压缩机远程监控系统的设计与研究

基于Modbus协议压缩机远程监控系统的设计

1引言

南昌铁路局向塘编组站的空气压缩机组是为货车编组的电空转辙机设备和减缓溜放速度设备提供一定压力的气源的关键设备，空气压缩机工作的可靠性和安全性，直接影响到编组站的编组任务和货物的运输效率，所以空气压缩机是整个编组站的核心设备。向塘编组站共有四台由无锡阿特拉斯·科普柯压缩机有限公司生产GA55P-3型号的压缩机，组成一个供气网络，使得整个供气的气压维持在为0.75Mpa～0.8Mpa的卸载压力和0.4Mpa～0.53Mpa的加载压力。其控制核心采用的是ELEKTRONIKON MkIV控制器，本身带有通讯接口，但是，四台空气压缩机没有实现远程监控系统，仅仅实现了就地设备联机。随着生产管理远程技术的不断发展，现有的参数监控不能够满足生产的要求，根据生产需求，要求实现远程监控系统，提高生产自动化程度，同时能够进行远程数据参数设定，报警控制，采用上位机的报警，实现远程操作与管理功能，同时对两路供电系统进行监控。本文是基于该远程监控系统的实现而产生的，其中文章介绍了Modbus协议，监控系统的结构组成和采用Modbus协议来实现监控对象数据的通讯方式，该远程监控系统实现了空气压缩机组的智能化控制，使得空气压缩机组运行更可靠安全。

2 Modbus协议

Modbus协议是Modicon公司开发的一种工业通信和分布式控制系统协议。主要是应用于工业设备通讯和分布式控制系统，是一种异步半双工通讯的对等网络协议，其物理接口采用RS485方式。通讯协议、控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通讯，目前已经成为一种工业通用的标准。不同的控制设备可以连接成工业网络，进行集中监控和控制.[1]

Modbus网络属于一种主从网络，允许一个主机和一个或多个从机通信。它采用命令/应答方式，每种命令报文都对应着一种应答报文。命令报文由主机发出，当从机收到发给自己的报文后，就发出相应的应答报文进行响应。网络中的每个从机都必须分配给一个唯一的地址，主机发出的命令中含有要求访问的从机地址，只有具有该地址的从机才会对该命令响应。

在Modbus协议中使用RTU和ASCII两种传输模式。RTU模式的传输格式是8个数据位，2个停止位，没有奇偶校验位。RTU接收设备依靠接收字符间经过的时间判断一帧的开始，如果经过3个半的字符时间后仍然没有新的字符或者没有完成帧，接收设备就会放弃该帧，并设下一个字符为新一帧的开始。在RTU模式中，1字节的信息作为一个8位字符被发送；而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送。如“08”发送时，采用RTU模式时为“00001000”，然而采用了ASCII模式则成为“00110000”+“000111000“(ASCII字符的“0”和“8”)。因此，发送同样的数据时，RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍，一般采用RTU模式。 3.监控系统的功能与作用

空压机集中监控系统的目的在于解决空压机运行参数的不稳定性及压风机房操作、运行和管理效率低下，浪费人力、物力的问题，加快信息传递、交换和处理速度，保证监控系统的安全性和可靠性，提高控制系统的自动化、智能化和人性化水平。远程监控系统实现的主要功能：提高空压机供电系统的可靠性，并且显示两路供电系统的工作状态；监控人员在主控室可以对四台空压机设备进行远程启动和停止控制；对每台空压机的温度可进行远程测量，并设定报警温度；对供气压力进行实时监测，实现供气压力欠压和过压报警；可以远程设定供气压力参数，且参数可以在线进行修正；实现各种故障情况下的报警和正常运行的工作报表。

4.监控系统结构与实现

GA55P-3型号的压缩机控制核心采用的是ELEKTRONIKON MkIV控制器，该控制可以采用本地控制方式也可以采用网络或者Modbus协议来实现远程控制，但实现这种控制方式，配置专用的网络模块服务器Atlas Copco’s Modbus-Proxy Server，作为交换机，工作面控制机作为上位机，PLC作为从机的控制器。通过Modbus协议来实现多台控制压缩机的远程监控系统，其系统结构图如1所示。对于每台ELEKTRONIKON MkIV控制器的空压机都有其唯一的节点地址，通过Modbus协议可以实现系统的远程监控功能。

PLC采用FX2N-48ER系列，具体参数选择如下章，监控系统对这个空压机运行状态及两路供电情况进行监测和控制，系统集通信、控制、报警于一身。系统的监控原理如图1所。

图1 远程监控系统结构图

4.1地址的分配

Modbus是一个请求应答协议，并且提供功能码规定的服务。当在Modbus网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus 协议发出。控制器能设置为两种传输模式(ASCII或RTU)中的任何一种，在标准的Modbus网络中进行通信,采用Modbus协议的RTU传输模式来实现在较短的时间内尽可能多数据传输量。[2] ELEKTRONIKON MkIV控制器采用RS485接口。其端口引脚分配为如表1所示：

表1 ELEKTRONIKON MkIV控制器地址的分配接口

引脚号码 实现功能 1 GND 2 Reserved 3 TxD/RxD + 4 RTS 5 GND* 6 +5V* 7 Reserved 8 TxD/RxD - 9 Reserved

4.2 传输模式

MODBUS通信协议的某些特性是固定的，如帧格式、帧顺序、通信错误、执行任务功能；其他特性是用户可选的，如传输介质、波特率、字符奇偶校验、停止位个数及传输模式，数据信息传输为RTU模式的帧格式如表2所示：

表2 MODBUS 通信协的议帧格式 起始位码 终端设备地址 数据信息内容 CRC校验 结束位码 T1 T2 T3 ADDRESS 8 bit 8 bit 16bit CRC T1 T2 T3 其中，T1 T2 T3 不代表数据，仅表示3个字符的传输时间，用于保持帧同步. 若接收数据的时间间隔超过3个字符传输时间，则认为随后接收的数据为地址字段；地址字段为从机地址，数据字长为8位二进制数；数据字段内包含从机执行某类任务的功能代码、地址参数或数据信息，数据字长与功能代码有关；通信线路受到干扰时可能会造成数据传输出错，为减少传输错误，可采用适当编码来检错。MODBUS通信协议对错误数据的处理方法为：若信息数据错误（如从机地址非法、冗余校验出错），此类错误属于通信出错，报文被认为不可靠，从机不对此作出应答；若功能字段非法或数据地址非法而校验正确，此类错误属于人 为操作错误，从机对此报文回发出错应答信息。[3]

4.3 通讯的实现

Modbus协议通讯时主机首先向从机发送通讯请求命令字符串，从机接收到命令字符串后，根据命令字符串中的命令码向主机作出相应的回答，完成一次通讯，整个的网络通讯都是由主机进行调度。Modbus

功能码说明如表3所示。

表3 Modbus功能码说明

功能码 功能

01 读取内部数字量保持线圈状态 02 读取外部输人数字量线圈、继电器状态 03 读取内部模拟量保持存储器内容 04 读取外部输人模拟量存储器内容 05 设置单一内部数字量保持线圈状态 06 设置单一内部模拟量保持存储器内容 07 读取内部特定线圈状态 08 通讯系统自诊测试 09—OE 无定义

0F 设置一组内部数字量保持线圈状态 10 设置一组内部模拟量保持存储器内容

以01功能码为例来实现数字量数据读取和远程操作功能的通讯过程，如表4、5所示。

表4 01功能码地址的功能设定表

地址码 功能作用 备注 0001 Stopped (=0) / Running (=1) 停车/运行 0002 Unload (=0)/ Load (=1) 卸载/加载 0003 General Warning 综合报警 0004 General Shutdown-Warning 综合故障跳机+报警 0005 General Shutdown 综合故障跳机 0006 General Service 综合保养 0007 General Start Failur 综合起动失败 0008 Emergency Stop 紧急停机 0009 Manual (=0) /Automatic (=1) 手动/自动运行 0010 Local (=0)/ Remote (=1) 本地/遥控控制

表5 部分模拟量输入地址和设定值表

地址 中文名称 报警值 跳机值 传感器量程读数 进程 0002 空气出口压力 0.75 0.78 0--1.2Mpa 0.01BAR 0004 油分离器压力 0.8 X 0.0--3.0 0.01BAR 0010 主机出口温度 100 110 -40 -- +95 1

4.4软件编程

根据上述情况，主要控制采用PLC与其本身控制器，通过组态软件编程实现空压机集中监控系统，PLC输入量主要有：系统启动、上下限温度设定开关输入、上下限压力设定开关输入、压力参数的模拟量输入、温度模拟量输入、两路电源的输入检查等；输出量主要有：空压机工作启动输出、多台空压机联机工作条件输出、两路电源工作切换控制输出、相应的报警输出等；文本显示主要是通过对工作状态即使检查而生产的记录，包括压力温度等参数。监控人员在主控室可以对四台空压机设备进行远程启动和停止控制；对每台空压机的温度可进行远程测量，并设定报警温度；对供气压力进行实时监测，实现供气压力欠压和过压报警；可以远程设定供气压力参数，且参数可以在线进行修正；实现各种故障情况下的报警和正常运行的工作报表。

工艺情况选择FX2N-48ER 共输入24；输出24点（继电器输出方式），选择FX2N-4AD，4通道A/D两块、FX2N-485-BD RS-485通讯板一块。压力传感器为0-1.5Mpa，实现对供气管道压力测量。

软件编程采用组态王6.5，通过总线把上位机与PLC进行连接，PLC通过RS485通信外，还与其它

输入和输出连接，对设备进行控制，参数设定通过上位机设定，各种运行参数文本，都保存在上位机上，可以查阅状态。编程有参数设定页面、启动运行页面、正常工作页面、日志记录页面。其中故障显示在正常工作页面，在各页面上设定有相信的操作按键。其软件编程结构如图2所示。

图2 软件编程结构图

组态王作为一个开放型的通用工业监控软件，支持工控行业中大部分国内常见的测量控制设备。用户在使用过程中无须熟悉复杂的通信协议、无须掌握太多的编程技术，只需按照规定的步骤设置相应的参数和使用其图形界面系统就可以方便地进行设备的连接、画面的开发、简单程序的编写从而完成一个远程监控系统的设计

5 结束语

该自动控制系统方案，利用Modbus协议实现了南昌铁路局向塘编组站的空气压缩机组空气压缩机监控系统中的上位工控机与GA55P-3型号的压缩机通讯模块的数据通讯，开发了空气压缩机监控系统。实现了空压机远程监控和远程数据设定报警等功能。通过数月来的运行情况表明，该系统运行可靠，维护方便，监控过程显示形象直观。在控制室内动态显示压缩机温度、气体流量、压力等现场工艺数据，完成现场工艺过程的实时趋势显示和故障报警。

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