基于Modbus的車間空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)電控設(shè)計與實現(xiàn)

杜文蛟（遼寧營口市農(nóng)業(yè)工程學(xué)校，遼寧營口 115000）

基于Modbus的車間空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)電控設(shè)計與實現(xiàn)

杜文蛟（遼寧營口市農(nóng)業(yè)工程學(xué)校，遼寧營口 115000）

以西門子S7-200為Modbus主站，RS485輸入輸出模塊為Modbus從站，以觸摸屏為人機(jī)交互界面，構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)。從站模塊完成參數(shù)采集，并通過變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)控制。

PLC，Modbus，變頻器，觸摸屏

某傳感器生產(chǎn)車間要求采用屋頂送風(fēng)方式，具備手動/自動風(fēng)量調(diào)節(jié)功能，夏季主要采用手動方式控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)量；在冬季利用取暖水加熱室外進(jìn)氣，并能夠根據(jù)室溫自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。具備設(shè)備故障和溫度報警功能。

1 確定方案

Modbus總線技術(shù)支持RS485接口標(biāo)準(zhǔn)，抗干擾能力強(qiáng)，通信距離遠(yuǎn)，一個主站可以在50米范圍內(nèi)掛接31個從站，通過使用中繼器可以使通信距離擴(kuò)大到數(shù)百米以上，具有很好的性價比。雖然采用以西門子S7-300（如S7-315-2DP）為主站的Pro?fibus-DP網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定可靠，但是價格較貴，而且本系統(tǒng)功能并不復(fù)雜，因此選用Modbus網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)控制。以西門子S7-200為Modbus主站，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)控制，開關(guān)量/模擬量混合模塊作為Modbus從站，進(jìn)行模擬量、開關(guān)量數(shù)據(jù)采集和風(fēng)機(jī)驅(qū)動。觸摸屏連接主站PLC，作為人機(jī)界面監(jiān)視和控制系統(tǒng)的運行。溫度傳感器（Pt100）安裝在熱交換器的出水口，當(dāng)其溫度降低到一定值，關(guān)閉新風(fēng)閥，起到供暖管道的保護(hù)作用。

設(shè)備選擇：

1.1 風(fēng)機(jī)選擇：根據(jù)計算選擇4臺2.5KW高大空間空氣調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)（車間頂棚懸掛），安裝有空氣過濾裝置和熱交換器，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)機(jī)的新風(fēng)閥和混合閥僅具有開關(guān)功能，不能調(diào)節(jié)開度。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口安裝有風(fēng)感調(diào)節(jié)裝置，使進(jìn)氣分布均勻，提高效率。

圖1 高大空間空氣調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 電氣部分：采用西門子S7-224XP可編程控制器作為控制主機(jī)，西門子Smart 700IE觸摸屏作為監(jiān)控主機(jī)，用于系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、報警信息顯示和控制接口。德陽力創(chuàng)的開關(guān)量/模擬量混合模塊LM1516（8開關(guān)量輸入、8繼電器輸出，2路Pt100輸入，RS485接口，支持Modbus-RTU協(xié)議）用于風(fēng)機(jī)控制和室溫測量。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用3KW西門子MM440變頻器，使用固定頻率實現(xiàn)風(fēng)機(jī)多檔速度控制。

控制系統(tǒng)組成：包括主控制箱1臺（帶觸摸屏）、風(fēng)機(jī)控制箱4臺、室溫測量盒1臺，主控制箱與最遠(yuǎn)的風(fēng)機(jī)控制箱布線距離48米，不需要安裝中繼器。

2 硬件組態(tài)

使用Profibus-DP通信電纜連接主站與各個從站，通訊線與與電源線分別穿金屬管走線。主站、從站接線示意圖如圖2、圖3所示，其中，室溫測量從站只具有溫度測量功能。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器的固定頻率控制方式實現(xiàn)三速運行。

圖2 主站接線

圖3 從站接線

變頻器設(shè)置：頻率源設(shè)定為固定頻率（參數(shù)P1000=3），端子7設(shè)定為啟動信號（參數(shù)P0703=1），端子5、6設(shè)定為頻率給定（參數(shù)P0701、P0702=17），端子5、6分別接通以及同時接通即可實現(xiàn)三個固定頻率（參數(shù)P1001、P1002、P1003設(shè)置），斜坡上升/下降時間設(shè)定為5S（參數(shù)P1120、P1121），變頻器輸出繼電器1設(shè)置為報警（參數(shù)P0731=52.7）。其他參數(shù)設(shè)置如電動機(jī)參數(shù)等在此不做敘述。

3 軟件組態(tài)

3.1 觸摸屏組態(tài)

組態(tài)軟件使用WINCC Flexible 2008，計算機(jī)網(wǎng)卡與觸摸屏的以太網(wǎng)接口連接實現(xiàn)組態(tài)，要求網(wǎng)卡與以太網(wǎng)接口的IP地址在一個網(wǎng)段，如分別設(shè)定為192.168.0.1和192.168.0.10，網(wǎng)卡地址在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)屬性當(dāng)中設(shè)置，以太網(wǎng)地址在組態(tài)軟件的傳輸設(shè)置當(dāng)中設(shè)置。觸摸屏的RS422/485接口連接PLC的Port0，實現(xiàn)實時監(jiān)控，兩個接口的地址和波特率要一致，分別由組態(tài)軟件和PLC編程軟件STEP7 Micro/win設(shè)置，本例中設(shè)定為2和187.5Kbps。觸摸屏組態(tài)畫面主要有自動運行監(jiān)控和手動運行監(jiān)控等多個窗口，其中的兩個組態(tài)畫面如圖4、圖5所示。

報警窗口包括兩部分：離散量報警有主站通信狀態(tài)、從站通信狀態(tài)、新風(fēng)閥/混合閥異常、變頻器報警等，模擬量報警有從站熱交換器出水溫度過低等。報警指示燈主要指示主站從站通信狀態(tài)。

圖4 手動控制組態(tài)

圖5 自動控制組態(tài)

3.2 PLC軟件設(shè)計

編程軟件使用STEP7 Micro/win4.0，S7-224XP的Port1設(shè)置為Modbus主站，站號為2，波特率為9.6Kbps，由編程軟件設(shè)置。從站站號分別為3-7，波特率為9.6Kbps，由從站模塊的撥碼開關(guān)設(shè)置。主站對從站的讀寫操作使用Modbus協(xié)議庫功能調(diào)用來實現(xiàn)，本系統(tǒng)將S7-224XP的Port1通信接口作為主站，用戶可以使用主站初始化（MBUS_CTRL_P1）、從站讀/寫（MBUS_MSG_P1）兩個功能調(diào)用，使用方便。每個讀寫循環(huán)包括連續(xù)讀取5個從站和依次寫一個從站，當(dāng)對于從站的控制指令沒有變化，寫操作不執(zhí)行，以提高保持寄存器使用壽命。從站的兩個溫度采樣值和開關(guān)量輸入分別保存在保持寄存器40001、40002和40003低8位，由主站一次讀取。從站的繼電器輸出保存在保持寄存器40003高8位，由主站一次寫入。自動運行方式下，設(shè)置系統(tǒng)停機(jī)自動關(guān)閉新風(fēng)閥功能，保護(hù)管道和熱交換器。系統(tǒng)控制程序流程如圖6所示。

圖6 PLC控制程序流程圖

4 結(jié)語

系統(tǒng)實際運行時，在設(shè)定值為18℃，自動運行方式下，實際溫度和風(fēng)量控制能力在要求范圍內(nèi)，運行穩(wěn)定可靠。采用Mod?bus總線技術(shù)，適用于分散控制，系統(tǒng)構(gòu)建靈活，便于維護(hù)，穩(wěn)定可靠，性價比高。

［1］西門子S7-200系列通信編程手冊.

［2］西門子Modbus庫應(yīng)用指導(dǎo)手冊.

［3］西門子MM440用戶手冊.