基于 Modbus RTU 磨機集成控制系統的設計

孔自亮，郭 庶，劉麗麗，李喜文

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

隨著電氣自動化技術的發展，各行業對設備的集控要求越來越高，分散控制已經無法滿足現代化的生產節奏，要求主控室能夠收集全部的設備信息，并將數據分類整理后傳送到中控系統，且能簡潔明了地顯示出來。

由中信重工機械股份有限公司設計制造的溢流型球磨機[1]，典型的控制系統配置為：高壓開關柜+軟啟動柜+勵磁柜+PLC 控制柜。筆者就礦用磨機控制系統的實際使用情況進行分析，對傳統控制系統進行優化升級，完成了全部配套設備的數據采集，實現了遠程集控。

1 傳統控制系統方案

在傳統設計方案[2]中，各控制柜并排或分散安放在現場或電氣室中，分別配置相應的觸摸屏或儀表，對各自的控制信息進行監控，各控制柜之間以硬接線形式連接；各控制柜之間大部分數據單獨顯示，相互之間通信信號少，信息傳輸量小，主控柜只能收集并顯示有限的幾個主要參數，其余詳細信息只能前往相應的控制柜查看；不同廠家的控制柜設計風格迥異，操作界面不統一，查閱方式多樣，工作人員操作繁瑣，且多個設備之間沒有實現信息的集成。

2 優化設計的總體方案

2.1 方案介紹

鑒于傳統控制系統信息傳輸量少、顯示分散，新方案以 Modbus RTU 通信協議為基礎，既增加了數據的傳輸量，又實現了多個控制柜之間的連接，將不同設備的信息匯集到同一個 WINCC 畫面上，實現了整套控制系統的高度集成[3]；同時又有利于系統的標準化設計，減少重復性勞動，大幅度縮短用戶鋪設信號電纜的長度，降低電纜成本和人工布線成本。

2.2 Modbus RTU 通信協議

Modbus 是一種廣泛應用于 RS232/RS485 通信過程的標準的通信規約，可以實現多個不同設備之間的通信。Modbus RTU 通信協議采用主從方式進行數據傳輸，只有在主站發出通信請求后，從站才會回應傳輸數據。Modbus RTU 串口通信總線上只能有 1 個主站，最多允許有 32 個從站。信號的傳輸距離與波特率有關，以 9 600 bits/s 為例，最大傳輸距離為 1 km。

通信數據的類型及格式：數據長度為 8，停止位為 1，傳輸速率為 9 600 bits/s，校驗為奇/偶/無，數據格式為地址碼+功能碼+數據區+錯誤校驗，返回的信息包括地址碼、功能碼、執行后的數據和 CRC校驗碼。

地址碼是每次通信信息幀的第 1 字節，從 01H到 FFH。每個從機都有唯一的地址碼，只有與主機發送的地址碼相符合的從機才會響應請求，回送信息。

功能碼是每次通信信息幀的第 2 字節。主機通過功能碼告知從機執行何種動作，作為響應，從機返回的功能碼與主機一致，表明從機已經響應主機命令并已進行相關操作。功能碼如表 1、2 所列。

表1 用于讀取數據的功能代碼Tab.1 Function codes for reading data

表2 用于寫入數據的功能代碼Tab.2 Function codes for writing data

數據區包括主機發送、從機回送何種信息或執行何種動作，這些數據可以是開關量、模擬量和地址等數據。

2.3 系統配置

單臺磨機控制系統的主要構成有：主電動機控制系統、氣動離合器控制系統、油站控制系統、干油噴射控制系統、監測系統 (溫度、壓力、振動等)、勵磁控制系統、軟啟控制系統及高壓柜控制系統等[4]。

筆者設計的方案以西門子 PLC 和勵磁及軟啟裝置通信為基礎，利用 Modbus RTU 通信協議，將所有磨機配套控制柜連成工業網絡，進行集中監控和數據收集，并全部顯示到 WINCC 畫面上。

主站配置：1513-1PN、CM PtP RS422/485 HF。從站設備：WKLF-102 勵磁裝置、CMV 高壓固態軟啟動器。編程軟件：博途 V15+WINCC V7.4 SP1。控制系統網絡連接如圖 1 所示，采用雙芯屏蔽電纜，將各控制系統的 485 通信接口連接起來。

圖1 控制系統網絡連接示意Fig.1 Connection sketch of control system network

3 優化設計方案的實現

3.1 控制流程

控制流程如圖 2 所示，程序開始執行后，主機向從機發出通信命令[5]，與地址碼相符的從機接收通信命令，并根據功能碼及相關要求處理信息，執行相應的任務，然后將執行結果返送給主機。

在主站和從站數據傳輸的過程中，主站一次只發送 1 個請求報文到指定的從站，然后等待從站響應；從站得到請求報文后，檢查并分析數據包后執行請求，之后再返回主站相應的響應報文；主站接收到響應報文后檢查數據包，無誤之后再對接收的數據做相應處理，如果檢查有誤則重發請求報文。

3.2 通信建立

在設備組態 1513-1PN 的主機架內添加通信模塊CM PtP RS422/485 HF，配置其端口協議為 Modbus，并根據實際情況修改端口參數。本項目中設置傳輸率：9 600 bits/s；奇偶校驗：無；數據位：8 位；結束位：1。S7-1500 通信模塊組態如圖 3 所示。

圖2 控制流程Fig.2 Control process flow

以 S7-1500 為主站實現 Modbus RTU 功能[6]，需要調用表 3 中的指令，其中“Modbus_Comm_Load”指令用于通信模塊組態，“Modbus_Master”指令用于實現 Modbus 主站通信。

表3 Modbus RTU 通信指令Tab.3 Modbus RTU communication instructions

新建 1 個 DB 數據塊，用于存放相應的數據和指令；新建 1 個 FB 函數塊，在該 FB 中以多重背景方式分別調用“Modbus_Comm_Load”指令和“Modbus_ Master”指令，然后對指令進行參數化，如圖 4、5 所示。

2 個指令通過“Modbus_Comm_Load”指令的“MB_DB”引腳實現相互關聯。“Modbus_Comm_Load”指令的“PORT”引腳的含義為 CM 端口值即硬件標識符，可在該通信模塊的“系統常數”中查到；“BAUD”為數據傳輸速率，此處寫入 9 600；“PARITY”為奇偶校驗，此處無奇偶校驗為 0；其他引腳均采用系統默認值。

“Modbus_Master”指令中“MB_ADDR”為從站地址；“MODE”為模式選擇，用于指定請求類型，此處選擇 0；“DATA_ADDR”為從站數據的起始地址，需根據從站的通信手冊來確定，此引腳與“MODE”共同決定 Modbus 功能碼的選擇為 03；“DATA_LEN”為數據長度，指定此指令將訪問的位或字的個數；“DATA_PTR”為數據指針，指向要進行數據寫入或讀取的標記或數據塊地址。

指令參數設置完畢后，主站的工作已經全部完成，再參照相應的從站通信手冊，讀取或寫入相應的數據或指令。以勵磁柜為例，通信列表如表 4 所列。

圖3 S7-1500 通信模塊組態Fig.3 S7-1500 communication module configuration

圖4 “Modbus_Comm_Load”指令參數設置Fig.4 Parameter setting of "Modbus_Comm_Load" instruction

圖5 “Modbus_Master”指令參數設置Fig. 5 Parameter setting of "Modbus_Master" instruction

表4 勵磁柜通信列表Tab.4 Communication of excitation cabinet

由勵磁柜通信手冊可知，勵磁裝置微機系統按照標準的 Modbus RTU 規約，將所要通信的數據存儲到相應的地址區，如圖 6 所示，可以根據實際項目需要，修改從站的通信波特率和從機地址等參數。此處從站地址與其他設備不沖突，因此不作修改；波特率要與主站的設置保持一致，修改通信波特率為9 600 bits/s，設置 RS485 通信為允許，激活從站的數據傳輸功能。

將編寫無誤的程序下載到主 PLC 內，轉至在線，監控存放數據的 DB 數據塊，與從站設備儀表顯示的數據進行比對，以確定數據傳輸的正確性。由圖7 可知，通信成功建立，數據完成了接收。

3.3 數據的集成和監控

利用 WINCC 建立信息集成平臺和綜合監測監控系統，對不同的設備分別繪制了相應的監控界面，將收集到的全部數據及狀態信息分門別類、條理清晰地顯示到屏幕上，該 WINCC 畫面集成了動畫顯示、流程控制、數據采集與傳輸、故障記錄與歷史趨勢等強大功能，極大地方便了操作人員對整套控制設備的觀測與記錄。

圖6 勵磁裝置通信配置界面Fig.6 Communication configuration interface of excitation device

圖7 DB 數據塊的監控畫面Fig.7 Monitor and control interface of DB data block

圖8 磨機監控系統主畫面Fig.8 Main interface of mill monitor and control system

磨機監控系統主畫面如圖 8 所示，清楚地顯示了磨機本體軸承溫度、主電動機電流及功率、主電動機溫度等重要參數，指示了監測點的位置；同時還集成了磨機系統的啟停控制，具備整套系統遠程啟停的功能。

勵磁裝置監控畫面如圖 9 所示，顯示了勵磁裝置在工作過程中需要監測的主要數據、狀態以及相應的操作界面。

軟啟裝置監控畫面如圖 10 所示，顯示了軟啟裝置的電壓、電流等重要數據，以及軟啟柜的狀態信息。

圖9 勵磁裝置監控畫面Fig.9 Monitor and control interface of excitation device

圖10 軟啟裝置監控畫面Fig.10 Monitor and control interface of soft start-up device

4 結語

與傳統方案相比，優化升級后的方案具有集成化程度高、協調控制能力強、各硬件連接簡單及易操作等優點，增強了數據處理能力，實現了整個磨機控制系統的集成，提高了整套設備的監控力度，使主控室技術員可以清晰明了地在一臺 WINCC 上查看全部設備信息，滿足了實際生產的需要，為全套設備的監測與維護提供了極大的便利。

該設計方案已于 2019 年在撫順毛公鐵礦投入運行，通過 Modbus RTU 通信協議，實現了主 PLC 對主電動機、氣動離合器、油站、干油噴射、監測系統(溫度、壓力、振動等)、勵磁、軟啟、高壓柜等多臺配套設備的遠程監控，可將全套控制系統的詳細信息收集與顯示出來，到目前為止系統運行良好。