基于Modbus-RTU的空压机一体化改造

冯新强，孟庆鹏，曹亚鹏

(华能邯峰电厂，河北 邯郸 056200)

1 引言

某电厂共有3台仪用空压机(GA160-10W)，4台服务用空压机(ZR630-8EEL)，3台脱硝空压机(GA55+)。以上设备全有阿特拉斯.科普柯厂家提供。

改造前DCS仅采集了各台空压机的运行、故障停机信号。因未采集空压机各运行参数，不便监视空压机运行状态和分析故障；因不能远程操作，当出现运行空压机出现故障停机时，备用空压机无法紧急启动。原空压机控制面板为阿特拉斯MK4，该控制元件已运行将近20年，硬件老化且已停产。针对以上不便，实施了空压机一体化改造。

2 网络拓扑图

本改造方案为硬接线和通信两种方式组合而成。为保障空压机的安全稳定，采用硬接线方式控制和采集空压机的重要信号。如各台空压机的启、停指令；运行、故障停机反馈；空压机电流信号。将上述重要信号，由硬接线方式接入AP020中采集、控制。

为不新添加传感器和布线，采用通信方式从控制器中读取各运行参数。新空压机面板MK5中的测量参数、运行状态和设置参数，首先经CAN协议传送至GATWAY；然后经GATWAY转换成基于RS485的Modbus协议传送至UT-277MM转换成光纤信号；通过光纤由现场传送至电子间后，然后再经另一个UT-277MM转换成基于RS232的Modbus协议；最后送至西门子T3000 DCS系统的第三方接口机CS3000，从而通过Profinet协议与DCS系统自动生产网(下层网)进行数据交换，见图1。

图1 空压机控制系统网络拓扑图

3 硬件配置

3.1 MK5控制器和GATWAY网关

MK5控制器和IO2模块配套使用，可采集PT1000温度、压力、DI信号，输出DO指令信号。采集PT100温度信号时，需要额外购买扩展模块IO34。

MK5控制器和GATWAY通讯网关间的采用CAN通讯协议进行数据互换。GATWAY通讯网关可将CAN协议转换成Modbus RTU或Profibus DP。GATWAY为24VAC供电，最多可连30台空压机。为保证各系统的独立性，本次改造共使用3台GATWAY，分别与服务空压机、仪用空压机、脱硝空压机通讯。

3.2 UT-277MM

UT-277MM是多功能的支持异步RS232、RS422、RS485通信接口的光纤modem。使用普通的多模光纤，有效通信距离达4KM，通信速率可达460kpbs。UT-277MM支持RS232、RS422、RS485多种异步通信协议，可以同时混合使用2个RS232、RS422或RS485接口。UT-277MM所有的串行电气接口都为接线柱连接器。UT-277MM的光纤接口可选SC、ST、FC型接口。本项目中光纤接口选用了坚固可靠、防尘的ST型接口。

3.3 西门子CS3000网络通讯模块

西门子CS3000网络通信模块是西门子T3000DCS系统与第三方通讯用的产品。其自带信号处理CPU模块，可支持多种不同的通讯协议与外部设备提供数据通讯。CS3000设备作为一个自动服务器来进行工作。分配运行容器在设备上运行。自动功能和硬件代理可以被置于运行容器中，以执行协议转换功能。本项目中CS3000网络通讯模块将Modbus通信协议转换成了Profinet通信协议。CS3000模块共有2个RJ45接口，可用于与生产网通讯；4个DP9针RS232口，可用于与第三方设备通信[1]。

4 通信协议简介

4.1 异步串行通信

异步串行通信是最常用的通信方式。其有两个重要指标：波特率和帧格式。通信时，数据需要以固定的帧格式传送，每一帧由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成，如图2所示。使用异步串行通信时，双方需要设定相同的波特率、数据位数、奇偶校验、停止位数。

图2 异步串行通信帧格式

(1)起始位：通信线路受发送器控制，只有逻辑0和逻辑1两种状态。当发送器空闲时，线路在逻辑1状态。发送器开始发送字符时，需要先让线路变成逻辑0，以提示接收器准备接收信息。

(2)数据位：数据为一般为8位，也可设置为6位或7位。数据传送时，先传递低位。

(3)奇偶校验位：可以设置为奇校验、偶校验、无校验。根据数据位中“1”的个数是奇数还是偶数来判断传输过程是否有错。例当数据位有奇数个“1”时，若设置为奇校验，则校验位应为0。设置成无校验时，此时校验位用一个停止位补充，即有两个停止位[2]。

(4)停止位：可以设置为是1位或2位。表示一个字符传输已结束。让线路变为逻辑1。

4.2 RS232与RS485

RS232和RS485是美国电子工业协会EIA制定的两种串行物理接口标准。它们都是最底层的协议，仅定义了OSI模型中物理层，主要定义了逻辑“位”。RS232和RS485通常有接线柱和DP9两种形式，DP9中引脚的常见定义见图3。

图3 RS232与RS485 DP9引脚常见定义

在工业控制中RS232接口一般有三个引脚：接收数据RXD、发送数据TXD、信号接地GND，故可实现全双工通信。RS232采用负电平逻辑，即当RXD与GND电压差-3～-15V为逻辑1；+3～+15V为逻辑0。接线时必须将2台设备的TXD与RXD相互交叉连接，因此RS232只适用于点对点通信。

RS485采用平衡传输、差分接收的方式实现通信，可有效抑制共模干扰，在不加中继的情况下最远可达1200 m。RS485接口一般有2个引脚 A(485+)、B(485-)，为半双工通信。当 A、B间的电压差+2～+6 V为逻辑1；-2～-6 V为逻辑0。RS485可支持点对多主从通信。为消除通信电缆中信号反射，需要在RS485总线的开始端和结束端添加120 Ω终端电阻。

4.3 Modbus通信协议

Modbus是1979年由Modicon公司(现属施耐德电气)针对PLC通信而发表的一种串行通信协议。Modbus已成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式，也是工业自动化领域里使用最普遍的协议。Modbus通信协议有三种模式：Modbus—RTU、Modbus—ASCII、Modbus—TCP；其中Modbus—RTU是Modbus规定的必须支持、默认的选项。Modbus的帧格式为：地址域(1个字节)+功能码(1个字节)+数据(N个字节)+校验(2个字节)[3-5]。

4.3.1 地址域

一个字节(8位)的地址域是用来给从站编号，主站没有地址。Modbus合法的字节地址为0～247，其中0为广播地址。在同一总线上，从站地址必须是唯一的，在1～247之间。主站将从站地址填入地址域来对从站询问。当从站收到的地址域与本身相等或者为0时，对应的从站才会回复，将自己的地址填入地址域来告知主站是哪个从站的应答。

4.3.2 寄存器和功能码

Modbus定义的从站寄存器种类共有4种：线圈寄存器(DO)、离散输入寄存器(DI)、保持寄存器(AO&设备设置参数)、输入寄存器(AI)。其中，离散输入寄存器(DI)和输入寄存器(AI)是只读类型。Modbus为每个寄存器分配了4个不同的存储区，为了便与使用，四种寄存器对应的存储区代号分别为0区(输出线圈对应0x)、1区(输入线圈对应1x)、3区(输入寄存器对应3x)、4区(保持寄存器对应4x)。Modbus每个存储区最大范围65535，但实际不需要这么多，10000以内足够使用，故使用短地址模型(寻址范围为0～9998)。

寄存器的地址(PLC地址)由存储区编号和地址索引组成，也称该地址为绝对地址，通常由5位10进制描述。其中第一位表示存储区编号，将后4位称为相对地址，也称为寻址地址，通常由4位16进制描述。为减少通信量、提高处理速度，Modbus报文中使用相对地址。相对地址的起始值为0或1。Modicon公司和GE公司PLC相对地址的起始值为1，又称偏移1位；西门子PLC相对地址的起始值为0。Modbus报文中的起始值也为0。例在4区中相对地址0(16进制为0x0000)对应的寄存器绝对地址为40001。

功能码表明了主站要求从站执行的操作。常见的功能码有8种，见表1。

表1 Modbus功能码

5 T3000中的设置

设备厂商通常提供的寄存器列表为绝对地址列表。阿特拉斯MK5提供的寄存器列表为起始值为1的相对地址列表。如图4所示。而西门子T3000控制的相对地址起始值为0，需将MK5地址列表中的地址减1后，作为Modbus寻址地址。例在提供的寄存器列表中，控制器温度的值存储在3区相对地址为2，故Modbus寻址地址为1，见图5。

图4 寄存器列表

图5 DCS逻辑组态

6 服务空压机画面

服务压缩空气主要用于精处理树脂气动输送、锅炉燃油的雾化及吹扫、SNCR喷枪雾化、空预器气动马达。服务空压机(ZR630-8EEL)为两级压缩，相应测点较多。改造后的画面图6所示。

图6 服务空压机画面

改造后可以采集低压压缩机出口温度、高压压缩机出口温度、空压机出口压力等18个模拟量；加载/卸载状态、普通报警、故障停机等15个开关量；运行时间、加载时间、电机起动次数等10个累计参数；加载压力1、卸载压力1等5个设置参数。

本次改造通过硬接线加通信的组合方式，解决了空压机无法远程启动、监控的问题。通过该方式，节省了布线和传感器。本文介绍了空压机一体化改造的硬件配置和逻辑组态，为同类空压机控制系统的升级改造具有一定借鉴意义。