基于Modbus 通信的空壓機(jī)PLC 聯(lián)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 楠

（北京泰寧科創(chuàng)集團(tuán)有限公司，北京 100086）

0 引言

在目前的工業(yè)應(yīng)用中，空壓機(jī)作為僅次于電力的第二大動(dòng)力源，廣泛的應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥、石油、生化、電力、機(jī)械等行業(yè)。目前的大部分用戶，都會(huì)同時(shí)使用多臺(tái)的空壓機(jī)進(jìn)行工作。其獨(dú)立的控制和運(yùn)行對(duì)其運(yùn)營和維護(hù)產(chǎn)生了很高的成本。因此，設(shè)計(jì)出一套配套空壓機(jī)組的聯(lián)控控制系統(tǒng)具有重要的意義與價(jià)值。同時(shí)，利用Modbus 通信技術(shù)，可以為未來空壓機(jī)組的集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等系統(tǒng)的擴(kuò)展，提供更有利的條件?？刂葡到y(tǒng)通過聯(lián)動(dòng)控制、信號(hào)采集、機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化等方法，降低了機(jī)組的故障率、并提升了設(shè)備的監(jiān)控效率，從而大大地優(yōu)化了工廠的設(shè)備運(yùn)營。

1 控制系統(tǒng)工作原理

1.1 流程簡介

該控制系統(tǒng)由多臺(tái)空壓機(jī)連接成總線形式，通過RS485 通信接口，將各個(gè)機(jī)組按照預(yù)設(shè)的站號(hào)，順序的發(fā)送和接收信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理，從而使得在網(wǎng)上的每臺(tái)空壓機(jī)組的系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)等信息傳入PLC 控制器中并顯示在上位機(jī)上。自控網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠、連接方便且成本低廉，可控制多臺(tái)空壓機(jī)的均衡運(yùn)行，并保持管道的壓力運(yùn)行在設(shè)定的合理范圍區(qū)間，提高了機(jī)組運(yùn)行的效率和使用壽命，并節(jié)約電能。

1.2 控制要求

將聯(lián)控機(jī)組設(shè)置為遠(yuǎn)控模式。PLC 在此時(shí)根據(jù)管道壓力值判斷是否需要啟動(dòng)空壓機(jī)加壓，當(dāng)需要啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行時(shí)間最少的機(jī)組依次啟動(dòng)（若運(yùn)行時(shí)間相同，則Modbus 站號(hào)小的機(jī)組啟動(dòng)）以此類推。當(dāng)管道內(nèi)壓力大于停機(jī)壓力值0.02 MPa 時(shí)，運(yùn)行時(shí)間長的機(jī)組停止（若運(yùn)行時(shí)間相同，則機(jī)組Modbus 站號(hào)大的停止）。

當(dāng)用戶用氣量過大，單臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行仍然不能滿足管道最低壓力時(shí)。增加第二臺(tái)空壓機(jī)投入運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間最少的機(jī)組依次啟動(dòng)。

當(dāng)客戶用氣量穩(wěn)定，空壓機(jī)處于長時(shí)間運(yùn)行時(shí)。計(jì)算空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間與輪換時(shí)間的差值，若差值為零，則該機(jī)組投入運(yùn)行替換正在運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)組。

若有機(jī)組模式為“近控”、故障報(bào)警或處于斷網(wǎng)狀態(tài)，PLC自動(dòng)忽略此機(jī)組，不再繼續(xù)控制此機(jī)組運(yùn)行與停機(jī)。即使只剩下一臺(tái)機(jī)組仍能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，保證用戶使用。系統(tǒng)控制流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)控制流程

2 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)主要是利用PLC 對(duì)空壓機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，其中包括對(duì)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警的采集、對(duì)管道壓力的數(shù)據(jù)采集以及對(duì)空壓機(jī)的啟?？刂?。需要手動(dòng)控制的部分通過在空壓機(jī)組上的自帶控制盤上操作。其硬件組成如圖2 所示。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)硬件組成

SMART SR20 是西門子S7-200 SMART 系列中的小型主機(jī)，帶有SB-CM02 Modbus 通信模塊，數(shù)字量輸入和輸出點(diǎn)數(shù)分別是12 和8 個(gè)，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信方式為Modbus，PLC 不需要過多的輸入、輸出點(diǎn)即可滿足相應(yīng)的控制需求。

3 空壓機(jī)通信與控制

3.1 Modbus 通信

Modbus 通信協(xié)議是基于主站/從站架構(gòu)的協(xié)議。其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)是主站節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)則為從站節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)從站設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址（0～247）。在串行和MB+網(wǎng)絡(luò)中，只有主站節(jié)點(diǎn)可以啟動(dòng)一個(gè)命令，從站只能響應(yīng)主站的訪問。Modbus 最常使用的通信方式為RS485，屬于半雙工。

3.2 Modbus 通信的實(shí)現(xiàn)

用帶有屏蔽層的雙絞線將每臺(tái)空壓機(jī)的通信口A、B 端口分別連接起來并接到西門子PLC-CM02 擴(kuò)展通信模塊的A、B 端口上，在最遠(yuǎn)端的A、B端口之間并聯(lián)一個(gè)500 Ω 的終端電阻并把屏蔽層接地。雙絞線最大長度不超過500 m，距離500～1000 m 的需要使用特殊電纜，大于1000 m 的則需要使用信號(hào)放大器。

通信參數(shù)設(shè)置為：波特率（baud rate）9600 bps；奇偶校驗(yàn)（parity）無校驗(yàn)；數(shù)據(jù)長度（data bits）8 位；停止位1 位。

3.3 測試工具

利用Modscan32 作為Modbus 通信的測試工具，它是一個(gè)運(yùn)行在電腦上，可以工作在ASCII 或RTU 傳輸模式下的Modbus協(xié)議主設(shè)備的應(yīng)用程序。用來模擬主設(shè)備發(fā)送指令報(bào)文，并接收從機(jī)的相應(yīng)寄存器數(shù)據(jù)。用該軟件可以很好地測試出系統(tǒng)通信的應(yīng)答情況與各寄存器的數(shù)據(jù)值。Modscan32 調(diào)試界面如圖3所示。

圖3 Modscan32 調(diào)試界面

調(diào)試方法如下：

（1）打開Modscan32 工具，在連接設(shè)置中按照空壓機(jī)的通信參數(shù)設(shè)置：波特率為9600、數(shù)據(jù)位為8、停止位為1、校驗(yàn)為無校驗(yàn)、串口號(hào)為COM1，點(diǎn)擊連接按鈕。

（2）設(shè)置空壓機(jī)各機(jī)組以及相關(guān)管道傳感器的ID（站號(hào)從1號(hào)站開始向后依次遞增，每個(gè)設(shè)備的ID 設(shè)置不能重復(fù)），選擇讀取的寄存器類型為“03：holding register”，即讀取模擬量的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)讀取各個(gè)空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

（3）通信正常時(shí)，空壓機(jī)中的參數(shù)以不同的數(shù)據(jù)類型顯示，需要在配置中選擇合適的數(shù)據(jù)類型以觀察參數(shù)是否顯示正確。

注意：設(shè)置訪問地址的長度Length 不宜過長，每套設(shè)備都有自身設(shè)置的最大訪問長度，超出長度會(huì)導(dǎo)致無法通信。

3.4 程序設(shè)計(jì)與分析

此系統(tǒng)的主要程序?yàn)镻LC 對(duì)空壓機(jī)以及傳感器的Modbus通信，1 號(hào)空壓機(jī)的Modbus 通信梯形圖程序如圖4 所示。首先，通過MBUS_CTRL 功能塊建立PLC 與1 號(hào)空壓機(jī)的Modbus連接，之后通過MBUS_MSG 功能塊從空壓機(jī)40001 地址讀取相對(duì)應(yīng)的參數(shù)傳入PLC 的V 寄存器中。

圖4 PLC 梯形圖程序

以1 號(hào)空壓機(jī)為例，首先建立Modbus 通信，隨后讀取1號(hào)機(jī)首地址40001 的9 個(gè)字節(jié)（40001-40009），再寫入1 號(hào)機(jī)首40010 地址1 個(gè)字節(jié)內(nèi)容?？諌簷C(jī)的RS485 地址對(duì)應(yīng)功能見表1，PLC 地址為通過MBUS_MSG 功能塊讀取后存入的寄存器地址。

表1 Modbus 地址對(duì)應(yīng)功能

其中地址40008～40010 寫入的對(duì)應(yīng)功能存在PLC 的VB1014到VB1019 寄存器中，按位控制。具體的位功能對(duì)應(yīng)見表2。

表2 位功能對(duì)照

程序只需要對(duì)V 寄存器進(jìn)行字節(jié)以及位讀取操作，就可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與控制。

4 結(jié)束語

由以上方法可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)參數(shù)采集及運(yùn)行控制，從而使得設(shè)備可以聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)的邏輯控制程序只需按照邏輯流程圖進(jìn)行編寫，并把輸出點(diǎn)V1019.4 置位與復(fù)位即可。按照以上方法也可以實(shí)現(xiàn)各種帶有Modbus 通信接口的不同廠商、不同型號(hào)的空壓機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

目前該系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于北京某醫(yī)院的改造項(xiàng)目中。通過使用空壓機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)，極大減輕了現(xiàn)場操作人員的工作量，提高了壓縮機(jī)組自動(dòng)化程度，壓縮機(jī)安全性能也得到有力保證。