多種通訊方式在多金屬選礦廠膠帶運輸機上的應用

黃 波

(云南華聯鋅銦股份有限公司)

由于膠帶運輸機的距離比較長，要實現機頭、機尾、操作室以及DCS中控室能夠集散控制，如果采用硬接線就要增加許多PLC模塊和DCS模塊，并且不能實現設備數據的共享，設備編程也比較繁瑣不集中，要對每個部位的PLC進行單獨編程。因此選用Porfibus-DP和Modbus兩種通訊總線結合的通訊方式，將各部位的控制器和儀表作為總線上的主站或從站，只要將各個從站中的I/O點在主站中進行讀寫，就能在主站中編程對從站進行控制，這樣不但節省了大量的控制電纜和控制器模塊，降低了故障點，維護人員查找故障比較方便，系統程序的修改方便集中，并且實現了整個控制系統設備數據的共享，上下工序中一些儀表的數據，可以通過DCS系統的Modbus總線，傳送給膠帶運輸機控制系統進行連鎖控制，同時避免了對儀表的重復投資和安裝。

1 設備背景及參數

云南華聯鋅銦股份有限公司是文山州集采礦、選礦、冶煉為一體的大型國有控股企業，經過對公司礦山露天境界內保有的表內礦、境界外可供地下開采回收利用的表內礦，經濟合理性分析以及采選生產格局等方面的綜合研究，最終確定新建新田選礦廠。選礦廠生產規模為8000 t/d，設計服務年限為20 a，主要產品有鋅精礦、銅精礦、鐵精礦、硫精礦、錫精礦、錫石富中礦。其中，長距離膠帶運輸機擔負著整個選廠的礦石供應，為整個選廠的咽喉，其重要程度顯而易見，整個膠帶運輸機水平長度為1932.8 m、垂直高度為368.7 m、膠帶機傾角為 10.8°、設計運輸量為540 t/h、膠帶運行速度為3.87 m/s，采用2臺西門子G150690 V 710 kW的變頻器驅動2臺690 V 630 kW的電機。

2 控制及網絡系統的構成

整個控制系統由主站中央控制部分、從站機尾控制部分、從站機頭控制部分、從站數據處理部分、I/O控制部分組成。通訊網絡部分是由Profibus DP和Modbus 2種總線網絡構成，Profibus DP是以S7-300 PLC為主站，機尾S7-200 PLC作為3#DP從站，機頭S7-200 PLC作為4#DP從站，數據處理站S7-200 PLC作為5#DP從站。Modbus分為2個網絡，其一是以機頭S7-200 PLC作為主站，模擬量采集模塊作為從站進行溫度采集，其二是以艾默生DCS為主站，數據處理S7-200 PLC作為從站進行數據交換?？刂葡到y構架見圖1。

2.1 中央控制站

中央控制站由S7-300 PLC控制柜組成，安放在機頭操作室內。硬件組態由電源模塊PS 3075A(6ES7307-1EA00-0AA0)、CPU模塊 CPU 313C-2 DP(6ES7313-6CF03-0AB0)、數字量輸入輸出模塊(6ES7323-1BL00-0AA0)、模擬量輸入模塊(6ES7331-1KF02-0AB0)、模擬量輸出模塊(6ES7332-5HB01-0AB0)構成，觸摸屏采用易控SA-12.1A進行編程，對整個系統進行監控。

軟件組態由組織塊 OB1、診斷中斷組織塊OB82、I/O 訪問錯誤組織塊 OB122、功能 FC3、FC4、FC5、FC10、FC11、FC15、FC16，數據塊 DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7 構成。

圖1 控制系統構架

網絡組態由CPU 313C-2DP作為Profibus DP主站［1］，波特率設置為19.2Kbps，地址為2。機尾從站地址為3，偏移地址為1500，對應主站內的輸入、輸出地址從256～271。機頭從站地址為4，偏移地址為2000，對應主站內的輸入地址從288～319、輸出地址從292～323。數據處理站地址為5，偏移地址為1000，對應主站內的輸入地址從320～383、輸出地址從324～387。

為了方便通訊數據間的傳輸，采用DB1數據塊作為機尾3#站數據讀取的存儲塊，即將PIW256-271中的數據存入DB1數據塊中;DB2數據塊作為機尾3#站數據寫入的存儲塊，即將PQW256-271中的數據存入DB2數據塊中。

采用DB3數據塊作為機頭4#站數據讀取的存儲塊，即將PIW288-319中的數據存入DB3數據塊中;DB4數據塊作為機頭4#站數據寫入的存儲塊;即將PQW292-323中的數據存入DB4數據塊中。

采用DB5數據塊作為數據處理5#站數據讀取的存儲塊，即將PIW320-383中的數據存入DB5數據塊中;DB6數據塊作為數據處理5#站數據寫入的存儲塊，即將PQW324-387中的數據存入DB6數據塊中，存儲過程見圖2。

圖2 存儲過程

2.2 機尾控制站

機尾控制站位于長距離膠帶的尾部，距離機頭操作室有1900多m，主要實現在皮帶機機尾對設備進行啟停、工藝參數和設備狀態進行實時監控。機尾控制站的硬件主要是由西門子224CPU和EM277 Profibus DP模塊加上維控的LEVI 777T觸摸屏構成子站監控系統。由于距離較遠一般數據線無法實現主從站之間的連接，因此采用一對型號為UT-277SM的485轉光纖的收發器加上光纖進行數據的通訊。

該子站的 Profibus DP地址為3，偏移地址為1500，為8字輸入8字輸出類型。即主站寫入子站的數據在VW1500-VW1514的8個字中，主站讀取子站的數據在VW1516-VW1530的8個字中，這樣就實現了主從站之間的數據交換，子站配置見圖3。

2.3 機頭控制站

機頭控制站位于皮帶機機頭在操作室附近，主要實現在皮帶機機頭對設備進行啟停和工藝參數和設備狀態進行實時監控。機頭控制站的硬件主要由西門子224XP CPU和EM277 Profibus DP模塊、SBWZ溫度變送器模塊、420MA-IN12電流采集模塊加上易控SK-043AE的觸摸屏、構成子站監控系統，電機溫度通過熱電阻連接到溫度變送器，再將溫度變送器的電流信號連接到電流采集模塊，完成電機溫度采集的硬件連接。

機頭控制站即作為Profibus DP的子站與主站之間進行數據交換，該子站的Profibus DP地址為4，偏移地址為2000，為16字輸入16字輸出類型。即主站寫入子站的數據在VW2000-VW2030的16個字中，主站讀取子站的數據在VW2032-VW2062的16個字中，這樣就實現了主從站之間的數據交換。

圖3 子站配置

它又作為電流采集模塊的Modbus主站［2］，對2臺電機的10個溫度信號進行實時采集。電流采集模塊作為從站，它的從站地址為1，波特率為9600 Kbps，無校驗，數據位為8，停止位為1，信號起始地址為40301每一個信號占用一個字。因此在PLC中插入Modbus主站模塊設置好與從站相應的通信參數，將從 40301中讀出的10個字傳送到以VW1000開始的10個字中，這樣完成兩臺電機溫度信號的讀取，通訊程序見圖4。

圖4 通訊程序

2.4 數據處理站

數據處理站位于操作室控制箱內，主要是讀寫主站內的所用工藝數據，并將這些數據發送給DCS控制系統，并且接收DCS系統的數據對主站進行控制。數據處理站的硬件主要由西門子224XP CPU和EM277 Profibus DP模塊構成。

數據處理站作為Profibus DP的子站地址為5，偏移地址為1000，為32字輸入32字輸出類型。即主站寫入子站的數據在VW1000-VW1062的32個字中，主站讀取子站的數據在VW1064-VW1126的32個字中，這樣就實現了主從站之間的數據交換。

數據處理站又作為Modbus從站，在PLC中插入Modbus從站模塊，模式設置為1，地址設置為10，波特率設置為9600 Kbps，無校驗，數據位為8，停止位為1，Modbus 40001的起始地址從VW1000開始，由于此子站的Profibus DP的起始地址與Modbus的起始地址都定義為VB1000，因此對此地址內的所有操作都是對應2種通訊內的參數變化，通訊程序見圖5。

圖5 通訊程序

2.5 Modbus DCS 主站

艾默生DCS系統位于選礦廠的中央控制室，距離長距離膠帶有800多m，主要是對長距離膠帶進行遠程監控，由DCS串口通訊卡和一對型號為UT-277SM的485轉光纖的收發器加上光纖實現Modbus主站數據通訊。

硬件設置上通過在串口卡內設置相應的數字量輸入、輸出塊和模擬量輸入、輸出塊，并設置與子站相同的數據類型、波特率、奇偶校驗、停止位、子站地址，這樣才能實現與子站的通訊，最后進行相應的程序設計以便實現主站與子站的數據交換。

2.6 I/O控制部分

通過主站S7-300 PLC的I/O點，對2臺西門子訂貨號為1P 6SL3351-1AG37-4DA1的G150變頻器進行控制，從而帶動2臺電動機。2臺電動機要同時對一條皮帶進行驅動，但不能進行單獨傳動各出各的力，必須要使用主從控制，1臺變頻器作為主機，另1臺變頻器作為從機，從機接受主機的轉矩信號進行傳動。

3 結語

通過以上各個子站和主站的連接構成了整個膠帶運輸機的控制系統和總線網絡，該系統有機地結合了Profibus和Modbus 2種總線網絡，實現了整個控制系統數據的共享，程序的可擴展性較強，對子站的控制可直接在主站中進行程序修改就可實現，節約了大量的硬件費用，確保了控制系統的穩定性和可靠性。在提高生產效率、減少現場操作人員、提高安全性等方面取得了良好的效果。

［1］ 向曉汗，陸 彬.西門子PLC高級應用實例精解［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］ 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術［M］.3版.北京:機械工業出版社，2011.