基于Modbus+RTU磨机集成控制系统的设计.pdf

第 48 卷 2020 年第 6 期 编辑 翟晓华 破磨 34 基于 Modbus RTU 磨机集成 控制系统的设计 孔自亮1,2，郭 庶1,2，刘丽丽1,2，李喜文1,2 1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 摘要随着目前国内矿山自动化水平的不断提升，矿山领域的控制系统也在朝着智能化、集控化方向 转变。由于各厂家采用的通信协议不统一，现场多使用硬接线方式进行各设备间的数据传输，存在诸 多不便。为此，利用 Modbus RTU 通信协议将磨机控制系统集成于一体，使现场各设备的运行数据、 状态参数等统一汇合于主控 PLC，由 WINCC 来监控和操作整套设备，实现了磨机控制系统的高度 集成。 关键词Modbus RTU；磨机；控制系统；通信；集控 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202006-0034-06 Design of mill integrated control system based on Modbus RTU KONG Ziliang1,2, GUO Shu1,2, LIU Lili1,2, LI Xiwen1,2 1Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China AbstractWith the continuous improvement of current automation level in domestic mines, the control system in mining field is also going towards intelligent and centralized control. Since manufacturers adopted different communication protocols, hard wiring was commonly used on site to per data transmission among various devices, which was fair inconvenient. Thus, an integrated mill control system was designed based on Modbus RTU communication protocol, it made the operation data and status parameters of various site equipments centralize to the main control PLC, and WINCC monitored and operated the entire set of equipment, so as to realize high integration of the mill control system. Key WordsModbus RTU; mill; control system; communication; centralized control 随 着电气自动化技术的发展，各行业对设备的 集控要求越来越高，分散控制已经无法满足现 代化的生产节奏，要求主控室能够收集全部的设备信 息，并将数据分类整理后传送到中控系统，且能简洁 明了地显示出来。 由中信重工机械股份有限公司设计制造的溢流型 球磨机[1]，典型的控制系统配置为高压开关柜 软 启动柜 励磁柜 PLC 控制柜。笔者就矿用磨机控制 系统的实际使用情况进行分析，对传统控制系统进行 优化升级，完成了全部配套设备的数据采集，实现了 远程集控。 1 传统控制系统方案 在传统设计方案[2]中，各控制柜并排或分散安放 在现场或电气室中，分别配置相应的触摸屏或仪表， 对各自的控制信息进行监控，各控制柜之间以硬接线 形式连接；各控制柜之间大部分数据单独显示，相互 之间通信信号少，信息传输量小，主控柜只能收集并 显示有限的几个主要参数，其余详细信息只能前往相 应的控制柜查看；不同厂家的控制柜设计风格迥异， 作者简介孔自亮，男，1989 年生，助理工程师，主要从事电 气自动化的设计研究工作。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 破 磨 编辑 翟晓华 35 操作界面不统一，查阅方式多样，工作人员操作繁 琐，且多个设备之间没有实现信息的集成。 2 优化设计的总体方案 2.1 方案介绍 鉴于传统控制系统信息传输量少、显示分散，新 方案以 Modbus RTU 通信协议为基础，既增加了数据 的传输量，又实现了多个控制柜之间的连接，将不同 设备的信息汇集到同一个 WINCC 画面上，实现了整 套控制系统的高度集成[3]；同时又有利于系统的标准 化设计，减少重复性劳动，大幅度缩短用户铺设信号 电缆的长度，降低电缆成本和人工布线成本。 2.2 Modbus RTU 通信协议 Modbus 是一种广泛应用于 RS232/RS485 通信 过程的标准的通信规约，可以实现多个不同设备之间 的通信。Modbus RTU 通信协议采用主从方式进行数 据传输，只有在主站发出通信请求后，从站才会回应 传输数据。Modbus RTU 串口通信总线上只能有 1 个 主站，最多允许有 32 个从站。信号的传输距离与波 特率有关，以 9 600 bits/s 为例，最大传输距离为 1 km。 通信数据的类型及格式数据长度为 8，停止位 为 1，传输速率为 9 600 bits/s，校验为奇/偶/无，数 据格式为地址码 功能码 数据区 错误校验，返回 的信息包括地址码、功能码、执行后的数据和 CRC 校验码。 地址码是每次通信信息帧的第 1 字节，从 01H 到 FFH。每个从机都有唯一的地址码，只有与主机发 送的地址码相符合的从机才会响应请求，回送信息。 功能码是每次通信信息帧的第 2 字节。主机通过 功能码告知从机执行何种动作，作为响应，从机返回 的功能码与主机一致，表明从机已经响应主机命令并 已进行相关操作。功能码如表 1、2 所列。 数据区包括主机发送、从机回送何种信息或执行 何种动作，这些数据可以是开关量、模拟量和地址等 数据。 2.3 系统配置 单台磨机控制系统的主要构成有主电动机控制 系统、气动离合器控制系统、油站控制系统、干油喷 射控制系统、监测系统 温度、压力、振动等、励磁 控制系统、软启控制系统及高压柜控制系统等[4]。 笔者设计的方案以西门子 PLC 和励磁及软启装 置通信为基础，利用 Modbus RTU 通信协议，将所有 磨机配套控制柜连成工业网络，进行集中监控和数据 收集，并全部显示到 WINCC 画面上。 主站配置1513-1PN、CM PtP RS422/485 HF。 从站设备WKLF-102 励磁装置、CMV 高压固态软 启动器。编程软件博途 V15 WINCC V7.4 SP1。 控制系统网络连接如图 1 所示，采用双芯屏蔽电缆， 将各控制系统的 485 通信接口连接起来。 3 优化设计方案的实现 3.1 控制流程 控制流程如图 2 所示，程序开始执行后，主机向 从机发出通信命令[5]，与地址码相符的从机接收通信 命令，并根据功能码及相关要求处理信息，执行相应 的任务，然后将执行结果返送给主机。 在主站和从站数据传输的过程中，主站一次只发 送 1 个请求报文到指定的从站，然后等待从站响应； 从站得到请求报文后，检查并分析数据包后执行请 求，之后再返回主站相应的响应报文；主站接收到响 应报文后检查数据包，无误之后再对接收的数据做相 应处理，如果检查有误则重发请求报文。 3.2 通信建立 在设备组态 1513-1PN 的主机架内添加通信模块 CM PtP RS422/485 HF，配置其端口协议为 Modbus， 并根据实际情况修改端口参数。本项目中设置传输 表 1 用于读取数据的功能代码 Tab. 1 Function codes for reading data Modbus 功能码 01 02 03 04 读取从站数据的功能-标准寻址 读取输出位每个请求 1 2 000/1 992 位 读取输入位每个请求 1 2 000/1 992 位 读取保持寄存器每个请求 1 125/124 字 读取输入寄存器每个请求 1 125/124 字 表 2 用于写入数据的功能代码 Tab. 2 Function codes for writing data Modbus 功能码 05 06 15 16 向从站写入数据的功能-标准寻址 写入 1 个输出位每个请求 1 位 写入 1 个保持寄存器每个请求 1 个字 写入 1 个或多个输出位每个请求 1 1 960 位 写入 1 个或多个保持寄存器每个请求 1 122 个字 图 1 控制系统网络连接示意 Fig. 1 Connection sketch of control system network 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 编辑 翟晓华 破磨 36 率9 600 bits/s；奇偶校验无；数据位8 位；结 束位1。S7-1500 通信模块组态如图 3 所示。 以 S7-1500 为主站实现 Modbus RTU 功能[6]，需 要调用表 3 中的指令，其中“Modbus_Comm_Load” 指令用于通信模块组态，“Modbus_Master”指令用 于实现 Modbus 主站通信。 新建 1 个 DB 数据块，用于存放相应的数据和 指令；新建 1 个 FB 函数块，在该 FB 中以多重背 景方式分别调用“Modbus_Comm_Load”指令和 “Modbus_ Master”指令，然后对指令进行参数化， 如图 4、5 所示。 2 个指令通过“Modbus_Comm_Load”指令的 “MB_DB”引脚实现相互关联。“Modbus_Comm_ Load”指令的“PORT”引脚的含义为 CM 端口值即 硬件标识符，可在该通信模块的“系统常数”中查 到；“BAUD”为数据传输速率，此处写入 9 600； “PARITY”为奇偶校验，此处无奇偶校验为 0；其 他引脚均采用系统默认值。 “Modbus_Master”指令中“MB_ADDR”为从 站地址；“MODE”为模式选择，用于指定请求类 型，此处选择 0；“DATA_ADDR”为从站数据的起 始地址，需根据从站的通信手册来确定，此引脚与 “MODE”共同决定 Modbus 功能码的选择为 03； “DATA_LEN”为数据长度，指定此指令将访问的位 或字的个数；“DATA_PTR”为数据指针，指向要进 行数据写入或读取的标记或数据块地址。 指令参数设置完毕后，主站的工作已经全部完 成，再参照相应的从站通信手册，读取或写入相应的 数据或指令。以励磁柜为例，通信列表如表 4 所列。 由励磁柜通信手册可知，励磁装置微机系统按 照标准的 Modbus RTU 规约，将所要通信的数据存储 图 2 控制流程 Fig. 2 Control process flow 图 3 S7-1500 通信模块组态 Fig. 3 S7-1500 communication module configuration 指令 Modbus_Comm_Load Modbus_Master 表 3 Modbus RTU 通信指令 Tab. 3 Modbus RTU communication instructions 含义 允许组态 Modbus RTU 通信模块端口 允许通过 PtP 端口作为主站进行通信 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 破 磨 编辑 翟晓华 37 到相应的地址区，如图 6 所示，可以根据实际项目需 要，修改从站的通信波特率和从机地址等参数。此 处从站地址与其他设备不冲突，因此不作修改；波 特率要与主站的设置保持一致，修改通信波特率为 9 600 bits/s，设置 RS485 通信为允许，激活从站的 数据传输功能。 将编写无误的程序下载到主 PLC 内，转至在 线，监控存放数据的 DB 数据块，与从站设备仪表显 示的数据进行比对，以确定数据传输的正确性。由图 7 可知，通信成功建立，数据完成了接收。 3.3 数据的集成和监控 利用 WINCC 建立信息集成平台和综合监测监控 系统，对不同的设备分别绘制了相应的监控界面，将 收集到的全部数据及状态信息分门别类、条理清晰地 显示到屏幕上，该 WINCC 画面集成了动画显示、流 程控制、数据采集与传输、故障记录与历史趋势等强 大功能，极大地方便了操作人员对整套控制设备的观 测与记录。 磨机监控系统主画面如图 8 所示，清楚地显示了 图 5 “Modbus_Master”指令参数设置 Fig. 5 Parameter setting of “Modbus_Master“ instruction 寄存器地址 40001 40002 40003 40004 40005 含义 励磁电流测量值/A 励磁电压测量值/V 有功功率测量值/kW 无功功率测量值/kVar 功率因数测量值 102 型 √ √ √ √ √ 乘率 10 100 1 1 1 000 表 4 励磁柜通信列表 Tab. 4 Communication of excitation cabinet 图 4 “Modbus_Comm_Load”指令参数设置 Fig. 4 Parameter setting of “Modbus_Comm_Load“ instruction 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 编辑 翟晓华 破磨 38 图 6 励磁装置通信配置界面 Fig. 6 Communication configuration interface of excitation device 图 9 励磁装置监控画面 Fig. 9 Monitor and control interface of excitation device 图 10 软启装置监控画面 Fig. 10 Monitor and control interface of soft start-up device 磨机本体轴承温度、主电动机电流及功率、主电动机 温度等重要参数，指示了监测点的位置；同时还集成 了磨机系统的启停控制，具备整套系统远程启停的功 能。 励磁装置监控画面如图 9 所示，显示了励磁装置 在工作过程中需要监测的主要数据、状态以及相应的 操作界面。 软启装置监控画面如图 10 所示，显示了软启装 置的电压、电流等重要数据，以及软启柜的状态信 息。 图 7 DB 数据块的监控画面 Fig. 7 Monitor and control interface of DB data block 图 8 磨机监控系统主画面 Fig. 8 Main interface of mill monitor and control system 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 破 磨 编辑 翟晓华 39 收集与显示出来，到目前为止系统运行良好。 参 考 文 献 [1] 郭武刚，张 永，孙 思，等．φ10.37 m5.19 m 双驱半自磨 机的设计 [J]．矿山机械，2010，381390-92. [2] 张 蕾，杜 娟，冯京晓．φ4.5 m6 m 溢流型球磨机电控系 统的实现 [J]．矿山机械，2010，382378-80. [3] 高海燕，王希娟，朱建峰，等．智能 MCC 在大型磨机控制系 统中的应用 [J]．矿山机械，2017，45135-40. [4] 于小环，简海峰，王全福，等．双驱磨机低压电气控制系统 [J]．矿山机械，2013，41468-72. [5] 沈林晖．Modbus RTU 串口通信在工业自动化系统中的应用 [J]．化工自动化及仪表，2014，412207-211. [6] 西门子 中国 有限公司．s7-1500 Modbus-RTU 使用快速入门 操作指南 [K]. 2014. □ 收稿日期2020-03-26  作者简介韩高翔，男，1986 年生，电气工程师，主要从事工业控制和电气控制系统的设计和研究工作。 磨机报警智能化管理的 分析与研究 韩高翔1,2，吴永强1,2，周 威1,2，张明哲1,2 1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 摘要对照国际标准分析总结了磨机报警的种类和识别方法，并对国内磨机报警存在的问题进行了简 要陈述，提出了利用密度函数和 RCO 曲线对磨机报警阈值优化的方法，以解决磨机报警阈值僵化的 问题，利用 Apriori 算法对磨机报警数据库进行挖掘后对报警关联性进行分析，完成了基于定性分析 的故障诊断和帮助系统的设计，同时对过程值变化率报警优化、报警优先等级的划分等方面进行了研 究和分析，并提出了可行的智能化解决方案。 关键词磨机；报警智能化；报警泛滥；故障诊断 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202006-0039-05 Analysis and research on intelligent management of mill alarms HAN Gaoxiang1,2, WU Yongqiang1,2, ZHOU Wei1,2, ZHANG Mingzhe1,2 1Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China AbstractThe paper summarized the types and identification s of common mill alarms, and briefly described the problems existing in domestic mill alarms. After that, it proposed to apply the density function and RCO curve to optimize the alarm threshold, so as to solve the constancy of the mill alarm threshold. In addition, after Apriori algorithm being applied to dig the mill alarm database, the correlation among various alarms was analyzed, thus the fault diagnosis and the help system were designed based on qualitative analysis. 4 结语 与传统方案相比，优化升级后的方案具有集成化 程度高、协调控制能力强、各硬件连接简单及易操作 等优点，增强了数据处理能力，实现了整个磨机控制 系统的集成，提高了整套设备的监控力度，使主控室 技术员可以清晰明了地在一台 WINCC 上查看全部设 备信息，满足了实际生产的需要，为全套设备的监测 与维护提供了极大的便利。 该设计方案已于 2019 年在抚顺毛公铁矿投入运 行，通过 Modbus RTU 通信协议，实现了主 PLC 对 主电动机、气动离合器、油站、干油喷射、监测系统 温度、压力、振动等、励磁、软启、高压柜等多台 配套设备的远程监控，可将全套控制系统的详细信息 万方数据