S7—200PLC Modbus通信技术在矿井热风机组监控系统中的应用

谢青海 方红彬 袁媛 刘青川 樊东亮 王健

摘 要：北方冬季寒冷，矿区井口必须采取加热措施，防止井筒或井道结冰而造成提井、运输事故。针对生产中的这一情况，本文设计采用西门子S7-200 PLC作为主控制器，以Modbus通信技术构建的现场总线作为媒介，控制2台由11kW变频器ACS510驱动的热风机组工作，将加热室中的热空气送至井口，与室外空气混合形成热风，以确保矿井口温度恒定，同时通过触摸屏远程监控变频器的运行状态，并进行管理、操作，所设计的系统在生产现场运行表明，系统安全可靠，运行稳定，能极大地降低能源损耗，节省人力成本。

关键词：S7-200 PLC Modbus通信技术 热风机组 温度恒定 远程监控

中图分类号：G322.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0060-05

北方冬季寒冷，以山西大同、榆林等地煤主产区为例，冬天室外温度会降低至零下20℃，过低的温度易导致井筒或井口结冰，造成提升机和运输车打滑，因此为安全生产，矿区必须采取加热措施，河北、山西等主产煤地区通过在矿井口加装热风机组，向井下供应暖风，保证井口的安全，但热风机常常处于多机组、大功率长期运行的状态，能耗非常严重，而且控制设备运行故障的监控措施设计也不够完善，故障出现后信息不能及时上传，易引起安全事故。本项目针对主产煤地区矿井口热风机组应用现状，在广泛调研的基础上，以榆林金鸡滩煤矿主、副斜井热风机组监控系统设计为例，详细阐述S7-200 PLC Modbus通信技术如何应用在矿井热风机组监控系统中，提高工作的可靠性，确保井口安全。

1 控制系统构建

1.1 系统组成

系统设有工控机一台，安装组态王6.55版监控软件放置于监控室，通过工控机自带的RS232口与S7-200 PLC进行数据交换，S7-200 PLC选用CPU-226型，由于PLC自带两个通信口，均支持RS485物理基础的通信协议，为方便搭建控制系统，与工控机通信时端口1采用PLC默认的PPI通信协议，端口0使用PLC的Modbus库函数保持与变频器支持的通信协议一致，矿井口距离控制室距离不足1200m，Modbus通信网络采用普通的屏蔽双绞线即可。为实现对温度数据的采集，控制系统还添加了西门子S7-200 PLC的模拟量扩展模块EM231，控制系统的结构如图1所示。

1.2 Modbus通信原理

Modbus协议是Modicon公司开发的一种串行通讯协议，其物理层采用RS232或485通信标准，常用的各种PLC、智能仪表、变频器均支持这种通信协议，是工业网络通信中最常用的一种通信格式之一，利用它不同厂商生产的控制设备相互之间可以进行通信，连成一个网络进行信息交换。Modbus通讯方式采用主从方式的查询-响应机制，只有主站发出查询时，从站才能给出响应，从站不能主动发送数据。本项目设计的控制系统采用S7-200作为Modbus通信系统的主站，两台变频器作为通信系统的从站，通信地址分别为1和2。当需要起动、停止和修改变频器运行速度时，通过S7-200PLC按照对应的地址写入变频器，当需要读取电机电压、电流、频率、转速等数据时，按照地址顺序轮流去读取，即完成一台变频器的读或者写数据后，以数据读写完成作为触发下一个数据读写的条件。

1.3 温度检测及处理

S7-200的EM231为四路模拟量输入模块，以一个温度变送器与模块连接为例绘制PLC模拟量模块的接线方法如图2所示。输入阻抗与连接有关：电压测量时，输入是高阻抗为10MΩ；电流测量时，需要将RX和X+短接（X代表A、B、C、D），阻抗降到250Ω。为避免对输入通道的数据造成干扰，不用的通道X+和X-需要短接在一起。

电流型温度传感器处理方法的表达式为：

（通道值—6400）/（32000-6400）=（检测量—测量下限）/（测量上限—检测下限）

4～20mA电流型变送器为目前使用量最多的模拟信号变送器，不论什么样的检测对象，其程序的处理方法都是一样的，将其做成一个通用的子程序可以方便调用和节省编程时间。当有传感器连接到PLC其他输入通道时，只需要更改通道地址和检测量输出值的存储地址。模拟量处理PLC主程序如图3所示。

模拟量处理子程序采用局部变量寄存器来存储中间运算结果，不占用实际的存储空间，有利于节省存储空间，增强程序的可移植性。

按照模拟量处理对应关系的表达式编写子程序，在程序编写过程中会涉及到整数和浮点数运算，PLC对数据类型要求很严格，只有相同种类的数据才能做运算，这样在编写程序时需要将整数先转化成双整数，再由双整数转换为浮点数，最后都以浮点数来做运算。模拟量处理子程序如图4所示。

1.4 S7-200 PLC Modbus通信网络

S7-200 PLC Modbus通信指令主要通过库函数实现，主站库函数主要包含“MBUS_CTRL”“MBUS_MSG”指令。

1.4.1 PLC程序编写流程

S7-200 PLC不支持对Modbus通讯功能块的自动排序，需要编写Modbus轮询程序来实现远程数据的读写，轮询时每次只能激活一个Modbus读写功能块，利用S7-200 PLC自带的Modbus库函数能较方便完成变频器控制数据的读写，程序编写思路和控制流程如图5所示。

1.4.2 编写初始化程序

PLC开机运行第一个扫描周期调用初始化子程序对系统进行初始化。程序中赋予VW300=1142、VW302=1151、VW304=1143是在使用Modbus通信程序時分别用于变频器复位、起动和停止的参数赋值。同时程序中使用到的一些相关的寄存器也需要在第一个扫描周期清零。

初始化程序如下。

Network 1 //变频器的初始化、启动、停止参数赋值

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

在主程序中调用初始化子程序，完成Modbus通信的初始化，本项目中的通信参数在通信初始化时设定通信速率为9.6kbps，无校验，主程序如图6所示。

系统使用的两个风机采用PID调节的方式自动完成对井口温度的调节，其中矿井口1温度的设定由组态直接给到寄存器VD310，矿井口2温度的设定由组态直接给到寄存器VD318。此外，两台风机的转速也可以通过组态画面上的手动方式进行手动设置。VD314和VD322分别表示两台风机手动转速的设置。

1.4.4 变频器参数读写

Modbus通信程序初始化完成后，开始轮流读写两台变频器的参数。如图7所示，“变频器1读写”子程序中的第一条读参数指令读取了从Modbus寄存器40005开始的连续6字长的数据，分别表示变频器1驱动的风机转速、电流、频率、转矩、功率、时间，读取出的6个数据分别存放在S7-200 PLC VW450开始的连续6个字存储区里。组态监控画面只需要与这6个字地址分别做连接，就能很方便地显示出相应的参数数据。

1.5 变频器连接与设置

1.5.1 RS485通信网络连接及终端电阻使用

ABB变频器ACS510提供支持Modbus通信的现场总线接口，端子编号为X1：28～32。為了增强网络信号，在网络两端用120Ω的电阻做网络的终端电阻，使用DIP开关来连接或者断开终端电阻。

1.5.2 变频器的参数设置

（1）Modbus通信相关参数设置。

为实现对变频器远程监控，需要对变频器进行通信参数设置，参数详细设置如下。

9802=1 STD MODBUS （标准Modbus通信协议）；

5302=站号 变频器1设置站号：1，变频器2设置站号：2，以此类推

5303=38.4kbit/s 波特率 （能保证通信的情况下竟可能的快）

5304=1 校验方式为8 None 2 （数据位8位，无校验，停止2位）；

5305=0 标准的ABB传动协议；

1001=10 由MODBUS控制变频器启停；

1102=0 由MODBUS控制变频器给定速度（0-20000对应0-50Hz）；

1103=8 给定值来自串行通信；

1604=8 使用通信作为变频器的复位信号；

（2）电机参数设置。

通常，变频器在设置控制参数之前，应该先设定电机参数，电机参数是指电机铭牌上标注的额定电压、额定频率、额定电流、额定转速等。

9905=AC380V 电机电压；

9906=22.6A 电机电流；

9907=50Hz 电机频率；

9908=1480r/min 电机转速；

9909=11kW 电机功率；

（3）定义映射到Modbus寄存器的参数。

为提高通信效率，将需要读取的参数放在一组连续的地址中，以便一次读出。

5310=0102 采集电机转速，映射到Modbus寄存器40005；

5311=0103 采集电机频率，映射到Modbus寄存器40006；

5312=0104 采集电机电流，映射到Modbus寄存器40007；

5313=0105 采集电机转矩，映射到Modbus寄存器40008；

5314=0106 采集电机功率，映射到Modbus寄存器40009；

5315=0114 采集电机时间，映射到Modbus寄存器40010。

2 监控画面的设计与制作

主监控界面能够直观反应电机的运行状态，包括电机的转速、频率、电流、功率等参数。能够控制变频的起动、停止和复位操作。具备手动、自动控制选择的功能，在手动控制时按照需要手动控制变频器的运行速度。当自动运行时，变频器能按照设定温度自动调节输出频率，控制电机运行速度，从而达到调节井口温度的目的。如图8所示是矿井口加热设备的两台风机运行监控画面。

3 结语

项目的研究成果在榆林金鸡滩煤矿主、副斜井安装应用后，通过Modbus通信技术，将风机的运行数据如电流、电压、转速、功率信息实时传送到监控设备上，并通过通信自动控制远程风机的投入和切除，设置运行频率等，大大减少了导线的用量，降低了故障率；实现自动调节热风风量，使混合风温度恒定，从而消除生产的安全隐患，实现无人值守，降低企业的用人成本

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