基于Modbus的后台控制在空压机站的应用

胡国祥

（江西铜业集团公司 东同矿业，江西抚州 344000）

基于Modbus的后台控制在空压机站的应用

胡国祥

（江西铜业集团公司 东同矿业，江西抚州 344000）

modbus是一种简单的标准化协议，系统一次性投入成本低，其平台搭建简单、系统稳定性高和容错性好等特点较其他系统凸显优势。某公司新空压机站基于modbus建立后台控制系统，对站点设备进行数据交换和上传网络，实现远程监控。

modbus；工业以太网；后台控制；遥测；数据库

引言

某公司新空压机站是车间重要生产设备之一，不间断为井下凿岩机、喷锚机、风镐等用风设备提供风压为0.8 MPa的压缩空气。站内含3台额定出气量为100 m3/min的螺杆式空压机（两用一备），电动机采用容量560 kW、电压6 kV的高压电机，系统控制流程较复杂、检测点位较多，空压机站自身拥有一套完善的故障报警、操作、运行等为一体的自我操作流程，为建立后台控制提供基础，本空压机站后台控制系统让采样数据上传网络。

1 Modbus协议简介

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器和其他设备可以通信。控制器有两种传输模式（ASCII或RTU），见表 1。

表1 ASCII模式和RTU模式报文格式

2 空压机站后台控制简介

2.1 系统网络结构

本系统以工业以太网为传输网络，对报文包进行透明传输。处理机和工控机IP地址在网段192.168.127.X内，通讯协议为IEC60870，CP端口为2404，响应时间100ms。系统包括工控机、网络交换机、管理机、站点设备等。

2.2 Modbus与站的接口

Modbus是公开、简单、具备行业标准的传输协议，大部分智能设备都会设置一个自由口，支持modbus通讯协议。本站主要站点监控、控制设备为微机综保装置和可编程控制器，系统分别以RS485和RS232作为物理传输接口，采用半双工模式。站点与处理机连接用一根4芯的矿用屏蔽电缆，同一个端口不同设备采用并联连接。RS485接线方式：连接A、B端子；RS232连接方式：连接R、T，G端子。

2.3 管理机

管理机是直接与现场设备进行信息交换的核心设备，本系统管理机采用的是深圳康必达控制技术有限公司的KBD 3116A（16串口2网口），P1~P16为串口（RS-232/422/485可软件配置），Eth0，Eth1为以太网口10/100M。本系统使用P1~P3作为modbus通信口，Eth0连接上位机。

通讯管理机配置软件PCS3000用于创建管理机和站点的网络架构，具有报文查看、设备调试和网络通信状态监测功能。通过PCS3000可添加设备、添加站点信息（包括遥测量、遥控量和遥信量）、配置数据转发及全局参数设定等等。

3 站设备数据遥测、遥信、遥控及遥脉

本系统控制对象是3台空压机、3台高压控制柜、1台直流屏，分别取端口P1、端口P2、端口P3，各分站和采样点用设备ID和点ID标识。

设备地址分配如表2。

表2 站设备地址参数

遥测量包括进线的电流、电压、频率等；空压机的排气压力，排气温度及轴承温度等；直流屏的控母电压、电池组电压和充电电流等。点ID号由1~116、设备ID由1~10，合计116个监控采样数据。报文时间戳间隔为200 ms和100 ms，后台数据库对采样得到的数据以时间‘1 s’为储存单位。空压机加载时电流在58 A左右，减载时电流在25 A左右。其中电流历史检测曲线如图1（记录时间：2016年8月4日）。

遥信量包括高压柜的过压继电器、过流继电器、零序过电流继电器等综保保护信号，空压机的设备加载运行、电机过载、压力超高等继电器信号，直流屏的电池组异常、控母电压低、通信异常等信号。点ID号由117~282、设备ID有1~10，合计166个监控点。以下在空压机端口P1部分实测RTU报文：功能码03读取保持继电器，在一个或多个保持继电器读取状态。

1发送时间：上午09:45:53.883

01 03 00 D6 00 01 65 F

接收时间：上午09:45:53.914

01 03 02 00 00 B8 44

2发送时间：上午09:45:54.24

01 03 00 D0 00 04 45 F0

接收时间：上午09:45:54.102

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

3发送时间：上午09:45:54.196

01 03 00 D5 00 01 95 F2

接收时间：上午09:45:54.258

01 03 02 00 00 B8 44

4发送时间：上午09:45:54.336

01 03 00 D4 00 01 C4 32

接收时间：上午09:45:54.383

01 03 02 00 00 B8 44

解释：施耐德TWIDO以不同寄存器位存储空压机各个参数状态，处理机发送4条读取继电器状态报文来分别读取起始地址为00 D6、00 D0、00 D4和00 D5连续2个字节的寄存器位状态，返回结果都是00；从而确定空压机处于停机状态、冷却水温正常、压力正常、相序正确等等。

遥控量包括空压机的启动/停止、加载，进线的柜合/分闸、保护复归等等，共计16个遥控点。遥脉量包括正有功电量、反有功电量正无功电量及反无功电量，合计20个电量检测位。后台操作员进行开停等操作时，向目标站点发送写或预置寄存器相关报文。

4 后台系统控制、故障报警

4.1 后台与站通讯、控制过程

后台监控软件是人机交互的基础，本系统后台监控软件采用的是深圳康必达控制技术有限公司的一款PowerScada3000软件，该软件自带SQL Server2008、CAD、OPC等多个组件；以服务器/工作站的工作方式，工作站向管理机发送数据请求，从而读取数据。后台图形编辑可添加图元并编辑图元属性，绘制报警信号灯、开停按钮、电流显示框等等图元，定义用户口令和权限，防止误操作。

控制过程（1）打开设计好的PowerScada3000画面，系统会自动向处理机发送工业以太网询问类数据包，处理机在接收到包后会返回应答类数据包。（2）当接收到的包经校验无误，会反馈到画面指示灯亮并与处理机建立连接。（3）建立通讯后，处理机在接收到控制操作人员发送开/停机、加载指令后，会拆解接收到的封装包头，提取报文数据，并向各个站发送该modbus报文，各个分站根据报文地址提取自己的包，作出相应的操作并回馈应答报文。最终实现远程开机、加载和停机等操作。

4.2 故障报警

上位机可通过读取位状态来得到设备具体的状态、故障和预警信息。

本系统部分报警代码见表3所示。

通过接收应答报文，当刷新周期内读取到某个报警位寄存器位由0变1，后台警报灯亮向值班人员告警，同时弹出报警画面并记录故障时间、当时设备状态等信息，此信息可做为维护人员维修依据。

表3 状态、故障、预警部分信息代码表

5 结语

基于modbus的后台控制系统替代了以往人工采集数据方式，实现了基站无人值守。客户端操作简单，我们无需掌握原理即可调用历史采集数据、实时监控空压机电流等各站内部监控数据并可随时开/停空压机。

[1]刘寿辉.水库远程自动控制计量闸阀控制设计 [J].中国水运，2017.01.

[2]蔡家帅,王建,袁凯.浅谈螺杆式空压机技术改造[J].纯碱工业，2017.04.-15.

[3]崔超,郭进。基于MODBUS协议的综合监控与信号系统间接口设计[J].都市快轨交通，2017-04-18.

[4]郑培,基于EtherCAT工业以太网的数据采集系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2016-06-01.

[5]亢烨，柯熙政，邱昌佩.基于以太网的无线激光通信系统透明设计[J].电子测量与仪器学报[M]，2017-05-15.

[6]邓鹏,张明星,唐文涛,马雪芬.基于RS485通信的远程数据采集与控制系统设计[J].无线互联网科技，2016-09-25.

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

胡国祥（1986-）男，江西南丰县人，大学本科学历，助理工程师，现从事矿山电气设备维护管理技术工作。