基于Modbus的車間空氣調節系統電控設計與實現

杜文蛟（遼寧營口市農業工程學校，遼寧營口 115000）

基于Modbus的車間空氣調節系統電控設計與實現

杜文蛟（遼寧營口市農業工程學校，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，以觸摸屏為人機交互界面，構建控制網絡。從站模塊完成參數采集，并通過變頻器控制風機轉速實現空氣調節控制。

PLC，Modbus，變頻器，觸摸屏

某傳感器生產車間要求采用屋頂送風方式，具備手動/自動風量調節功能，夏季主要采用手動方式控制風機轉速和風量；在冬季利用取暖水加熱室外進氣，并能夠根據室溫自動調節風機轉速。具備設備故障和溫度報警功能。

1 確定方案

Modbus總線技術支持RS485接口標準，抗干擾能力強，通信距離遠，一個主站可以在50米范圍內掛接31個從站，通過使用中繼器可以使通信距離擴大到數百米以上，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網絡性能穩定可靠，但是價格較貴，而且本系統功能并不復雜，因此選用Modbus網絡實現系統控制。以西門子S7-200為Modbus主站，負責整個系統控制，開關量/模擬量混合模塊作為Modbus從站，進行模擬量、開關量數據采集和風機驅動。觸摸屏連接主站PLC，作為人機界面監視和控制系統的運行。溫度傳感器（Pt100）安裝在熱交換器的出水口，當其溫度降低到一定值，關閉新風閥，起到供暖管道的保護作用。

設備選擇：

1.1 風機選擇：根據計算選擇4臺2.5KW高大空間空氣調節風機（車間頂棚懸掛），安裝有空氣過濾裝置和熱交換器，風機結構如圖1所示。風機的新風閥和混合閥僅具有開關功能，不能調節開度。風機出風口安裝有風感調節裝置，使進氣分布均勻，提高效率。

圖1 高大空間空氣調節風機結構

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，西門子Smart 700IE觸摸屏作為監控主機，用于系統狀態數據、報警信息顯示和控制接口。德陽力創的開關量/模擬量混合模塊LM1516（8開關量輸入、8繼電器輸出，2路Pt100輸入，RS485接口，支持Modbus-RTU協議）用于風機控制和室溫測量。風機轉速控制采用3KW西門子MM440變頻器，使用固定頻率實現風機多檔速度控制。

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

2 硬件組態

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。風機轉速由變頻器的固定頻率控制方式實現三速運行。

圖2 主站接線

圖3 從站接線

變頻器設置：頻率源設定為固定頻率（參數P1000=3），端子7設定為啟動信號（參數P0703=1），端子5、6設定為頻率給定（參數P0701、P0702=17），端子5、6分別接通以及同時接通即可實現三個固定頻率（參數P1001、P1002、P1003設置），斜坡上升/下降時間設定為5S（參數P1120、P1121），變頻器輸出繼電器1設置為報警（參數P0731=52.7）。其他參數設置如電動機參數等在此不做敘述。

3 軟件組態

3.1 觸摸屏組態

組態軟件使用WINCC Flexible 2008，計算機網卡與觸摸屏的以太網接口連接實現組態，要求網卡與以太網接口的IP地址在一個網段，如分別設定為192.168.0.1和192.168.0.10，網卡地址在計算機網絡屬性當中設置，以太網地址在組態軟件的傳輸設置當中設置。觸摸屏的RS422/485接口連接PLC的Port0，實現實時監控，兩個接口的地址和波特率要一致，分別由組態軟件和PLC編程軟件STEP7 Micro/win設置，本例中設定為2和187.5Kbps。觸摸屏組態畫面主要有自動運行監控和手動運行監控等多個窗口，其中的兩個組態畫面如圖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、從站通信狀態、新風閥/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。

圖4 手動控制組態

圖5 自動控制組態

3.2 PLC軟件設計

編程軟件使用STEP7 Micro/win4.0，S7-224XP的Port1設置為Modbus主站，站號為2，波特率為9.6Kbps，由編程軟件設置。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設置。主站對從站的讀寫操作使用Modbus協議庫功能調用來實現，本系統將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）兩個功能調用，使用方便。每個讀寫循環包括連續讀取5個從站和依次寫一個從站，當對于從站的控制指令沒有變化，寫操作不執行，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，設置系統停機自動關閉新風閥功能，保護管道和熱交換器。系統控制程序流程如圖6所示。

圖6 PLC控制程序流程圖

4 結語

系統實際運行時，在設定值為18℃，自動運行方式下，實際溫度和風量控制能力在要求范圍內，運行穩定可靠。采用Mod?bus總線技術，適用于分散控制，系統構建靈活，便于維護，穩定可靠，性價比高。

［1］西門子S7-200系列通信編程手冊.

［2］西門子Modbus庫應用指導手冊.

［3］西門子MM440用戶手冊.