基于 Modbus RTU 磨機(jī)集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孔自亮，郭 庶，劉麗麗，李喜文

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)設(shè)備的集控要求越來(lái)越高，分散控制已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)節(jié)奏，要求主控室能夠收集全部的設(shè)備信息，并將數(shù)據(jù)分類整理后傳送到中控系統(tǒng)，且能簡(jiǎn)潔明了地顯示出來(lái)。

由中信重工機(jī)械股份有限公司設(shè)計(jì)制造的溢流型球磨機(jī)[1]，典型的控制系統(tǒng)配置為：高壓開關(guān)柜+軟啟動(dòng)柜+勵(lì)磁柜+PLC 控制柜。筆者就礦用磨機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，完成了全部配套設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集控。

1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)方案

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[2]中，各控制柜并排或分散安放在現(xiàn)場(chǎng)或電氣室中，分別配置相應(yīng)的觸摸屏或儀表，對(duì)各自的控制信息進(jìn)行監(jiān)控，各控制柜之間以硬接線形式連接；各控制柜之間大部分?jǐn)?shù)據(jù)單獨(dú)顯示，相互之間通信信號(hào)少，信息傳輸量小，主控柜只能收集并顯示有限的幾個(gè)主要參數(shù)，其余詳細(xì)信息只能前往相應(yīng)的控制柜查看；不同廠家的控制柜設(shè)計(jì)風(fēng)格迥異，操作界面不統(tǒng)一，查閱方式多樣，工作人員操作繁瑣，且多個(gè)設(shè)備之間沒(méi)有實(shí)現(xiàn)信息的集成。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的總體方案

2.1 方案介紹

鑒于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)信息傳輸量少、顯示分散，新方案以 Modbus RTU 通信協(xié)議為基礎(chǔ)，既增加了數(shù)據(jù)的傳輸量，又實(shí)現(xiàn)了多個(gè)控制柜之間的連接，將不同設(shè)備的信息匯集到同一個(gè) WINCC 畫面上，實(shí)現(xiàn)了整套控制系統(tǒng)的高度集成[3]；同時(shí)又有利于系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，減少重復(fù)性勞動(dòng)，大幅度縮短用戶鋪設(shè)信號(hào)電纜的長(zhǎng)度，降低電纜成本和人工布線成本。

2.2 Modbus RTU 通信協(xié)議

Modbus 是一種廣泛應(yīng)用于 RS232/RS485 通信過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同設(shè)備之間的通信。Modbus RTU 通信協(xié)議采用主從方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只有在主站發(fā)出通信請(qǐng)求后，從站才會(huì)回應(yīng)傳輸數(shù)據(jù)。Modbus RTU 串口通信總線上只能有 1 個(gè)主站，最多允許有 32 個(gè)從站。信號(hào)的傳輸距離與波特率有關(guān)，以 9 600 bits/s 為例，最大傳輸距離為 1 km。

通信數(shù)據(jù)的類型及格式：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 8，停止位為 1，傳輸速率為 9 600 bits/s，校驗(yàn)為奇/偶/無(wú)，數(shù)據(jù)格式為地址碼+功能碼+數(shù)據(jù)區(qū)+錯(cuò)誤校驗(yàn)，返回的信息包括地址碼、功能碼、執(zhí)行后的數(shù)據(jù)和 CRC校驗(yàn)碼。

地址碼是每次通信信息幀的第 1 字節(jié)，從 01H到 FFH。每個(gè)從機(jī)都有唯一的地址碼，只有與主機(jī)發(fā)送的地址碼相符合的從機(jī)才會(huì)響應(yīng)請(qǐng)求，回送信息。

功能碼是每次通信信息幀的第 2 字節(jié)。主機(jī)通過(guò)功能碼告知從機(jī)執(zhí)行何種動(dòng)作，作為響應(yīng)，從機(jī)返回的功能碼與主機(jī)一致，表明從機(jī)已經(jīng)響應(yīng)主機(jī)命令并已進(jìn)行相關(guān)操作。功能碼如表 1、2 所列。

表1 用于讀取數(shù)據(jù)的功能代碼Tab.1 Function codes for reading data

表2 用于寫入數(shù)據(jù)的功能代碼Tab.2 Function codes for writing data

數(shù)據(jù)區(qū)包括主機(jī)發(fā)送、從機(jī)回送何種信息或執(zhí)行何種動(dòng)作，這些數(shù)據(jù)可以是開關(guān)量、模擬量和地址等數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)配置

單臺(tái)磨機(jī)控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：主電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、氣動(dòng)離合器控制系統(tǒng)、油站控制系統(tǒng)、干油噴射控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (溫度、壓力、振動(dòng)等)、勵(lì)磁控制系統(tǒng)、軟啟控制系統(tǒng)及高壓柜控制系統(tǒng)等[4]。

筆者設(shè)計(jì)的方案以西門子 PLC 和勵(lì)磁及軟啟裝置通信為基礎(chǔ)，利用 Modbus RTU 通信協(xié)議，將所有磨機(jī)配套控制柜連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集，并全部顯示到 WINCC 畫面上。

主站配置：1513-1PN、CM PtP RS422/485 HF。從站設(shè)備：WKLF-102 勵(lì)磁裝置、CMV 高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器。編程軟件：博途 V15+WINCC V7.4 SP1。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接如圖 1 所示，采用雙芯屏蔽電纜，將各控制系統(tǒng)的 485 通信接口連接起來(lái)。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接示意Fig.1 Connection sketch of control system network

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制流程

控制流程如圖 2 所示，程序開始執(zhí)行后，主機(jī)向從機(jī)發(fā)出通信命令[5]，與地址碼相符的從機(jī)接收通信命令，并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求處理信息，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后將執(zhí)行結(jié)果返送給主機(jī)。

在主站和從站數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，主站一次只發(fā)送 1 個(gè)請(qǐng)求報(bào)文到指定的從站，然后等待從站響應(yīng)；從站得到請(qǐng)求報(bào)文后，檢查并分析數(shù)據(jù)包后執(zhí)行請(qǐng)求，之后再返回主站相應(yīng)的響應(yīng)報(bào)文；主站接收到響應(yīng)報(bào)文后檢查數(shù)據(jù)包，無(wú)誤之后再對(duì)接收的數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，如果檢查有誤則重發(fā)請(qǐng)求報(bào)文。

3.2 通信建立

在設(shè)備組態(tài) 1513-1PN 的主機(jī)架內(nèi)添加通信模塊CM PtP RS422/485 HF，配置其端口協(xié)議為 Modbus，并根據(jù)實(shí)際情況修改端口參數(shù)。本項(xiàng)目中設(shè)置傳輸率：9 600 bits/s；奇偶校驗(yàn)：無(wú)；數(shù)據(jù)位：8 位；結(jié)束位：1。S7-1500 通信模塊組態(tài)如圖 3 所示。

圖2 控制流程Fig.2 Control process flow

以 S7-1500 為主站實(shí)現(xiàn) Modbus RTU 功能[6]，需要調(diào)用表 3 中的指令，其中“Modbus_Comm_Load”指令用于通信模塊組態(tài)，“Modbus_Master”指令用于實(shí)現(xiàn) Modbus 主站通信。

表3 Modbus RTU 通信指令Tab.3 Modbus RTU communication instructions

新建 1 個(gè) DB 數(shù)據(jù)塊，用于存放相應(yīng)的數(shù)據(jù)和指令；新建 1 個(gè) FB 函數(shù)塊，在該 FB 中以多重背景方式分別調(diào)用“Modbus_Comm_Load”指令和“Modbus_ Master”指令，然后對(duì)指令進(jìn)行參數(shù)化，如圖 4、5 所示。

2 個(gè)指令通過(guò)“Modbus_Comm_Load”指令的“MB_DB”引腳實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)。“Modbus_Comm_Load”指令的“PORT”引腳的含義為 CM 端口值即硬件標(biāo)識(shí)符，可在該通信模塊的“系統(tǒng)常數(shù)”中查到；“BAUD”為數(shù)據(jù)傳輸速率，此處寫入 9 600；“PARITY”為奇偶校驗(yàn)，此處無(wú)奇偶校驗(yàn)為 0；其他引腳均采用系統(tǒng)默認(rèn)值。

“Modbus_Master”指令中“MB_ADDR”為從站地址；“MODE”為模式選擇，用于指定請(qǐng)求類型，此處選擇 0；“DATA_ADDR”為從站數(shù)據(jù)的起始地址，需根據(jù)從站的通信手冊(cè)來(lái)確定，此引腳與“MODE”共同決定 Modbus 功能碼的選擇為 03；“DATA_LEN”為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，指定此指令將訪問(wèn)的位或字的個(gè)數(shù)；“DATA_PTR”為數(shù)據(jù)指針，指向要進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入或讀取的標(biāo)記或數(shù)據(jù)塊地址。

指令參數(shù)設(shè)置完畢后，主站的工作已經(jīng)全部完成，再參照相應(yīng)的從站通信手冊(cè)，讀取或?qū)懭胂鄳?yīng)的數(shù)據(jù)或指令。以勵(lì)磁柜為例，通信列表如表 4 所列。

圖3 S7-1500 通信模塊組態(tài)Fig.3 S7-1500 communication module configuration

圖4 “Modbus_Comm_Load”指令參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameter setting of "Modbus_Comm_Load" instruction

圖5 “Modbus_Master”指令參數(shù)設(shè)置Fig. 5 Parameter setting of "Modbus_Master" instruction

表4 勵(lì)磁柜通信列表Tab.4 Communication of excitation cabinet

由勵(lì)磁柜通信手冊(cè)可知，勵(lì)磁裝置微機(jī)系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus RTU 規(guī)約，將所要通信的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的地址區(qū)，如圖 6 所示，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要，修改從站的通信波特率和從機(jī)地址等參數(shù)。此處從站地址與其他設(shè)備不沖突，因此不作修改；波特率要與主站的設(shè)置保持一致，修改通信波特率為9 600 bits/s，設(shè)置 RS485 通信為允許，激活從站的數(shù)據(jù)傳輸功能。

將編寫無(wú)誤的程序下載到主 PLC 內(nèi)，轉(zhuǎn)至在線，監(jiān)控存放數(shù)據(jù)的 DB 數(shù)據(jù)塊，與從站設(shè)備儀表顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由圖7 可知，通信成功建立，數(shù)據(jù)完成了接收。

3.3 數(shù)據(jù)的集成和監(jiān)控

利用 WINCC 建立信息集成平臺(tái)和綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)不同的設(shè)備分別繪制了相應(yīng)的監(jiān)控界面，將收集到的全部數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息分門別類、條理清晰地顯示到屏幕上，該 WINCC 畫面集成了動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸、故障記錄與歷史趨勢(shì)等強(qiáng)大功能，極大地方便了操作人員對(duì)整套控制設(shè)備的觀測(cè)與記錄。

圖6 勵(lì)磁裝置通信配置界面Fig.6 Communication configuration interface of excitation device

圖7 DB 數(shù)據(jù)塊的監(jiān)控畫面Fig.7 Monitor and control interface of DB data block

圖8 磨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主畫面Fig.8 Main interface of mill monitor and control system

磨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖 8 所示，清楚地顯示了磨機(jī)本體軸承溫度、主電動(dòng)機(jī)電流及功率、主電動(dòng)機(jī)溫度等重要參數(shù)，指示了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置；同時(shí)還集成了磨機(jī)系統(tǒng)的啟?？刂疲邆湔紫到y(tǒng)遠(yuǎn)程啟停的功能。

勵(lì)磁裝置監(jiān)控畫面如圖 9 所示，顯示了勵(lì)磁裝置在工作過(guò)程中需要監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)、狀態(tài)以及相應(yīng)的操作界面。

軟啟裝置監(jiān)控畫面如圖 10 所示，顯示了軟啟裝置的電壓、電流等重要數(shù)據(jù)，以及軟啟柜的狀態(tài)信息。

圖9 勵(lì)磁裝置監(jiān)控畫面Fig.9 Monitor and control interface of excitation device

圖10 軟啟裝置監(jiān)控畫面Fig.10 Monitor and control interface of soft start-up device

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)方案相比，優(yōu)化升級(jí)后的方案具有集成化程度高、協(xié)調(diào)控制能力強(qiáng)、各硬件連接簡(jiǎn)單及易操作等優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)磨機(jī)控制系統(tǒng)的集成，提高了整套設(shè)備的監(jiān)控力度，使主控室技術(shù)員可以清晰明了地在一臺(tái) WINCC 上查看全部設(shè)備信息，滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要，為全套設(shè)備的監(jiān)測(cè)與維護(hù)提供了極大的便利。

該設(shè)計(jì)方案已于 2019 年在撫順毛公鐵礦投入運(yùn)行，通過(guò) Modbus RTU 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了主 PLC 對(duì)主電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)離合器、油站、干油噴射、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(溫度、壓力、振動(dòng)等)、勵(lì)磁、軟啟、高壓柜等多臺(tái)配套設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可將全套控制系統(tǒng)的詳細(xì)信息收集與顯示出來(lái)，到目前為止系統(tǒng)運(yùn)行良好。