S7—200PLC Modbus通信技術在礦井熱風機組監控系統中的應用

謝青海 方紅彬 袁媛 劉青川 樊東亮 王健

摘 要：北方冬季寒冷，礦區井口必須采取加熱措施，防止井筒或井道結冰而造成提井、運輸事故。針對生產中的這一情況，本文設計采用西門子S7-200 PLC作為主控制器，以Modbus通信技術構建的現場總線作為媒介，控制2臺由11kW變頻器ACS510驅動的熱風機組工作，將加熱室中的熱空氣送至井口，與室外空氣混合形成熱風，以確保礦井口溫度恒定，同時通過觸摸屏遠程監控變頻器的運行狀態，并進行管理、操作，所設計的系統在生產現場運行表明，系統安全可靠，運行穩定，能極大地降低能源損耗，節省人力成本。

關鍵詞：S7-200 PLC Modbus通信技術 熱風機組 溫度恒定 遠程監控

中圖分類號：G322.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0060-05

北方冬季寒冷，以山西大同、榆林等地煤主產區為例，冬天室外溫度會降低至零下20℃，過低的溫度易導致井筒或井口結冰，造成提升機和運輸車打滑，因此為安全生產，礦區必須采取加熱措施，河北、山西等主產煤地區通過在礦井口加裝熱風機組，向井下供應暖風，保證井口的安全，但熱風機常常處于多機組、大功率長期運行的狀態，能耗非常嚴重，而且控制設備運行故障的監控措施設計也不夠完善，故障出現后信息不能及時上傳，易引起安全事故。本項目針對主產煤地區礦井口熱風機組應用現狀，在廣泛調研的基礎上，以榆林金雞灘煤礦主、副斜井熱風機組監控系統設計為例，詳細闡述S7-200 PLC Modbus通信技術如何應用在礦井熱風機組監控系統中，提高工作的可靠性，確保井口安全。

1 控制系統構建

1.1 系統組成

系統設有工控機一臺，安裝組態王6.55版監控軟件放置于監控室，通過工控機自帶的RS232口與S7-200 PLC進行數據交換，S7-200 PLC選用CPU-226型，由于PLC自帶兩個通信口，均支持RS485物理基礎的通信協議，為方便搭建控制系統，與工控機通信時端口1采用PLC默認的PPI通信協議，端口0使用PLC的Modbus庫函數保持與變頻器支持的通信協議一致，礦井口距離控制室距離不足1200m，Modbus通信網絡采用普通的屏蔽雙絞線即可。為實現對溫度數據的采集，控制系統還添加了西門子S7-200 PLC的模擬量擴展模塊EM231，控制系統的結構如圖1所示。

1.2 Modbus通信原理

Modbus協議是Modicon公司開發的一種串行通訊協議，其物理層采用RS232或485通信標準，常用的各種PLC、智能儀表、變頻器均支持這種通信協議，是工業網絡通信中最常用的一種通信格式之一，利用它不同廠商生產的控制設備相互之間可以進行通信，連成一個網絡進行信息交換。Modbus通訊方式采用主從方式的查詢-響應機制，只有主站發出查詢時，從站才能給出響應，從站不能主動發送數據。本項目設計的控制系統采用S7-200作為Modbus通信系統的主站，兩臺變頻器作為通信系統的從站，通信地址分別為1和2。當需要起動、停止和修改變頻器運行速度時，通過S7-200PLC按照對應的地址寫入變頻器，當需要讀取電機電壓、電流、頻率、轉速等數據時，按照地址順序輪流去讀取，即完成一臺變頻器的讀或者寫數據后，以數據讀寫完成作為觸發下一個數據讀寫的條件。

1.3 溫度檢測及處理

S7-200的EM231為四路模擬量輸入模塊，以一個溫度變送器與模塊連接為例繪制PLC模擬量模塊的接線方法如圖2所示。輸入阻抗與連接有關：電壓測量時，輸入是高阻抗為10MΩ；電流測量時，需要將RX和X+短接（X代表A、B、C、D），阻抗降到250Ω。為避免對輸入通道的數據造成干擾，不用的通道X+和X-需要短接在一起。

電流型溫度傳感器處理方法的表達式為：

（通道值—6400）/（32000-6400）=（檢測量—測量下限）/（測量上限—檢測下限）

4～20mA電流型變送器為目前使用量最多的模擬信號變送器，不論什么樣的檢測對象，其程序的處理方法都是一樣的，將其做成一個通用的子程序可以方便調用和節省編程時間。當有傳感器連接到PLC其他輸入通道時，只需要更改通道地址和檢測量輸出值的存儲地址。模擬量處理PLC主程序如圖3所示。

模擬量處理子程序采用局部變量寄存器來存儲中間運算結果，不占用實際的存儲空間，有利于節省存儲空間，增強程序的可移植性。

按照模擬量處理對應關系的表達式編寫子程序，在程序編寫過程中會涉及到整數和浮點數運算，PLC對數據類型要求很嚴格，只有相同種類的數據才能做運算，這樣在編寫程序時需要將整數先轉化成雙整數，再由雙整數轉換為浮點數，最后都以浮點數來做運算。模擬量處理子程序如圖4所示。

1.4 S7-200 PLC Modbus通信網絡

S7-200 PLC Modbus通信指令主要通過庫函數實現，主站庫函數主要包含“MBUS_CTRL”“MBUS_MSG”指令。

1.4.1 PLC程序編寫流程

S7-200 PLC不支持對Modbus通訊功能塊的自動排序，需要編寫Modbus輪詢程序來實現遠程數據的讀寫，輪詢時每次只能激活一個Modbus讀寫功能塊，利用S7-200 PLC自帶的Modbus庫函數能較方便完成變頻器控制數據的讀寫，程序編寫思路和控制流程如圖5所示。

1.4.2 編寫初始化程序

PLC開機運行第一個掃描周期調用初始化子程序對系統進行初始化。程序中賦予VW300=1142、VW302=1151、VW304=1143是在使用Modbus通信程序時分別用于變頻器復位、起動和停止的參數賦值。同時程序中使用到的一些相關的寄存器也需要在第一個掃描周期清零。

初始化程序如下。

Network 1 //變頻器的初始化、啟動、停止參數賦值

LD SM0.0

MOVW 16#0476， VW300

MOVW 16#047F， VW302

MOVW 16#0477， VW304

Network 2

LD SM0.0

MOVB 0， VB400

MOVB 0， VB500

MOVB 0， VB600

MOVB 0， VB700

R T37， 1

R M17.0， 8

R M18.4， 1

Network 3

LD SM0.0

R M4.6， 1

1.4.3 主程序

在主程序中調用初始化子程序，完成Modbus通信的初始化，本項目中的通信參數在通信初始化時設定通信速率為9.6kbps，無校驗，主程序如圖6所示。

系統使用的兩個風機采用PID調節的方式自動完成對井口溫度的調節，其中礦井口1溫度的設定由組態直接給到寄存器VD310，礦井口2溫度的設定由組態直接給到寄存器VD318。此外，兩臺風機的轉速也可以通過組態畫面上的手動方式進行手動設置。VD314和VD322分別表示兩臺風機手動轉速的設置。

1.4.4 變頻器參數讀寫

Modbus通信程序初始化完成后，開始輪流讀寫兩臺變頻器的參數。如圖7所示，“變頻器1讀寫”子程序中的第一條讀參數指令讀取了從Modbus寄存器40005開始的連續6字長的數據，分別表示變頻器1驅動的風機轉速、電流、頻率、轉矩、功率、時間，讀取出的6個數據分別存放在S7-200 PLC VW450開始的連續6個字存儲區里。組態監控畫面只需要與這6個字地址分別做連接，就能很方便地顯示出相應的參數數據。

1.5 變頻器連接與設置

1.5.1 RS485通信網絡連接及終端電阻使用

ABB變頻器ACS510提供支持Modbus通信的現場總線接口，端子編號為X1：28～32。為了增強網絡信號，在網絡兩端用120Ω的電阻做網絡的終端電阻，使用DIP開關來連接或者斷開終端電阻。

1.5.2 變頻器的參數設置

（1）Modbus通信相關參數設置。

為實現對變頻器遠程監控，需要對變頻器進行通信參數設置，參數詳細設置如下。

9802=1 STD MODBUS （標準Modbus通信協議）；

5302=站號 變頻器1設置站號：1，變頻器2設置站號：2，以此類推

5303=38.4kbit/s 波特率 （能保證通信的情況下竟可能的快）

5304=1 校驗方式為8 None 2 （數據位8位，無校驗，停止2位）；

5305=0 標準的ABB傳動協議；

1001=10 由MODBUS控制變頻器啟停；

1102=0 由MODBUS控制變頻器給定速度（0-20000對應0-50Hz）；

1103=8 給定值來自串行通信；

1604=8 使用通信作為變頻器的復位信號；

（2）電機參數設置。

通常，變頻器在設置控制參數之前，應該先設定電機參數，電機參數是指電機銘牌上標注的額定電壓、額定頻率、額定電流、額定轉速等。

9905=AC380V 電機電壓；

9906=22.6A 電機電流；

9907=50Hz 電機頻率；

9908=1480r/min 電機轉速；

9909=11kW 電機功率；

（3）定義映射到Modbus寄存器的參數。

為提高通信效率，將需要讀取的參數放在一組連續的地址中，以便一次讀出。

5310=0102 采集電機轉速，映射到Modbus寄存器40005；

5311=0103 采集電機頻率，映射到Modbus寄存器40006；

5312=0104 采集電機電流，映射到Modbus寄存器40007；

5313=0105 采集電機轉矩，映射到Modbus寄存器40008；

5314=0106 采集電機功率，映射到Modbus寄存器40009；

5315=0114 采集電機時間，映射到Modbus寄存器40010。

2 監控畫面的設計與制作

主監控界面能夠直觀反應電機的運行狀態，包括電機的轉速、頻率、電流、功率等參數。能夠控制變頻的起動、停止和復位操作。具備手動、自動控制選擇的功能，在手動控制時按照需要手動控制變頻器的運行速度。當自動運行時，變頻器能按照設定溫度自動調節輸出頻率，控制電機運行速度，從而達到調節井口溫度的目的。如圖8所示是礦井口加熱設備的兩臺風機運行監控畫面。

3 結語

項目的研究成果在榆林金雞灘煤礦主、副斜井安裝應用后，通過Modbus通信技術，將風機的運行數據如電流、電壓、轉速、功率信息實時傳送到監控設備上，并通過通信自動控制遠程風機的投入和切除，設置運行頻率等，大大減少了導線的用量，降低了故障率；實現自動調節熱風風量，使混合風溫度恒定，從而消除生產的安全隱患，實現無人值守，降低企業的用人成本

參考文獻

[1] 張麗杰.基于PLC的礦井風機監控系統設計[J].內燃機與配件，2017（9）：122-123.

[2] 李紅萍，賈秀明，李藝鴻，等.基于MCGS的風機變頻監控系統設計[J].電機與控制應用，2012（11）：47-50.

[3] 張帥，夏承莉，張寬琦，等.基于PLC控制的礦用通風機監控系統的研究[J].煤礦機械，2012（7）：210-211.

[4] 任子暉，姚正華，岳明道，等.基于PLC和組態軟件的礦井主扇風機監控系統[J].自動化技術與應用，2007（9）：77-78.

[5] 譚長森，孫鵬，郭峰，等.基于PLC的礦井主扇風機自動監控系統的設計[J].工礦自動化，2007（6）：106-108.

[6] 謝青海.基于PLC的二硝基氯苯自動化生產線電氣控制系統設計[D].河北工業大學，2011.

[7] 王淑英，趙建光.S7-200西門子PLC基礎教程[M].2版. 人民郵電出版社，2016.

[8] 劉美俊.西門子S7系列PLC的應用與維護[M].機械工業出版社，2009.

[9] 李劍峰.智能監控終端在風機監控系統的應用[J].煤礦機械，2012（2）：206.