12月奖品活动【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）

［摘　要］：介绍了改造后空压机的网络拓扑、硬件配置、Ｔ３０００逻辑组态。一体化改造后便于监控空压机运行参数，可以紧急启动空压机，维持压缩空气压力的稳定，保障机组的安全运行。

［关键词］：空压机；Ｍｏｄｂｕｓ－ＲＴＵ；一体化改造；Ｔ３０００

中图分类号：ＴＭ６２１　　文献标志码：Ｂ

文章编号：１００６－２９７１（２０２３）０５－００５８－０４

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ＣＡ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Ｔ３０００ＤＣＳ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。



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ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ或ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ。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Ｔ３００ＤＣＳ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。

（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。



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１２００ｍ。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～＋６Ｖ为逻辑１；－２～－６Ｖ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１２０Ω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。



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。



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。



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个图６　服务空压机画面累计参数；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。

参考文献：

［１］　ＳＰＰＡ－Ｔ３０００用户手册之ＯＰＣ接口手册［Ｋ］．

［２］　向晓汉，等．西门子ＰＬＣ工业通信完全精通教程［Ｍ］．北京：化

学工业出版社，２０１３，０２：１３－７５．

［３］　潘浩．基于现场总线的异步串行通信接口转换系统设计［Ｊ］．现

代电子技术，２０２０，４３（２１）：１７－２０＋２６．

［４］　肖辉勇，杨济源．基于Ｍｏｄｂｕｓ的空压机无人值守设计［Ｊ］．工业

控制计算机，２０２１，３４（１１）：３９－４０．

［５］　胡国祥．基于Ｍｏｄｂｕｓ的后台控制在空压机站的应用［Ｊ］．冶金动力，２０１８，（０１）：５９－６１．

作者简介：冯新强（１９８９－），男，河北邯郸人，工程师，硕士，研究方向为火电厂热工设备检修维护。Ｅ－ｍａｉｌ：４１５２６３０３３＠ｑｑ．ｃｏｍ

不错很好的网络布局！