基于Modbus的车间空气调节系统电控设计与实现

2022-09-16

某传感器生产车间要求采用屋顶送风方式, 具备手动/自动风量调节功能, 夏季主要采用手动方式控制风机转速和风量;在冬季利用取暖水加热室外进气, 并能够根据室温自动调节风机转速。具备设备故障和温度报警功能。

1 确定方案

Modbus总线技术支持RS485接口标准, 抗干扰能力强, 通信距离远, 一个主站可以在50米范围内挂接31个从站, 通过使用中继器可以使通信距离扩大到数百米以上, 具有很好的性价比。虽然采用以西门子S7-300 (如S7-315-2DP) 为主站的Profibus-DP网络性能稳定可靠, 但是价格较贵, 而且本系统功能并不复杂, 因此选用Modbus网络实现系统控制。以西门子S7-200为Modbus主站, 负责整个系统控制, 开关量/模拟量混合模块作为Modbus从站, 进行模拟量、开关量数据采集和风机驱动。触摸屏连接主站PLC, 作为人机界面监视和控制系统的运行。温度传感器 (Pt100) 安装在热交换器的出水口, 当其温度降低到一定值, 关闭新风阀, 起到供暖管道的保护作用。

设备选择:

1.1 风机选择:

根据计算选择4台2.5KW高大空间空气调节风机 (车间顶棚悬挂) , 安装有空气过滤装置和热交换器, 风机结构如图1所示。风机的新风阀和混合阀仅具有开关功能, 不能调节开度。风机出风口安装有风感调节装置, 使进气分布均匀, 提高效率。

1.2 电气部分:

采用西门子S7-224XP可编程控制器作为控制主机, 西门子Smart 700IE触摸屏作为监控主机, 用于系统状态数据、报警信息显示和控制接口。德阳力创的开关量/模拟量混合模块LM1516 (8开关量输入、8继电器输出, 2路Pt100输入, RS485接口, 支持Modbus-RTU协议) 用于风机控制和室温测量。风机转速控制采用3KW西门子MM440变频器, 使用固定频率实现风机多档速度控制。

控制系统组成:包括主控制箱1台 (带触摸屏) 、风机控制箱4台、室温测量盒1台, 主控制箱与最远的风机控制箱布线距离48米, 不需要安装中继器。

2 硬件组态

使用Profibus-DP通信电缆连接主站与各个从站, 通讯线与与电源线分别穿金属管走线。主站、从站接线示意图如图2、图3所示, 其中, 室温测量从站只具有温度测量功能。风机转速由变频器的固定频率控制方式实现三速运行。

变频器设置:频率源设定为固定频率 (参数P1000=3) , 端子7设定为启动信号 (参数P0703=1) , 端子5、6设定为频率给定 (参数P0701、P0702=17) , 端子5、6分别接通以及同时接通即可实现三个固定频率 (参数P1001、P1002、P1003设置) , 斜坡上升/下降时间设定为5S (参数P1120、P1121) , 变频器输出继电器1设置为报警 (参数P0731=52.7) 。其他参数设置如电动机参数等在此不做叙述。

3 软件组态

3.1 触摸屏组态

组态软件使用WINCC Flexible 2008, 计算机网卡与触摸屏的以太网接口连接实现组态, 要求网卡与以太网接口的IP地址在一个网段, 如分别设定为192.168.0.1和192.168.0.10, 网卡地址在计算机网络属性当中设置, 以太网地址在组态软件的传输设置当中设置。触摸屏的RS422/485接口连接PLC的Port0, 实现实时监控, 两个接口的地址和波特率要一致, 分别由组态软件和PLC编程软件STEP7 Micro/win设置, 本例中设定为2和187.5Kbps。触摸屏组态画面主要有自动运行监控和手动运行监控等多个窗口, 其中的两个组态画面如图4、图5所示。

报警窗口包括两部分:离散量报警有主站通信状态、从站通信状态、新风阀/混合阀异常、变频器报警等, 模拟量报警有从站热交换器出水温度过低等。报警指示灯主要指示主站从站通信状态。

3.2 PLC软件设计

编程软件使用STEP7 Micro/win4.0, S7-224XP的Port1设置为Modbus主站, 站号为2, 波特率为9.6Kbps, 由编程软件设置。从站站号分别为3-7, 波特率为9.6Kbps, 由从站模块的拨码开关设置。主站对从站的读写操作使用Modbus协议库功能调用来实现, 本系统将S7-224XP的Port1通信接口作为主站, 用户可以使用主站初始化 (MBUS_CTRL_P1) 、从站读/写 (MBUS_MSG_P1) 两个功能调用, 使用方便。每个读写循环包括连续读取5个从站和依次写一个从站, 当对于从站的控制指令没有变化, 写操作不执行, 以提高保持寄存器使用寿命。从站的两个温度采样值和开关量输入分别保存在保持寄存器40001、40002和40003低8位, 由主站一次读取。从站的继电器输出保存在保持寄存器40003高8位, 由主站一次写入。自动运行方式下, 设置系统停机自动关闭新风阀功能, 保护管道和热交换器。系统控制程序流程如图6所示。