基于Modbus通訊的變頻器在某地浸礦山的應(yīng)用

莊治旭,李喜龍,曹俊鵬,田 爽,周文蒙

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000)

隨著原地浸出采鈾行業(yè)的發(fā)展,搭建自動化、數(shù)字化、智能化礦山成為必然趨勢。在自動化程度越來越高的情況下,變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域得到拓展,變頻技術(shù)與微電子技術(shù)[1]結(jié)合,可通過改變電機(jī)工作電源頻率的方式進(jìn)行交流電動機(jī)的控制。

在原地浸出采鈾工藝中,通過安裝在抽液井中的潛水泵將浸出液抽至地表。潛水泵電機(jī)由集控室中的變頻器進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)及控制[2]。傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)常采用模擬量的方式進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)及反饋采集[3],這種方式需要敷設(shè)大量線路,項目建設(shè)成本較高,維護(hù)工作量也較大,其應(yīng)用具有一定的局限性。Modbus現(xiàn)場總線方式能有效解決這些問題,更具經(jīng)濟(jì)性[4]。

通遼某地浸采鈾礦山一期井場存在集控室位置分散且相距較遠(yuǎn)的情況。以該井場為研究對象,集控室內(nèi)的變頻器、電磁流量計等設(shè)備采用Modbus現(xiàn)場總線方式進(jìn)行通訊,以期提高對采區(qū)變頻器控制的便捷性。

1 井場控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某地浸礦山一期井場共建設(shè)10個集控室,每個集控室配置32臺變頻器、32臺抽液流量計、80臺注液流量計、1套自動化控制柜,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

采用CPU 1513-1 PN作為井場各集控室的中央處理單元,該CPU支持多個從站擴(kuò)展,網(wǎng)絡(luò)連接功能強(qiáng),處理速度快[5]。下位機(jī)使用TIA Portal軟件進(jìn)行組態(tài)、編程及調(diào)試。電磁流量計、變頻器與CPU之間通過Modbus通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,最終通過光纖以太環(huán)網(wǎng)將所有集控室數(shù)據(jù)傳輸至生產(chǎn)監(jiān)控中心[6],完成各設(shè)備狀態(tài)的采集與控制。

為保證現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)可靠性,選擇環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)在一個環(huán)路中形成備份鏈路。本礦山光纖以太環(huán)網(wǎng)由MOXA交換機(jī)完成信號的轉(zhuǎn)換與傳輸。普通以太網(wǎng)交換機(jī)一旦形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò),容易出現(xiàn)Loop情況(環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴),造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓;而MOXA交換機(jī)支持Turbo Ring V2冗余協(xié)議,在該協(xié)議下交換機(jī)之間通過手拉手形式構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?環(huán)網(wǎng)上的某一路斷開,不影響網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),避免了環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴的產(chǎn)生,提高了環(huán)網(wǎng)的可靠性。

通過IE工具Ping交換機(jī)的默認(rèn)IP地址,進(jìn)入配置界面對每臺交換機(jī)進(jìn)行IP地址分配,使上位機(jī)、下位機(jī)及交換機(jī)的地址段保持一致,C1～C10集控室交換機(jī)的IP地址見表1,子網(wǎng)掩碼均設(shè)置為255.255.255.0。在Communication Redundancy的頁面中,選擇Turbo Ring V2冗余協(xié)議(圖2)。

表1 各采區(qū)交換機(jī)IP地址Table 1 IP address of switches in each mining area

圖2 MOXA交換機(jī)配置圖Fig. 2 Configuration diagram of MOXA switch

2 Modbus通訊設(shè)備接線

在設(shè)備硬件層面上,西門子PLC與丹佛斯FC101變頻器之間的Modbus通訊采用手拉手菊花鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)將網(wǎng)關(guān)和各串行設(shè)備節(jié)點(diǎn)連接起來,并在網(wǎng)絡(luò)起始端和末尾端設(shè)備的RS485+和RS485-之間各并接1個120 Ω的電阻以減少信號在兩端的反射,工作模式為半雙工(RS485)兩線制操作模式。PLC通訊模塊為主站,丹佛斯變頻器為從站,從站設(shè)備數(shù)量控制在31臺以內(nèi)[7]。由于多個設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù),會導(dǎo)致設(shè)備幀被破壞[8]34;因此在RS485通訊模式下,需確保任意時間內(nèi)只有1臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

PLC通訊模塊的15針D型母頭連接器,引腳4為R(A)/T(A)-,引腳11為R(B)/T(B)+,引腳8為GND[8]35。丹佛斯FC系列變頻器端子68為N(-)RS485,端子69為P(+)RS485。通訊模塊與變頻器之間的接線見圖3。

圖3 Modbus通訊硬件接線Fig. 3 Modbus communication hardware wiring

將焊接完成的D型母頭連接器插入通訊模塊,即可完成Modbus通訊硬件接線。為防止信號干擾,在接線過程中將雙絞屏蔽線中的屏蔽金屬層接到了變頻器61端子上。為避免電位差的存在[9],雙絞屏蔽線的屏蔽層只能一端接地,其屏蔽金屬層不與通訊模塊的GND引腳連接。

3 變頻器Modbus通訊參數(shù)設(shè)置

在丹佛斯變頻器與西門子PLC1500系列控制系統(tǒng)完成硬件通訊接線后,對變頻器Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)設(shè)置。使用下位機(jī)TIA Portal軟件完成變頻器PLC控制程序編寫[10]。

為實(shí)現(xiàn)丹佛斯FC101系列變頻器原地控制與遠(yuǎn)程通訊控制自由切換,需要設(shè)置的參數(shù)如下:14-22,選擇初始化后將變頻器斷電重啟;8-42,設(shè)置PCD寫配置;8-43,設(shè)置PCD讀配置;5-10,設(shè)置為0,端子18輸入;8-53,總線(啟動選擇);8-02,控制來源,選擇RS485;8-30,選擇為Modbus RTU通訊協(xié)議;8-31,變頻器的通訊地址,1～126范圍內(nèi)地址有效;8-32,設(shè)置通訊速度,2 400～115 200,本控制系統(tǒng)選擇[3]對應(yīng)的速度為19 200,各站速度要求一致;8-33,奇偶校驗(yàn)方式,選擇偶校驗(yàn),1個停止位,各站要求設(shè)置一致[11]。

變頻器參數(shù)配置后,控制系統(tǒng)采用博途編程軟件實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議。丹佛斯變頻器作為從站[12],所要通訊的Modbus RTU地址為參數(shù)號前加4再乘10。有2個特殊寄存器,對應(yīng)參數(shù)設(shè)置的8-42和8-43,相當(dāng)于1個緩存,便于通訊時連續(xù)讀寫數(shù)據(jù)?！?910”為讀配置地址,“2810”為寫配置地址,西門子變頻器需在地址參數(shù)號前加4,即變頻器8-43.0對應(yīng)2910(42910),8-42.0對應(yīng)2810(42810)。西門子控制器作為主站發(fā)送請求報文到變頻器,變頻器接到控制器報文后返回響應(yīng)報文,系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換通過功能碼進(jìn)行控制[7]196,報文結(jié)構(gòu)見表2。

表2 FC101變頻器Modbus報文結(jié)構(gòu)Table 2 Modbus message structure of FC101 converter

4 下位機(jī)變頻器遠(yuǎn)程控制程序

該地浸采鈾礦山井場一期計劃投入生產(chǎn)抽液井約200口,每口抽液井安裝1臺潛水泵用于提升浸出液。通過對應(yīng)采區(qū)集控室的變頻器對每臺潛水泵進(jìn)行啟/停及頻率調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)對潛水泵抽液流量的調(diào)節(jié)[13]。在運(yùn)行過程中,存在多種因素造成的停電情況。當(dāng)采區(qū)大面積停電或恢復(fù)供電時,需要更快、更便捷的自動化遠(yuǎn)程控制。

4.1 單臺變頻器下位機(jī)控制程序

PLC通訊模塊與變頻器完成設(shè)備通訊接線及硬件參數(shù)配置后,根據(jù)報文結(jié)構(gòu)編寫單臺變頻器的啟/停與頻率給定的遠(yuǎn)程控制,以站號為1的變頻器為例,程序流程見圖4。

圖4 單臺變頻器控制程序圖Fig. 4 Control program diagram of single frequency converter

單臺變頻器控制程序段如下:

L 1

T "BP_ParameterPublic".SlaveNo ∥站號為1的變頻器

L 0

T "BP_ParameterPublic".Mode ∥讀模式

L 42910

T "BP_ParameterPublic".DataAddress ∥變頻器讀配置地址

L 4

T "BP_ParameterPublic".DataLength ∥長度為4分別對應(yīng)啟動/停止命令、頻率、速度、電流

A "BP_StateBOOL".BPBool[1].Re

JCN laa1 ∥變頻器不在遠(yuǎn)程狀態(tài),跳轉(zhuǎn)至laa1,程序不執(zhí)行

∥改變頻率

A(

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet_save

<>I )

JCN FF3 ∥給定頻率與寄存器中不一致繼續(xù)執(zhí)行程序,否則跳轉(zhuǎn)至FF3

L 1

T "BP_ParameterPublic".SlaveNo ∥變頻器站號

L 1

T "BP_ParameterPublic".Mode ∥寫模式

L 42810

T "BP_ParameterPublic".DataAddress ∥寫配置地址

L 2

T "BP_ParameterPublic".DataLength ∥長度為2,對應(yīng)啟動/停止命令、頻率

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet

T "BP_ParameterPublic".V_DataSnd[2]

T "BP_Parameter".Send[1].V_Data[2] ∥2號寄存器地址寫入頻率

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet

T "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet_save ∥保持寫入頻率

FF3: NOP 0

A "BP_CommData".FreqComm[1].StartHold

JCN FF1 ∥變頻器狀態(tài)為啟動,則跳轉(zhuǎn)至FF1

L 1

T "BP_ParameterPublic".Mode

L 42810

T "BP_ParameterPublic".DataAddress

L 2

T "BP_ParameterPublic".DataLength

L 1148 ∥對應(yīng)16進(jìn)制為047C

T "BP_ParameterPublic".V_DataSnd[1]

T "BP_Parameter".Send[1].V_Data[1]∥寫047C到1號寄存器地址,啟動變頻器

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet

T "BP_ParameterPublic".V_DataSnd[2]

T "BP_Parameter".Send[1].V_Data[2] ∥將頻率賦值到2號寄存器

R "BP_CommData".FreqComm[1].StartHold ∥保持啟動

FF1: NOP 0

A "BP_CommData".FreqComm[1].StopHold

JCN FF2 ∥變頻器狀態(tài)為停止,則跳轉(zhuǎn)至FF2,結(jié)束程序

L 1

T "BP_ParameterPublic".Mode

L 42810

T "BP_ParameterPublic".DataAddress

L 2

T "BP_ParameterPublic".DataLength

L 1084 ∥對應(yīng)16進(jìn)制為043C

T "BP_ParameterPublic".V_DataSnd[1]∥寫 043C 到1號寄存器地址 停止變頻器

T "BP_Parameter".Send[1].V_Data[1]

R "BP_CommData".FreqComm[1].StopHold∥保持停止

FF2: NOP 0

laa1: NOP 0

JU snd ∥程序結(jié)束

4.2 單采區(qū)變頻器一鍵式啟動

集控室原液間配備32臺變頻器,為保證設(shè)備保養(yǎng)、檢修的直觀性,將變頻器分為2組,每組編號由1至16。因潛水泵啟動的瞬間功率過大,同時啟動32臺潛水泵會對供電線路造成負(fù)載過大的影響,所以在一鍵啟動中加入了定時器,保證變頻器按編號順序每5 s啟動1臺[14],定時器見圖5。

圖5 5 s延時定時器Fig. 5 5 s delay timer

在WinCC上位機(jī)中添加按鈕命名為“一鍵啟動”,并鏈接對應(yīng)采區(qū)“一鍵啟動”變量,變量的類型選擇BOOL型。點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵,向下位機(jī)發(fā)送啟動信號,程序流程見圖6。

圖6 變頻器一鍵啟動程序流程圖Fig. 6 Frequency converter one-key start program diagram

博途下位機(jī)中使用SCL語言編寫一鍵啟動程序,如下:

IF "BP_Allstart"."5spulse"=1 AND "BP_Allstart".All_StartHold=1 THEN

"BP_Allstart".jishu:="BP_Allstart".jishu+1;

END_IF;

IF "BP_Allstart".All_StartHold=1 AND "BP_Allstart".jishu<17 AND"BP_Allstart".jishu>0 THEN

"BP_CommData".FreqComm[ "BP_Allstart".

jishu].StartHold:=1;

"BP_CommData_1".FreqComm[ "BP_Allstart".jishu].StartHold:=1;

END_IF;

IF "BP_Allstart".jishu>17 THEN

"BP_Allstart".jishu:=0;

"BP_Allstart".All_StartHold:=0;

END_IF;

操作人員按下“一鍵啟動”按鈕后,工控上位機(jī)的啟動信號通過網(wǎng)線傳送至機(jī)房交換機(jī),再由光纖收發(fā)器傳送至光纖以太環(huán)網(wǎng),位于井場集控室的交換機(jī)進(jìn)行信號的接收并將該信號傳送至下位機(jī)CPU 1513-1 PN。下位機(jī)接收到啟動信號后,調(diào)用上述程序,逐一啟動變頻器;當(dāng)變頻器編號加至17時,程序段將變頻器編號與啟動信號均強(qiáng)制為0,跳出變頻啟動程序,防止變頻器全部啟動后再次進(jìn)入循環(huán)啟動。

4.3 單采區(qū)變頻器一鍵式關(guān)停

考慮到關(guān)停變頻器對電網(wǎng)的沖擊較小,所以一鍵關(guān)停的邏輯相較于一鍵啟動簡單,不需要使用延時定時器,程序流程見圖7。采用STL語言進(jìn)行編程,不再循環(huán)判斷變頻器的狀態(tài),直接將關(guān)停信號傳送給相應(yīng)的寄存器地址,實(shí)現(xiàn)快速關(guān)停。

圖7 變頻器一鍵關(guān)停程序流程圖Fig. 7 One-button shutdown program diagram of frequency converter

單采區(qū)變頻器一鍵式關(guān)停程序如下:

A "BP_Allstart".All_Stop

FP "BP_Allstart".All_StopSave

R "BP_Allstart".All_StartHold

R "BP_CommData".FreqComm[1].StartHold

R "BP_CommData".FreqComm[2].StartHold

…

R "BP_CommData".FreqComm[16].StartHold

R "BP_CommData_1".FreqComm[1].StartHold

R "BP_CommData_1".FreqComm[2].StartHold

…

R "BP_CommData_1".FreqComm[16].StartHold

S "BP_CommData".FreqComm[1].StopHold

S "BP_CommData".FreqComm[2].StopHold

…

S "BP_CommData".FreqComm[16].StopHold

S "BP_CommData_1".FreqComm[1].StopHold

S "BP_CommData_1".FreqComm[2].StopHold

…

S "BP_CommData_1".FreqComm[16].StopHold

下位機(jī)收到上位機(jī)發(fā)送的一鍵停止信號后,調(diào)用該段程序,捕捉一鍵停止的上升沿信號,將2組變頻器啟動保持信號進(jìn)行復(fù)位,將操作數(shù)清0。停止保持信號置位,將操作數(shù)寫為1,達(dá)到一鍵關(guān)停的效果。

5 常見問題及處理措施

5.1 常見問題

井場控制系統(tǒng)全面采集潛水泵變頻器的各項參數(shù)[15]并接入監(jiān)控中心生產(chǎn)運(yùn)行,監(jiān)控員可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)變頻器。在調(diào)節(jié)過程中存在部分變頻器無法遠(yuǎn)程控制以及讀取的參數(shù)與現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)不符的問題,通過現(xiàn)場排查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),下位機(jī)程序監(jiān)視,發(fā)現(xiàn)上述問題主要是由通訊線信號易受電源干擾、15針D型母頭連接器與通訊線焊接點(diǎn)松動等引起。

5.2 處理措施

為保證控制系統(tǒng)的平穩(wěn)有效運(yùn)行,針對上述問題將集控室內(nèi)所有基于Modbus通訊的儀器儀表的電源線與通訊線進(jìn)行合理布線,杜絕2種線纜的纏繞,增大2種線纜間的布線距離,從而降低干擾對信號采集準(zhǔn)確性的影響。

由于變頻器與PLC之間采用手拉手菊花鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu),當(dāng)尾端的D型母頭連接器與通訊線焊接點(diǎn)松動時,會導(dǎo)致整條線路上的設(shè)備通訊中斷;因此對焊點(diǎn)進(jìn)行加固,并減小線纜在焊點(diǎn)的彎折角度。錢家店Ⅱ號鈾礦床采用模擬量通訊,Ⅳ號鈾礦床采用Modbus串行總線通訊,這2種通訊模式下的單臺變頻器的布線用量、故障類型及維修頻次對比見表3?？梢钥闯?Modbus總線通訊模式在建設(shè)成本及后期維護(hù)工作量方面更具有優(yōu)勢。

表3 2種通訊方式變頻器的應(yīng)用情況統(tǒng)計Table 3 Application statistics of frequency converter with two communication modes

6 結(jié)論

本礦山集控室內(nèi)的變頻器基于Modbus通訊,僅需1根屏蔽雙絞線將各變頻串聯(lián)即可完成遠(yuǎn)程備妥、運(yùn)行或故障狀態(tài)、運(yùn)行頻率、運(yùn)行電流、運(yùn)行功率、遠(yuǎn)程啟/停、遠(yuǎn)程頻率調(diào)節(jié)等信號的采集與控制。與傳統(tǒng)模擬量加開關(guān)量控制方式相比,Modbus通訊方式可節(jié)省大量的線纜敷設(shè)與I/O模塊,控制方便、成本較低,大幅降低了維護(hù)工作量,進(jìn)一步提升了控制效率。

對WinCC上位機(jī)與博途下位機(jī)的開發(fā)、編程與組態(tài),實(shí)現(xiàn)單一變頻器的啟停與頻率調(diào)節(jié),優(yōu)化了單采區(qū)變頻器遠(yuǎn)程一鍵全部啟動和關(guān)停。在供電線路發(fā)生異常時,監(jiān)控中心的值班人員通過使用上述功能,操作簡捷,縮減了處理異常狀況的時間。