啟停；

1102=0 由MODBUS控制變頻器給定速度（0-20000對(duì)應(yīng)0-50Hz）；

1103=8 給定值來(lái)自串行通信；

1604=8 使用通信作為變頻器的復(fù)位信號(hào)；

（2）電機(jī)參數(shù)設(shè)置。

通常，變頻器在設(shè)置控制參數(shù)之前，應(yīng)該先設(shè)定電機(jī)參數(shù)，電機(jī)參數(shù)是指電機(jī)銘牌上標(biāo)注的額定電壓、額定頻率、額定電流、額定轉(zhuǎn)速等。

9905=AC380V 電機(jī)電壓；

9906=22.6A 電機(jī)電流；

9907=50Hz 電機(jī)頻率；

9908=1480r/min 電機(jī)轉(zhuǎn)速；

9909=11kW 電機(jī)功率；

（3）定義映射到Modbus寄存器的參數(shù)。

為提高通信效率，將需要讀取的參數(shù)放在一組連續(xù)的地址中，以便一次讀出。

5310=0102 采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，映射到Modbus寄存器40005；

5311=0103 采集電機(jī)頻率，映射到Modbus寄存器40006；

5312=0104 采集電機(jī)電流，映射到Modbus寄存器40007；

5313=0105 采集電機(jī)轉(zhuǎn)矩，映射到Modbus寄存器40008；

5314=0106 采集電機(jī)功率，映射到Modbus寄存器40009；

5315=0114 采集電機(jī)時(shí)間，映射到Modbus寄存器40010。

2 監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)與制作

主監(jiān)控界面能夠直觀反應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括電機(jī)的轉(zhuǎn)速、頻率、電流、功率等參數(shù)。能夠控制變頻的起動(dòng)、停止和復(fù)位操作。具備手動(dòng)、自動(dòng)控制選擇的功能，在手動(dòng)控制時(shí)按照需要手動(dòng)控制變頻器的運(yùn)行速度。當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，變頻器能按照設(shè)定溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，控制電機(jī)運(yùn)行速度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)井口溫度的目的。如圖8所示是礦井口加熱設(shè)備的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控畫面。

3 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目的研究成果在榆林金雞灘煤礦主、副斜井安裝應(yīng)用后，通過(guò)Modbus通信技術(shù)，將風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)如電流、電壓、轉(zhuǎn)速、功率信息實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控設(shè)備上，并通過(guò)通信自動(dòng)控制遠(yuǎn)程風(fēng)機(jī)的投入和切除，設(shè)置運(yùn)行頻率等，大大減少了導(dǎo)線的用量，降低了故障率；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)量，使混合風(fēng)溫度恒定，從而消除生產(chǎn)的安全隱患，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，降低企業(yè)的用人成本

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