基于Modbus和GPRS的高爐渣粒化配電監(jiān)控系統(tǒng)

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（內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

隨著我國鋼產(chǎn)量的增長，鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生固體廢棄物的總量越來越多，其中在固體廢棄物中，高爐渣又占了很大比例，而高爐渣又是一種性能良好的硅酸鹽材料，可作為生產(chǎn)水泥的原料。由于我國處于工業(yè)化建設階段，需要大量的水泥，因此，處理后的高爐渣可以作為水泥的摻和料。可見對高爐渣進行?；欠浅Ｓ幸饬x的。

2 系統(tǒng)的硬件組成及總體設計

高爐渣處理工藝的流程如圖1所示。圖1中，PGR1，PGR2為?；?，PCC1，PCC2，PCC3為冷卻泵，PDR1，PDR2，PDR3為排污泵，PRC1，PRC2為回流泵，PSL1，PSL2為倒渣泵，PRY為回收泵，PBO為增壓泵。主要設備是2個冷卻塔、南北粒化塔以及轉(zhuǎn)鼓塔。

首先，由?；孟蚰媳绷；槿±鋮s水，?；肞GR1和PGR2互為備用。同時，煉鐵過程中產(chǎn)生的高爐渣也進入南北?；＠鋮s水和高爐渣在?；袥_洗產(chǎn)生?；蟮母郀t渣，形態(tài)和普通建筑用黃沙類似。

然后，?；蟮母郀t渣進入轉(zhuǎn)鼓塔，由于北?；癄t和轉(zhuǎn)鼓塔之間有一定距離，要有倒渣泵PSL1和PSL2將粒化后的高爐渣打入轉(zhuǎn)鼓塔。轉(zhuǎn)鼓塔中有轉(zhuǎn)鼓主電機和轉(zhuǎn)鼓輔電機，轉(zhuǎn)鼓主電機由變頻器驅(qū)動，使進入轉(zhuǎn)鼓塔的?；郀t渣做離心運動，目的是使水和沙粒分離，離心運動產(chǎn)生出來的水進入轉(zhuǎn)鼓塔下方的水池。此水池由3層嵌套，產(chǎn)生的濁水逐層沉淀凈化。同時，由于沙粒中可能摻雜沒有完全粒化的高爐渣，故由1，2層水池的沉淀物經(jīng)回流泵PRC1和PRC2向南粒化爐重新填入?；?，此過程循環(huán)進行。經(jīng)轉(zhuǎn)鼓電機分離出來的干粒經(jīng)皮帶卷揚機送入渣倉，待卡車運走。

圖1 高爐渣粒化工藝流程圖Fig.1 Granulated blast furnace slag process flow chart

接著，由轉(zhuǎn)鼓塔下第3層水池過濾后的凈水經(jīng)冷卻泵PCC1／2／3向冷卻塔回收經(jīng)冷卻塔風扇對回收的水進行冷卻，以備循環(huán)使用。轉(zhuǎn)鼓塔下的水池中的水向下方的排水池排水，排水池中的水經(jīng)排污泵PDR1向集水池注水。集水池中的水經(jīng)回收泵PRY回收進冷卻塔1。集水池附近的數(shù)個回收池是為了平衡水位防止集水池中水位過高而設計的。其中，若冷卻塔水位過高，可經(jīng)排污泵PDR2向排水池排水。

最后，在工藝圖的最下方，分別有從外部進入系統(tǒng)的沖洗水及補水。沖洗水經(jīng)增壓泵PBO進入轉(zhuǎn)鼓塔，定期對轉(zhuǎn)鼓塔進行沖洗，另外沖洗水也可對系統(tǒng)各個管道及冷卻泵、?；M行沖洗。補水的作用是在于經(jīng)一定時期運行后，整個系統(tǒng)的水難免流失造成水量不足，此時可打開補水進水電動閥VE5103對冷卻塔進行補水。

該設計原來采用的是集散控制方法，這種傳統(tǒng)的控制方式因其線路復雜，不便于調(diào)試，出現(xiàn)故障的概率高，維修不方便，因此對其進行了改進，采用總線控制方式。

本設計主要就是針對高爐渣?；に囅到y(tǒng)中的各種參數(shù)進行監(jiān)控，這些參數(shù)包括電量、非電量、設備的運行狀態(tài)及保護狀態(tài)、報警狀態(tài)等。其中電量參數(shù)包括工藝中變壓器、變頻器、智能斷路器、電機保護器的三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、頻率以及各進線和饋線的電壓、電流、有功、無功、缺相等參數(shù)。非電量包括各管道中的水壓、水溫、流量以及冷卻塔中的水位等。設備的運行狀態(tài)及保護狀態(tài)參數(shù)包括斷路器的閉合狀態(tài)、電機保護器及軟啟動器的開關狀態(tài)。報警狀態(tài)包括事故和故障信號狀態(tài)等［1］。

通過對上述這些參數(shù)的監(jiān)控從而使監(jiān)控中心部門能及早發(fā)現(xiàn)并掌握現(xiàn)場設備的運行情況，一旦發(fā)生故障可以及時做出決策，減少事故的發(fā)生率，同時也促進了無人值守的實現(xiàn)，達到了節(jié)省人力和財力的目標。

本監(jiān)控系統(tǒng)主要可以分為3大部分。

1）由于工藝中大部分的傳動設備及智能儀表僅支持Modbus協(xié)議，因此需要將這些僅支持Modbus協(xié)議的設備、儀表和PLC S7－200之間搭建網(wǎng)絡，其中西門子S7－200系列PLC做Modbus的主站，傳動設備、智能儀表作為 Modbus的從站，從而實現(xiàn)PLC對各個智能設備所需數(shù)據(jù)的采集。同時，S7－200＋EM277作為Profibus－DP總線的一個從站。

2）為了保證系統(tǒng)的可靠性和分散性，現(xiàn)場Profibus－DP總線采用了S7－300＋ET200M＋DP接口設備，并設立WINCC監(jiān)控PC站作為二類主站。將支持DP協(xié)議的設備、儀表直接掛上DP總線；無通信接口的設備直接掛到置于現(xiàn)場的ET200M的I／O模塊上，由ET200M對其進行信號采集。

3）由于遠方控制中心需要監(jiān)視主要是電能質(zhì)量數(shù)據(jù)而非控制數(shù)據(jù)，所以將PLC采集到的數(shù)據(jù)和檢測到的信號傳輸?shù)娇刂浦行?，這就要選擇合適的通信手段，本設計中選擇了GPRS網(wǎng)絡進行遠程通訊。

系統(tǒng)控制網(wǎng)絡設計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制網(wǎng)絡圖Fig.2 The network chart of control system

圖2中，M1為轉(zhuǎn)鼓輔電機，M2，M3，M4為冷卻泵電機，M5，M6為粒化泵，M7，M8為倒渣泵，M9為轉(zhuǎn)鼓主電機，電機保護器下面的電機為用直接啟動不需要調(diào)速的小容量電機。

S7－200PLC 的 主 機 選 用 S7－224XP CPU，Modbus網(wǎng)絡采用S7－224XP CPU上Port0口，無線數(shù)據(jù)通訊模塊SINAUT MD 720－3占用S7－224XP CPU上Port1口。本設計還對原集散系統(tǒng)進行了改造，采用了 S7315－2－DP＋ET200M＋有DP口的設備，在該現(xiàn)場設備監(jiān)控層設立WINCC監(jiān)控PC站（二類主站），滿足本系統(tǒng)監(jiān)控的需要。S7－200僅將支持 Modbus的電力儀表和電機保護器等設備的電量監(jiān)控參數(shù)通過GPRS上傳遠程監(jiān)控系統(tǒng)，同時這些智能儀表的監(jiān)控參數(shù)要通過EM277傳到S7－300主站的監(jiān)控PC站，S7－200加EM277為控制系統(tǒng)的一個DP從站，同時也可以將控制系統(tǒng)S7－300主站的一些需要監(jiān)視的參數(shù)通過S7－200上傳到遠方無線監(jiān)控系統(tǒng)，本設計中選擇S7－200的原因是西門子PLC中僅S7－200在不增加軟硬件開銷的情況下支持Modbus協(xié)議，并且有專用的無線模塊MD 720－3可選用。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 Modbus主要通信設計

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)控制已經(jīng)從單機控制走向集中控制、集散控制，如今已經(jīng)進入網(wǎng)絡集約制造時代。工業(yè)控制器聯(lián)網(wǎng)也為網(wǎng)絡管理提供了方便。

在某煉鐵廠的高爐渣工程中仍是采用集散控制的方式，因此在本設計中對它進行了改進，我們采用了Modbus＋Profibus網(wǎng)絡協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸和采集。Modbus是工業(yè)控制器網(wǎng)絡協(xié)議中的一種，該協(xié)議是應用電子控制器上的一種通訊規(guī)約。控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡和其他設備之間可以通信。

Modbus是一種單主站的主／從通信模式，Modbus網(wǎng)絡上只能有1個主站存在，主站在Modbus網(wǎng)絡上沒有地址，從站的地址范圍為0～247，其中0為廣播地址，從站的實際地址范圍為1～247。

Modbus通信協(xié)議有2種：一種是 Modbus ASCII協(xié)議，另一種是Modbus RTU協(xié)議。前者用于通信數(shù)量少而且主要是文本的通信，后者用于通信數(shù)據(jù)量大而且是二進制的通信。其中，ASCII和RTU模式的數(shù)據(jù)格式分別如表1和表2所示。

表1 ASCII消息幀Tab.1 ASCII news frame

表2 RTU消息結(jié)構(gòu)Tab.2 RTU news structure

表2中的T1－T2－T3－T4僅表示4個字符的傳輸時間，用于保持幀同步，若接收數(shù)據(jù)的時間間隔超過4個字符傳輸時間，則認為隨后接收的數(shù)據(jù)為地址字段。地址字段為從機地址。

通過上述比較，本設計中采用Modbus－RTU的通信協(xié)議通訊，需要有S7－200CPU做 Modbus主站，通過S7－200CPU通信口的自由口模式實現(xiàn)Modbus通信協(xié)議。S7－200控制系統(tǒng)應用中，Mod－bus RTU從站指令庫只支持CPU上Port0口，要實 現(xiàn) Modbus RTU 通 訊，需 要 Step7－Micro／WIN32V3.2以上版本編程軟件，需要安裝Step7－Micro／WIN32V3.2Instruction Library。Modbus RTU功能是指令庫中預先編好程序功能塊實現(xiàn)。圖3為S7－200主站主要的通信流程［2］。

圖3 PLC主站主要通信流程Fig.3 The main communication process of main station PLC

3.2 GPRS網(wǎng)絡通信設計

本系統(tǒng)使用的是S7－200系列PLC專用的GPRS無線數(shù)據(jù)通訊模塊SINAUT MD 720－3實現(xiàn)GPRS通信，并與遠方監(jiān)控中心組成SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程訪問。無線通訊部分由SINAUT MD720－3GPRS調(diào)制解調(diào)器、天線和GPRS通訊管理軟件SINAUT MICRO SC（集成OPC Server）等組成，實現(xiàn)S7－200的GPRS無線連接［3］。如圖4所示［4］。

圖4 S7－200的無線通信Fig.4 The wireless communication of S7－200

在進行PLC的無線通信之前要對其進行硬件連接，首先將移動的SIM卡（向移動公司確認已開通GPRS服務，且必須知道此SIM卡的PIN碼）插入 MD720－3中，然后將 MD720－3模塊與S7－200通過PC／PPIcable連接，并對PC／PPI電纜的撥碼開關進行相應的設置。

在正確的進行硬件連接后，需要編寫S7－200的程序，首先需要增加GPRS通信的庫程序，可以在SINAUT MICRO SC軟件的CD上找到該庫文件。該庫文件主要包含4個子程序，即WDC＿INIT，WDC＿SEND，WDC＿RECEIVE和 WDC＿CONTROL。

要實現(xiàn)S7－200的無線通信，需將WinCC服務器連接到Internet上，并安裝SINAUT MICRO SC軟件，也稱為OPC路由軟件。然后為S7－200PLC配置一個 MD720－3模塊，實現(xiàn)與GPRS網(wǎng)絡的連接。該路由軟件完成Internet到GPRS的路由，實現(xiàn)與MD720－3的通信，進而完成與S7－200PLC的數(shù)據(jù)交換。而 WinCC作為OPC客戶端，訪問該OPC路由軟件，即可實現(xiàn)與S7－200PLC的數(shù)據(jù)交換。

圖5是對某個線路的回路進行監(jiān)控的一個畫面。

圖5 部分回路的監(jiān)控圖Fig.5 The monitoring chart of partial loop

4 控制設備配電參數(shù)通信的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，由于大多數(shù)智能設備、儀表等支持Modbus協(xié)議，只有少部分智能設備支持Profibus協(xié)議。因此，我們采用了Modbus和Profibus兩種現(xiàn)場總線的通信方式。對Modbus通信方式以某公司的JJR5000智能型電機軟啟動器為例加以說明；對Profibus通信方式以某公司的6SE70變頻器為例說明。

4.1 JJR5000智能型電機軟啟動器

在Modbus控制網(wǎng)絡中，作為主站的S7－200對JJR5000智能型電機軟啟動器進行讀寫操作。JJR5000將起停控制、狀態(tài)信息如電流、故障等和功能參數(shù)影射到保持寄存器區(qū)（4XXXX），使用時通過S7－200主站對其進行讀寫控制。如表3所示。表3中未列出的寄存器是非法的，不能進行讀寫。否則，JJR5000會向控制器報告一個例外情況編碼。所有的數(shù)據(jù)地址都是以0為參考的。即線圈繼電器40001的地址為0000H，40257的地址為0100H（16進制）。

表3 寄存器功能Tab.3 The function of register

JJR5000只支持Modbus協(xié)議中表4中列出的功能代碼，如果使用其他代碼，會給出例外情況代碼01。

表4 JJR5000命令碼Tab.4 The command code of the JJR5000

如果要讀取電流值，則需要讀取寄存器40003，電流平均值（16進制）影射JJR5000的三相實際電流值。舉例：要讀取從站地址02的軟啟動器的電流，則主站控制器要發(fā)出02 03 00 02 00 01，如果實際的電流為235A，則返回02 03 02 00 EB。命令訊息與正確的響應訊息數(shù)據(jù)內(nèi)容格式依命令碼類型不同而不同，要參照具體的定義才可以明確。

具體的實現(xiàn)步驟如下。

1）分配庫存儲區(qū)。利用S7－200指令庫編程前首先應為其分配存儲區(qū)，否則Step7－Micro／Win編譯時會報錯。具體方法如下：

①執(zhí)行Step7－Micro／Win菜單命令“文件”＞“庫存儲區(qū)”，打開“庫存儲區(qū)分配”對話框；

②在“庫存儲區(qū)分配”對話框中輸入庫存儲區(qū)的起始地址，應避免該地址和程序中已經(jīng)采用或準備采用的其他地址重合；

③點擊“建議地址”按鈕，系統(tǒng)將自動計算存儲區(qū)的截止地址，點擊“確定”按鈕確認分配，關閉對話框。

2）從站組態(tài)。從站要響應主站報文，只需在S7－200PLC中編寫主程序。主程序由以下2個程序段構(gòu)成，如圖6、圖7所示。

圖6 初始化Modbus從站程序Fig.6 The program of slave initialized

圖7 從站響應主站程序Fig.7 The response program of slave to master

①程序段1用于初始化 Modbus從站，即是將從站地址設為2，將端口0的波特率設為9 600 b／s、無校驗、無延遲，允許存取所有的I，Q和AI數(shù)值，保存寄存器的存儲空間為從VB0開始的1 000個字（2 000個字節(jié)）。

②程序段2用于在每次掃描時執(zhí)行Modbus＿Slave指令。

3）Modbus主站組態(tài)。調(diào)用 Modbus主站指令編程前也應分配庫存儲區(qū)，與從站編程類似，不再贅述。

Modbus主站指令也只需編寫主程序，主程序也由2個程序段構(gòu)成，如圖8、圖9所示。

圖8 初始化Modbus主站程序Fig.8 The program of master initialized

①程序段1用于每次掃描時調(diào)用 MBUS＿CTRL指令來初始化和監(jiān)視Modbus主站設備。Modbus主設備設置波特率為9 600b／s，無奇偶校驗，允許從站1 000ms（1s）的應答時間。

圖9 主站讀取從站程序Fig.9 The program from the master read the slave

②程序段2實現(xiàn)在I 0.3正跳變時執(zhí)行MBUS＿MSG指令讀取從站2的地址40 003的數(shù)值，即電流平均值。

當所需要的監(jiān)控信息上傳到S7－200中，則S7－200數(shù)據(jù)可以通過DP網(wǎng)絡上傳到S7－300中，并對其進行監(jiān)控，與此同時，S7－200通過GPRS通訊模塊將配電信息發(fā)送到上層管理層，對其配電參數(shù)進行遠程監(jiān)控，具體GPRS通訊見3.2。

4.2 6SE70變頻器

在6SE70變頻器側(cè)需配置有帶DP網(wǎng)絡通訊功能的CBP通訊板，CBP通訊板用于通過PROFIBUS－DP把6SE70變頻器連接到高層的自動化系統(tǒng)。通過專用的PROFIBUS－DP通信電纜與變頻器硬件連通后，配置變頻器的相關參數(shù)，然后在STEP7（以安裝6SE70變頻器的GSD文件）中組態(tài)變頻器的通信區(qū)，若只對變頻器的過程數(shù)據(jù)進行讀寫操作，只需要組態(tài)PZD數(shù)據(jù)區(qū)，若還需要讀寫變頻器的內(nèi)部參數(shù)，還需要組態(tài)PKW數(shù)據(jù)區(qū)，本設計通訊報文選用PPO類型為4，即使用6個輸入和輸出PZD字進行過程數(shù)據(jù)交換，一個PZD的長度為一個字。在S7－300中可通過PZD對變頻器進行操作與訪問，可以傳送對變頻器的控制字和設定值，還可以返回變頻器當前的狀態(tài)值。

具體的實現(xiàn)步驟，首先應對其系統(tǒng)進行硬件組態(tài)，在STEP7中導入MASTERDRIVES 6SE70變頻器的GSD文件，組態(tài)時在硬件目錄列表中找到MASTERDRIVES 6SE70變頻器將其掛接在PROFIBUS－DP網(wǎng)絡上，配置其地址、參數(shù)及通信規(guī)則。選PPO類型為4的通信方式，在編程時需調(diào)用SFC14，15兩個系統(tǒng)功能塊。在PLC輸出PZD中，第1個字為控制字，第2個字為轉(zhuǎn)速主設定值。在PLC輸入PZD中，第1個字為狀態(tài)字，第2到5個字為電機轉(zhuǎn)速、電壓、電流和頻率的反饋值（遠程所需的配電參數(shù)），通過這些工藝參數(shù)在PLC S7－300＋PC監(jiān)控站中對其監(jiān)控。同時，S7－300作為S7－200的主站將遠程所需要的配電數(shù)據(jù)發(fā)送到S7－200中，通過GPRS模塊發(fā)送到上層管理層中。S7－300與S7－200通過EM277進行PROFIBUS－DP通訊，需要在STEP7中進行組態(tài)，在STEP7中先要安裝EM277的GSD文件，將其掛在DP網(wǎng)絡上，設置其硬件地址以及數(shù)據(jù)交換存儲器地址的偏移量，EM277上撥位開關的位置是要和S7－300中組態(tài)的地址值一致。在S7－200系統(tǒng)中不需要對通訊進行組態(tài)和編程，只需要將要進行通訊的數(shù)據(jù)整理存放在V存儲器與S7－300的組態(tài)EM277從站時的硬件I／O地址相對即可［5］。

5 結(jié)論

本文設計的基于Modbus，Profibus和GPRS的高爐渣粒化配電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能化和網(wǎng)絡化的控制，運用網(wǎng)絡通訊技術實現(xiàn)對現(xiàn)場使用的設備遠距離監(jiān)測，實現(xiàn)了無人值守。該系統(tǒng)不僅能對各種運行開關量狀態(tài)、電量和非電量參數(shù)進行實時采集和顯示，而且更安全、更可靠、更直觀，從經(jīng)濟效益上來說，該系統(tǒng)也顯得更為優(yōu)越，性價比高。

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