基于Modbus的后臺(tái)控制在空壓機(jī)站的應(yīng)用

胡國(guó)祥

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 東同礦業(yè)，江西撫州 344000）

基于Modbus的后臺(tái)控制在空壓機(jī)站的應(yīng)用

胡國(guó)祥

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 東同礦業(yè)，江西撫州 344000）

modbus是一種簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，系統(tǒng)一次性投入成本低，其平臺(tái)搭建簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定性高和容錯(cuò)性好等特點(diǎn)較其他系統(tǒng)凸顯優(yōu)勢(shì)。某公司新空壓機(jī)站基于modbus建立后臺(tái)控制系統(tǒng)，對(duì)站點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和上傳網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

modbus；工業(yè)以太網(wǎng)；后臺(tái)控制；遙測(cè)；數(shù)據(jù)庫(kù)

引言

某公司新空壓機(jī)站是車間重要生產(chǎn)設(shè)備之一，不間斷為井下鑿巖機(jī)、噴錨機(jī)、風(fēng)鎬等用風(fēng)設(shè)備提供風(fēng)壓為0.8 MPa的壓縮空氣。站內(nèi)含3臺(tái)額定出氣量為100 m3/min的螺桿式空壓機(jī)（兩用一備），電動(dòng)機(jī)采用容量560 kW、電壓6 kV的高壓電機(jī)，系統(tǒng)控制流程較復(fù)雜、檢測(cè)點(diǎn)位較多，空壓機(jī)站自身?yè)碛幸惶淄晟频墓收蠄?bào)警、操作、運(yùn)行等為一體的自我操作流程，為建立后臺(tái)控制提供基礎(chǔ)，本空壓機(jī)站后臺(tái)控制系統(tǒng)讓采樣數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)。

1 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器和其他設(shè)備可以通信。控制器有兩種傳輸模式（ASCII或RTU），見(jiàn)表 1。

表1 ASCII模式和RTU模式報(bào)文格式

2 空壓機(jī)站后臺(tái)控制簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為傳輸網(wǎng)絡(luò)，對(duì)報(bào)文包進(jìn)行透明傳輸。處理機(jī)和工控機(jī)IP地址在網(wǎng)段192.168.127.X內(nèi)，通訊協(xié)議為IEC60870，CP端口為2404，響應(yīng)時(shí)間100ms。系統(tǒng)包括工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、管理機(jī)、站點(diǎn)設(shè)備等。

2.2 Modbus與站的接口

Modbus是公開(kāi)、簡(jiǎn)單、具備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議，大部分智能設(shè)備都會(huì)設(shè)置一個(gè)自由口，支持modbus通訊協(xié)議。本站主要站點(diǎn)監(jiān)控、控制設(shè)備為微機(jī)綜保裝置和可編程控制器，系統(tǒng)分別以RS485和RS232作為物理傳輸接口，采用半雙工模式。站點(diǎn)與處理機(jī)連接用一根4芯的礦用屏蔽電纜，同一個(gè)端口不同設(shè)備采用并聯(lián)連接。RS485接線方式：連接A、B端子；RS232連接方式：連接R、T，G端子。

2.3 管理機(jī)

管理機(jī)是直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行信息交換的核心設(shè)備，本系統(tǒng)管理機(jī)采用的是深圳康必達(dá)控制技術(shù)有限公司的KBD 3116A（16串口2網(wǎng)口），P1~P16為串口（RS-232/422/485可軟件配置），Eth0，Eth1為以太網(wǎng)口10/100M。本系統(tǒng)使用P1~P3作為modbus通信口，Eth0連接上位機(jī)。

通訊管理機(jī)配置軟件PCS3000用于創(chuàng)建管理機(jī)和站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有報(bào)文查看、設(shè)備調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。通過(guò)PCS3000可添加設(shè)備、添加站點(diǎn)信息（包括遙測(cè)量、遙控量和遙信量）、配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及全局參數(shù)設(shè)定等等。

3 站設(shè)備數(shù)據(jù)遙測(cè)、遙信、遙控及遙脈

本系統(tǒng)控制對(duì)象是3臺(tái)空壓機(jī)、3臺(tái)高壓控制柜、1臺(tái)直流屏，分別取端口P1、端口P2、端口P3，各分站和采樣點(diǎn)用設(shè)備ID和點(diǎn)ID標(biāo)識(shí)。

設(shè)備地址分配如表2。

表2 站設(shè)備地址參數(shù)

遙測(cè)量包括進(jìn)線的電流、電壓、頻率等；空壓機(jī)的排氣壓力，排氣溫度及軸承溫度等；直流屏的控母電壓、電池組電壓和充電電流等。點(diǎn)ID號(hào)由1~116、設(shè)備ID由1~10，合計(jì)116個(gè)監(jiān)控采樣數(shù)據(jù)。報(bào)文時(shí)間戳間隔為200 ms和100 ms，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)以時(shí)間‘1 s’為儲(chǔ)存單位。空壓機(jī)加載時(shí)電流在58 A左右，減載時(shí)電流在25 A左右。其中電流歷史檢測(cè)曲線如圖1（記錄時(shí)間：2016年8月4日）。

遙信量包括高壓柜的過(guò)壓繼電器、過(guò)流繼電器、零序過(guò)電流繼電器等綜保保護(hù)信號(hào)，空壓機(jī)的設(shè)備加載運(yùn)行、電機(jī)過(guò)載、壓力超高等繼電器信號(hào)，直流屏的電池組異常、控母電壓低、通信異常等信號(hào)。點(diǎn)ID號(hào)由117~282、設(shè)備ID有1~10，合計(jì)166個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。以下在空壓機(jī)端口P1部分實(shí)測(cè)RTU報(bào)文：功能碼03讀取保持繼電器，在一個(gè)或多個(gè)保持繼電器讀取狀態(tài)。

1發(fā)送時(shí)間：上午09:45:53.883

01 03 00 D6 00 01 65 F

接收時(shí)間：上午09:45:53.914

01 03 02 00 00 B8 44

2發(fā)送時(shí)間：上午09:45:54.24

01 03 00 D0 00 04 45 F0

接收時(shí)間：上午09:45:54.102

01 03 08 07 29 01 45 01 54 0F FF A5 71

3發(fā)送時(shí)間：上午09:45:54.196

01 03 00 D5 00 01 95 F2

接收時(shí)間：上午09:45:54.258

01 03 02 00 00 B8 44

4發(fā)送時(shí)間：上午09:45:54.336

01 03 00 D4 00 01 C4 32

接收時(shí)間：上午09:45:54.383

01 03 02 00 00 B8 44

解釋：施耐德TWIDO以不同寄存器位存儲(chǔ)空壓機(jī)各個(gè)參數(shù)狀態(tài)，處理機(jī)發(fā)送4條讀取繼電器狀態(tài)報(bào)文來(lái)分別讀取起始地址為00 D6、00 D0、00 D4和00 D5連續(xù)2個(gè)字節(jié)的寄存器位狀態(tài)，返回結(jié)果都是00；從而確定空壓機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)、冷卻水溫正常、壓力正常、相序正確等等。

遙控量包括空壓機(jī)的啟動(dòng)/停止、加載，進(jìn)線的柜合/分閘、保護(hù)復(fù)歸等等，共計(jì)16個(gè)遙控點(diǎn)。遙脈量包括正有功電量、反有功電量正無(wú)功電量及反無(wú)功電量，合計(jì)20個(gè)電量檢測(cè)位。后臺(tái)操作員進(jìn)行開(kāi)停等操作時(shí)，向目標(biāo)站點(diǎn)發(fā)送寫(xiě)或預(yù)置寄存器相關(guān)報(bào)文。

4 后臺(tái)系統(tǒng)控制、故障報(bào)警

4.1 后臺(tái)與站通訊、控制過(guò)程

后臺(tái)監(jiān)控軟件是人機(jī)交互的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)控軟件采用的是深圳康必達(dá)控制技術(shù)有限公司的一款PowerScada3000軟件，該軟件自帶SQL Server2008、CAD、OPC等多個(gè)組件；以服務(wù)器/工作站的工作方式，工作站向管理機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，從而讀取數(shù)據(jù)。后臺(tái)圖形編輯可添加圖元并編輯圖元屬性，繪制報(bào)警信號(hào)燈、開(kāi)停按鈕、電流顯示框等等圖元，定義用戶口令和權(quán)限，防止誤操作。

控制過(guò)程（1）打開(kāi)設(shè)計(jì)好的PowerScada3000畫(huà)面，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向處理機(jī)發(fā)送工業(yè)以太網(wǎng)詢問(wèn)類數(shù)據(jù)包，處理機(jī)在接收到包后會(huì)返回應(yīng)答類數(shù)據(jù)包。（2）當(dāng)接收到的包經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤，會(huì)反饋到畫(huà)面指示燈亮并與處理機(jī)建立連接。（3）建立通訊后，處理機(jī)在接收到控制操作人員發(fā)送開(kāi)/停機(jī)、加載指令后，會(huì)拆解接收到的封裝包頭，提取報(bào)文數(shù)據(jù)，并向各個(gè)站發(fā)送該modbus報(bào)文，各個(gè)分站根據(jù)報(bào)文地址提取自己的包，作出相應(yīng)的操作并回饋應(yīng)答報(bào)文。最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)、加載和停機(jī)等操作。

4.2 故障報(bào)警

上位機(jī)可通過(guò)讀取位狀態(tài)來(lái)得到設(shè)備具體的狀態(tài)、故障和預(yù)警信息。

本系統(tǒng)部分報(bào)警代碼見(jiàn)表3所示。

通過(guò)接收應(yīng)答報(bào)文，當(dāng)刷新周期內(nèi)讀取到某個(gè)報(bào)警位寄存器位由0變1，后臺(tái)警報(bào)燈亮向值班人員告警，同時(shí)彈出報(bào)警畫(huà)面并記錄故障時(shí)間、當(dāng)時(shí)設(shè)備狀態(tài)等信息，此信息可做為維護(hù)人員維修依據(jù)。

表3 狀態(tài)、故障、預(yù)警部分信息代碼表

5 結(jié)語(yǔ)

基于modbus的后臺(tái)控制系統(tǒng)替代了以往人工采集數(shù)據(jù)方式，實(shí)現(xiàn)了基站無(wú)人值守。客戶端操作簡(jiǎn)單，我們無(wú)需掌握原理即可調(diào)用歷史采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控空壓機(jī)電流等各站內(nèi)部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并可隨時(shí)開(kāi)/停空壓機(jī)。

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[3]崔超,郭進(jìn)。基于MODBUS協(xié)議的綜合監(jiān)控與信號(hào)系統(tǒng)間接口設(shè)計(jì)[J].都市快軌交通，2017-04-18.

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App lication of Modbus-Based Background Control in Air Com pressor Station

Hu Guoxiang
(Jiangxi Copper Corp east mining company,Jiangxi,Fuzhou 344000)

As a simple standardized protocol,Modbus has clear advantages over other systems with low one-time investment cost,easy platform establishment,high system stability and good fault-tolerance.The new air compressor station of a company built its background control system based on Modbus for data exchange and network upload of site equipment,which realized remote monitoring.

Modbus;industrial Ethernet;background control;telemetry;database

TP27

B

1006-6764(2018)01-0059-03

2017-08-23

胡國(guó)祥（1986-）男，江西南豐縣人，大學(xué)本科學(xué)歷，助理工程師，現(xiàn)從事礦山電氣設(shè)備維護(hù)管理技術(shù)工作。