基于Modbus通訊的變頻器在某地浸礦山的應用

莊治旭,李喜龍,曹俊鵬,田 爽,周文蒙

(中核通遼鈾業有限責任公司,內蒙古 通遼 028000)

隨著原地浸出采鈾行業的發展,搭建自動化、數字化、智能化礦山成為必然趨勢。在自動化程度越來越高的情況下,變頻器的應用領域得到拓展,變頻技術與微電子技術[1]結合,可通過改變電機工作電源頻率的方式進行交流電動機的控制。

在原地浸出采鈾工藝中,通過安裝在抽液井中的潛水泵將浸出液抽至地表。潛水泵電機由集控室中的變頻器進行頻率調節及控制[2]。傳統自動化系統常采用模擬量的方式進行頻率調節及反饋采集[3],這種方式需要敷設大量線路,項目建設成本較高,維護工作量也較大,其應用具有一定的局限性。Modbus現場總線方式能有效解決這些問題,更具經濟性[4]。

通遼某地浸采鈾礦山一期井場存在集控室位置分散且相距較遠的情況。以該井場為研究對象,集控室內的變頻器、電磁流量計等設備采用Modbus現場總線方式進行通訊,以期提高對采區變頻器控制的便捷性。

1 井場控制系統結構

某地浸礦山一期井場共建設10個集控室,每個集控室配置32臺變頻器、32臺抽液流量計、80臺注液流量計、1套自動化控制柜,系統結構見圖1。

采用CPU 1513-1 PN作為井場各集控室的中央處理單元,該CPU支持多個從站擴展,網絡連接功能強,處理速度快[5]。下位機使用TIA Portal軟件進行組態、編程及調試。電磁流量計、變頻器與CPU之間通過Modbus通訊進行數據交換,最終通過光纖以太環網將所有集控室數據傳輸至生產監控中心[6],完成各設備狀態的采集與控制。

為保證現場網絡可靠性,選擇環網冗余協議,可以實現在一個環路中形成備份鏈路。本礦山光纖以太環網由MOXA交換機完成信號的轉換與傳輸。普通以太網交換機一旦形成環形網絡,容易出現Loop情況(環網風暴),造成網絡癱瘓;而MOXA交換機支持Turbo Ring V2冗余協議,在該協議下交換機之間通過手拉手形式構成環形網絡拓撲,環網上的某一路斷開,不影響網絡上的數據轉發,避免了環網風暴的產生,提高了環網的可靠性。

通過IE工具Ping交換機的默認IP地址,進入配置界面對每臺交換機進行IP地址分配,使上位機、下位機及交換機的地址段保持一致,C1～C10集控室交換機的IP地址見表1,子網掩碼均設置為255.255.255.0。在Communication Redundancy的頁面中,選擇Turbo Ring V2冗余協議(圖2)。

表1 各采區交換機IP地址Table 1 IP address of switches in each mining area

圖2 MOXA交換機配置圖Fig. 2 Configuration diagram of MOXA switch

2 Modbus通訊設備接線

在設備硬件層面上,西門子PLC與丹佛斯FC101變頻器之間的Modbus通訊采用手拉手菊花鏈式拓撲結構將網關和各串行設備節點連接起來,并在網絡起始端和末尾端設備的RS485+和RS485-之間各并接1個120 Ω的電阻以減少信號在兩端的反射,工作模式為半雙工(RS485)兩線制操作模式。PLC通訊模塊為主站,丹佛斯變頻器為從站,從站設備數量控制在31臺以內[7]。由于多個設備同時發送數據,會導致設備幀被破壞[8]34;因此在RS485通訊模式下,需確保任意時間內只有1臺設備進行數據發送。

PLC通訊模塊的15針D型母頭連接器,引腳4為R(A)/T(A)-,引腳11為R(B)/T(B)+,引腳8為GND[8]35。丹佛斯FC系列變頻器端子68為N(-)RS485,端子69為P(+)RS485。通訊模塊與變頻器之間的接線見圖3。

圖3 Modbus通訊硬件接線Fig. 3 Modbus communication hardware wiring

將焊接完成的D型母頭連接器插入通訊模塊,即可完成Modbus通訊硬件接線。為防止信號干擾,在接線過程中將雙絞屏蔽線中的屏蔽金屬層接到了變頻器61端子上。為避免電位差的存在[9],雙絞屏蔽線的屏蔽層只能一端接地,其屏蔽金屬層不與通訊模塊的GND引腳連接。

3 變頻器Modbus通訊參數設置

在丹佛斯變頻器與西門子PLC1500系列控制系統完成硬件通訊接線后,對變頻器Modbus通訊協議進行內部參數設置。使用下位機TIA Portal軟件完成變頻器PLC控制程序編寫[10]。

為實現丹佛斯FC101系列變頻器原地控制與遠程通訊控制自由切換,需要設置的參數如下:14-22,選擇初始化后將變頻器斷電重啟;8-42,設置PCD寫配置;8-43,設置PCD讀配置;5-10,設置為0,端子18輸入;8-53,總線(啟動選擇);8-02,控制來源,選擇RS485;8-30,選擇為Modbus RTU通訊協議;8-31,變頻器的通訊地址,1～126范圍內地址有效;8-32,設置通訊速度,2 400～115 200,本控制系統選擇[3]對應的速度為19 200,各站速度要求一致;8-33,奇偶校驗方式,選擇偶校驗,1個停止位,各站要求設置一致[11]。

變頻器參數配置后,控制系統采用博途編程軟件實現通訊協議。丹佛斯變頻器作為從站[12],所要通訊的Modbus RTU地址為參數號前加4再乘10。有2個特殊寄存器,對應參數設置的8-42和8-43,相當于1個緩存,便于通訊時連續讀寫數據?！?910”為讀配置地址,“2810”為寫配置地址,西門子變頻器需在地址參數號前加4,即變頻器8-43.0對應2910(42910),8-42.0對應2810(42810)。西門子控制器作為主站發送請求報文到變頻器,變頻器接到控制器報文后返回響應報文,系統之間數據交換通過功能碼進行控制[7]196,報文結構見表2。

表2 FC101變頻器Modbus報文結構Table 2 Modbus message structure of FC101 converter

4 下位機變頻器遠程控制程序

該地浸采鈾礦山井場一期計劃投入生產抽液井約200口,每口抽液井安裝1臺潛水泵用于提升浸出液。通過對應采區集控室的變頻器對每臺潛水泵進行啟/停及頻率調節,從而實現對潛水泵抽液流量的調節[13]。在運行過程中,存在多種因素造成的停電情況。當采區大面積停電或恢復供電時,需要更快、更便捷的自動化遠程控制。

4.1 單臺變頻器下位機控制程序

PLC通訊模塊與變頻器完成設備通訊接線及硬件參數配置后,根據報文結構編寫單臺變頻器的啟/停與頻率給定的遠程控制,以站號為1的變頻器為例,程序流程見圖4。

圖4 單臺變頻器控制程序圖Fig. 4 Control program diagram of single frequency converter

單臺變頻器控制程序段如下:

L 1

T "BP_ParameterPublic".SlaveNo ∥站號為1的變頻器

L 0

T "BP_ParameterPublic".Mode ∥讀模式

L 42910

T "BP_ParameterPublic".DataAddress ∥變頻器讀配置地址

L 4

T "BP_ParameterPublic".DataLength ∥長度為4分別對應啟動/停止命令、頻率、速度、電流

A "BP_StateBOOL".BPBool[1].Re

JCN laa1 ∥變頻器不在遠程狀態,跳轉至laa1,程序不執行

∥改變頻率

A(

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet_save

<>I )

JCN FF3 ∥給定頻率與寄存器中不一致繼續執行程序,否則跳轉至FF3

L 1

T "BP_ParameterPublic".SlaveNo ∥變頻器站號

L 1

T "BP_ParameterPublic".Mode ∥寫模式

L 42810

T "BP_ParameterPublic".DataAddress ∥寫配置地址

L 2

T "BP_ParameterPublic".DataLength ∥長度為2,對應啟動/停止命令、頻率

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet

T "BP_ParameterPublic".V_DataSnd[2]

T "BP_Parameter".Send[1].V_Data[2] ∥2號寄存器地址寫入頻率

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet

T "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet_save ∥保持寫入頻率

FF3: NOP 0

A "BP_CommData".FreqComm[1].StartHold

JCN FF1 ∥變頻器狀態為啟動,則跳轉至FF1

L 1

T "BP_ParameterPublic".Mode

L 42810

T "BP_ParameterPublic".DataAddress

L 2

T "BP_ParameterPublic".DataLength

L 1148 ∥對應16進制為047C

T "BP_ParameterPublic".V_DataSnd[1]

T "BP_Parameter".Send[1].V_Data[1]∥寫047C到1號寄存器地址,啟動變頻器

L "BP_CommData".FreqComm[1].FreqSet

T "BP_ParameterPublic".V_DataSnd[2]

T "BP_Parameter".Send[1].V_Data[2] ∥將頻率賦值到2號寄存器

R "BP_CommData".FreqComm[1].StartHold ∥保持啟動

FF1: NOP 0

A "BP_CommData".FreqComm[1].StopHold

JCN FF2 ∥變頻器狀態為停止,則跳轉至FF2,結束程序

L 1

T "BP_ParameterPublic".Mode

L 42810

T "BP_ParameterPublic".DataAddress

L 2

T "BP_ParameterPublic".DataLength

L 1084 ∥對應16進制為043C

T "BP_ParameterPublic".V_DataSnd[1]∥寫 043C 到1號寄存器地址 停止變頻器

T "BP_Parameter".Send[1].V_Data[1]

R "BP_CommData".FreqComm[1].StopHold∥保持停止

FF2: NOP 0

laa1: NOP 0

JU snd ∥程序結束

4.2 單采區變頻器一鍵式啟動

集控室原液間配備32臺變頻器,為保證設備保養、檢修的直觀性,將變頻器分為2組,每組編號由1至16。因潛水泵啟動的瞬間功率過大,同時啟動32臺潛水泵會對供電線路造成負載過大的影響,所以在一鍵啟動中加入了定時器,保證變頻器按編號順序每5 s啟動1臺[14],定時器見圖5。

圖5 5 s延時定時器Fig. 5 5 s delay timer

在WinCC上位機中添加按鈕命名為“一鍵啟動”,并鏈接對應采區“一鍵啟動”變量,變量的類型選擇BOOL型。點擊鼠標左鍵,向下位機發送啟動信號,程序流程見圖6。

圖6 變頻器一鍵啟動程序流程圖Fig. 6 Frequency converter one-key start program diagram

博途下位機中使用SCL語言編寫一鍵啟動程序,如下:

IF "BP_Allstart"."5spulse"=1 AND "BP_Allstart".All_StartHold=1 THEN

"BP_Allstart".jishu:="BP_Allstart".jishu+1;

END_IF;

IF "BP_Allstart".All_StartHold=1 AND "BP_Allstart".jishu<17 AND"BP_Allstart".jishu>0 THEN

"BP_CommData".FreqComm[ "BP_Allstart".

jishu].StartHold:=1;

"BP_CommData_1".FreqComm[ "BP_Allstart".jishu].StartHold:=1;

END_IF;

IF "BP_Allstart".jishu>17 THEN

"BP_Allstart".jishu:=0;

"BP_Allstart".All_StartHold:=0;

END_IF;

操作人員按下“一鍵啟動”按鈕后,工控上位機的啟動信號通過網線傳送至機房交換機,再由光纖收發器傳送至光纖以太環網,位于井場集控室的交換機進行信號的接收并將該信號傳送至下位機CPU 1513-1 PN。下位機接收到啟動信號后,調用上述程序,逐一啟動變頻器;當變頻器編號加至17時,程序段將變頻器編號與啟動信號均強制為0,跳出變頻啟動程序,防止變頻器全部啟動后再次進入循環啟動。

4.3 單采區變頻器一鍵式關停

考慮到關停變頻器對電網的沖擊較小,所以一鍵關停的邏輯相較于一鍵啟動簡單,不需要使用延時定時器,程序流程見圖7。采用STL語言進行編程,不再循環判斷變頻器的狀態,直接將關停信號傳送給相應的寄存器地址,實現快速關停。

圖7 變頻器一鍵關停程序流程圖Fig. 7 One-button shutdown program diagram of frequency converter

單采區變頻器一鍵式關停程序如下:

A "BP_Allstart".All_Stop

FP "BP_Allstart".All_StopSave

R "BP_Allstart".All_StartHold

R "BP_CommData".FreqComm[1].StartHold

R "BP_CommData".FreqComm[2].StartHold

…

R "BP_CommData".FreqComm[16].StartHold

R "BP_CommData_1".FreqComm[1].StartHold

R "BP_CommData_1".FreqComm[2].StartHold

…

R "BP_CommData_1".FreqComm[16].StartHold

S "BP_CommData".FreqComm[1].StopHold

S "BP_CommData".FreqComm[2].StopHold

…

S "BP_CommData".FreqComm[16].StopHold

S "BP_CommData_1".FreqComm[1].StopHold

S "BP_CommData_1".FreqComm[2].StopHold

…

S "BP_CommData_1".FreqComm[16].StopHold

下位機收到上位機發送的一鍵停止信號后,調用該段程序,捕捉一鍵停止的上升沿信號,將2組變頻器啟動保持信號進行復位,將操作數清0。停止保持信號置位,將操作數寫為1,達到一鍵關停的效果。

5 常見問題及處理措施

5.1 常見問題

井場控制系統全面采集潛水泵變頻器的各項參數[15]并接入監控中心生產運行,監控員可通過上位機遠程調節變頻器。在調節過程中存在部分變頻器無法遠程控制以及讀取的參數與現場實際運行狀態不符的問題,通過現場排查設備運行狀態,下位機程序監視,發現上述問題主要是由通訊線信號易受電源干擾、15針D型母頭連接器與通訊線焊接點松動等引起。

5.2 處理措施

為保證控制系統的平穩有效運行,針對上述問題將集控室內所有基于Modbus通訊的儀器儀表的電源線與通訊線進行合理布線,杜絕2種線纜的纏繞,增大2種線纜間的布線距離,從而降低干擾對信號采集準確性的影響。

由于變頻器與PLC之間采用手拉手菊花鏈式拓撲結構,當尾端的D型母頭連接器與通訊線焊接點松動時,會導致整條線路上的設備通訊中斷;因此對焊點進行加固,并減小線纜在焊點的彎折角度。錢家店Ⅱ號鈾礦床采用模擬量通訊,Ⅳ號鈾礦床采用Modbus串行總線通訊,這2種通訊模式下的單臺變頻器的布線用量、故障類型及維修頻次對比見表3?？梢钥闯?Modbus總線通訊模式在建設成本及后期維護工作量方面更具有優勢。

表3 2種通訊方式變頻器的應用情況統計Table 3 Application statistics of frequency converter with two communication modes

6 結論

本礦山集控室內的變頻器基于Modbus通訊,僅需1根屏蔽雙絞線將各變頻串聯即可完成遠程備妥、運行或故障狀態、運行頻率、運行電流、運行功率、遠程啟/停、遠程頻率調節等信號的采集與控制。與傳統模擬量加開關量控制方式相比,Modbus通訊方式可節省大量的線纜敷設與I/O模塊,控制方便、成本較低,大幅降低了維護工作量,進一步提升了控制效率。

對WinCC上位機與博途下位機的開發、編程與組態,實現單一變頻器的啟停與頻率調節,優化了單采區變頻器遠程一鍵全部啟動和關停。在供電線路發生異常時,監控中心的值班人員通過使用上述功能,操作簡捷,縮減了處理異常狀況的時間。