MODBUS技術實現

1、Modbus tour 2005.10MODBUS技術實現技術實現 西安航天自動化股份有限公司 何軍紅Modbus tour 2005.10西安航天自動化股份有限公司簡介公司概況及在自動化系統(tǒng)集成方面的業(yè)績同施耐德公司合作發(fā)展過程及應用MODBUS技術的情況 MODBUS技術技術特點及應用發(fā)展趨勢 MODBUS技術大型工程應用實例廣西巖灘/高壩洲升船機應用湖北高壩洲升船機應用Modbus tour 2005.10西安航天自動化股份有限公司簡介 公司概況及在自動化系統(tǒng)集成方面的業(yè)績 西安航天自動化股份有限公司是以西安長峰科技產業(yè)集團公司(中國航天科工集團二一零研究所)為基礎，于2000年3月份實

2、現股份制改制成立的國家級高科技企業(yè)，位于西安高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)電子園，注冊資本5324.11萬元。 西安航天依靠“系統(tǒng)工程、可靠性、自動控制和機電一體化”四大技術優(yōu)勢，以工程和產品為載體，形成了“自動控制系統(tǒng)和機電一體化產品”兩大產業(yè)格局，具有成功研制生產1200多項工程和產品的業(yè)績基礎，其中包括泰國巴帕南水閘工程控制系統(tǒng)、三峽工程升船機可靠性分析和五級船閘集中控制系統(tǒng)方案研究、巖灘水電站升船機電力拖動與系統(tǒng)監(jiān)控、長治市辛安引水二期擴建改造工程儀表控制通訊調度及工業(yè)電視系統(tǒng)、黃河小浪底水利樞紐工程公用設備及網絡控制系統(tǒng)等國內外大中型工程項目。工程業(yè)績遍及國內三十一個省、市、自治區(qū)，并進入泰國、

3、蘇丹、老撾、毛里求斯、馬來西亞、巴基斯坦、伊朗、敘利亞、等國家和地區(qū)的大型工程技術市場。Modbus tour 2005.10同施耐德公司合作發(fā)展過程及應用MODBUS技術的情況公司前身從1984年“軍轉民”開始從事工業(yè)自動化和機電一體化設備研制開發(fā)。1987年公司完成了電力系統(tǒng)的第一個輸煤程控系統(tǒng)項目：石橫電廠輸煤程控系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用MODICON584A，1000多個I/O控制點。1991年我們在吳涇電廠的輸煤程控系統(tǒng)中采用MODICON984A，1500多個I/O控制點。并逐步在其它行業(yè)工程項目中引進使用MODICON984-680、MODICON984-685、MODICON984-

4、785 PLC系統(tǒng)，包括熱備系統(tǒng)應用。1996年開始應用MODICON-QUANTUM系列PLC系統(tǒng)。目前我們在火力發(fā)電廠輔機自動化系統(tǒng)、水電站輔機自動化控制系統(tǒng)、過壩通航升船機控制系統(tǒng)、城市污水、供水儀表及控制系統(tǒng)、煤炭、化工自動化控制系統(tǒng)中，累計超過200多項工程項目中采用MODICON系列PLC控制系統(tǒng)。通過20多年的長期友好合作，施耐德公司的自動化系統(tǒng)設備和MODBUS網絡技術為我們提供了強有力的技術保障，我們也不斷在大型工程項目中應用施耐德公司推出的新技術和產品。 Modbus tour 2005.10PLC control在工程應用中，目前我們主要應用的網絡有：Modbus、Mod

5、bus Plus、Modbus TCP/IP工業(yè)以太網。 ModbusModbus協(xié)議1978年由Modicon公司開發(fā)出來，現已成為工業(yè)領域全球最流行的協(xié)議。Modbus協(xié)議為應用層報文傳輸協(xié)議，僅定義了通訊消息結構，一個Modbus信息楨包括從機地址、功能碼、數據區(qū)和數據校驗碼?？墒褂肦S232、RS422和RS485端口，可以使用光纖、無線等媒質實現通訊，廣泛應用在智能設備之間進行主、從方式通訊。Modbus協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它制定了消息域格局和內容的公共格式。當在一Modbus網絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的

6、設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網絡上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。 MODBUS技術特點及應用發(fā)展趨勢Modbus tour 2005.10Modbus PlusModbus Plus是一種典型的令牌環(huán)網，完整定義了通訊協(xié)議、網絡結構、連接電纜（或者光纜）等方面的性能指標。網絡中的設備通過“令牌”的方式實現數據的交換，嚴格定義了令牌的傳遞方式，數據校驗以及通訊端口等方面的技術參數。Modbus plus總線

7、協(xié)議是一種異步半雙工通訊的對等網絡協(xié)議，物理接口為RS485，通訊介質采用屏蔽雙絞線或光纖。在鏈路層，Modbus plus采用IEEE802.2邏輯鏈路控制協(xié)議和IEEE802.4令牌總線媒體訪問控制協(xié)議。在應用層，Modbus plus采用Modbus的通訊協(xié)議，主要包括寄存器讀寫、開關量I/O等命令。Modbus協(xié)議在Modbus plus網絡中使用時，要將傳遞的信息的內容進行相應的封裝，封裝格式有兩種ASCII和RTU。Modbus plus可以采用雙電纜結構，允許Modbus plus在兩條獨立的電纜上通訊，實現網絡通訊線路的冗余備份，適合高可靠性的應用場合。Modbus tour

8、2005.10Modbus TCP/IP由于Modbus主機/從機通信機理能很好地滿足確定性的要求，非常適合以太網中的客戶機/服務器的通信機理。1996年施耐德公司推出了基于以太網TCP/IP的Modbus協(xié)議，即為Modbus TCP/IP協(xié)議，在工業(yè)自動化領域中，具有很高的性能價格比，是一種真正開放的解決方案。目前已經是世界上最主要的工業(yè)以太網協(xié)議。施耐德公司的“透明工廠”就是基于Modbus TCP/IP技術。目前Modbus TCP/IP已作為現場總線使用，在PLC設備中也內置網頁服務器，使以太網的遠程I/O設備具備了在網上瀏覽該遠程I/O狀態(tài)的功能。在設備層、控制層和信息層中都可以采

9、用Modbus TCP/IP技術，能在監(jiān)控室或遠程瀏覽連接到網絡的所有設備和智能傳感器。由于以太網已得到廣泛地應用，技術成熟，設備成本低，使系統(tǒng)具有可延伸性、靈活性和高性能價格比等特點。Modbus tour 2005.10 ModbusModbus技術大型工程應用實例技術大型工程應用實例我們在工程項目應用Modbus技術，經歷了從Modbus、Modbus Plus、Modbus TCP/IP的發(fā)展過程。巖灘升船機（1996-2000年）巖灘升船機采用Modbus Plus雙纜冗余現地網絡通訊技術。 Modbus tour 2005.10巖灘升船機為鋼絲繩卷揚部分平衡垂直升船機，為適應下游水

10、位變幅大和變率大的特點，采用承船廂在下游入水運行方式。升船機布置在樞紐左岸，由上下游引航道及編隊碼頭、擋水壩段、通航明渠、上下閘首、塔柱、主機房和中控室等主要建筑物和主機、承船廂、平衡重、上下閘首啟閉機、電氣傳動、計算機監(jiān)控、液壓傳動、檢測與監(jiān)視、交通指揮等主要機電設備組成。升船機設計最大通航船舶250250t t鐵駁，型長3737m m、型寬9 9m m、滿載吃水深1.271.27m m。設計年貨運4t t，其中下4t t、上航404010104 4t t。上游最高通航水位223223m m，最低通航水位212212m m。下游最高通航水位

11、162.5162.5m m，最低通航水位154.5154.5m m。通航凈空8.38.3。升船機最大提升高度68.568.5m m，空中升降速度11.411.4m/minm/min，升降加速度 0.10.1m/sm/s2 2。主機設在240.6240.6m m高程的主機房內，由4 4套卷揚機構與4 4套滑輪組組成。卷揚機構通過剛性同步軸聯成環(huán)形封閉同步系統(tǒng)。卷筒直徑 32003200mmmm，承船廂的吊點數6464個。承船廂系梁格體系薄壁凹槽型鋼結構，兩端各設有臥倒式鋼閘門。承船廂外形尺寸48.548.5m m16.2m16.2m4.4m4.4m，有效水域4040m m10.8m10.8m，額

12、定水深1.81.8 0.10.1m m，承船廂載水總重量14301430t t。 Modbus tour 2005.10承船廂液壓調平均衡系統(tǒng)采用高性能比例閥和進口液壓油缸，每套比例閥控制12套油缸，可進行靜態(tài)或動態(tài)調平，調平精度可達35mm。電氣傳動系統(tǒng)采用4臺單機容量339KW進口直流電動機和一個速度外環(huán)帶四個電流內環(huán)的傳動方式，實現傳動出力均衡調節(jié)，自動適應因承船廂出入水運行而產生的大范圍負載變化，保證承船廂運行平穩(wěn)。計算機監(jiān)控采用分層分布式，主控級與現地子站級高速串行數據總線互連，構成冗余雙重LAN局網，監(jiān)控快捷可靠，可提供遠程訪問，運行狀態(tài)顯示，故障及事故報警、顯示、記錄、應急保護等

13、。本項目投資1億多元。計算機控制系統(tǒng)、電氣傳動系統(tǒng)及液壓調平系統(tǒng)4000多萬元，由我單位負責設計、制造、安裝、調試總承包。本項目含中央控制系統(tǒng)、現地子站、電氣拖動、液壓調平系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視、廣播對講、交通指揮系統(tǒng)等。本項目1997年10月完成制造和工廠檢驗、測試及驗收；1999年12月完成現場設備安裝調試，并正式通航運行；2000年5月25日通過竣工驗收；2000年11月17日通過由潘家錚兩院士主持的國家級鑒定。本工程項目為國內國際第一個全自動鋼絲繩卷揚垂直入水式升船系統(tǒng)，250t級，船舶過壩過程僅需20分鐘。 Modbus tour 2005.10控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成整個控制

14、系統(tǒng)由主控級與上閘首控制子站、主提升機控制子站、承船箱控制子站和下閘首控制子站組成兩級分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，另外還設有檢測系統(tǒng)、電氣傳動系統(tǒng)、船廂液壓調平與均衡系統(tǒng)、交通指揮系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)、有線對講系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和儀器儀表設備。 Modbus tour 2005.10控制系統(tǒng)功能控制系統(tǒng)功能主控級主控級 設置在中央控制室，配有操作員站、工程師站、多媒體站和模擬屏站，是指揮管理中心，負責對全系統(tǒng)的監(jiān)視和上位級別的控制（按控制邏輯向各子系統(tǒng)發(fā)布各種宏觀命令）；負責系統(tǒng)運行，管理數據資料的存儲和報表生成；負責各種信息和數據的報警、提示及事故記錄處理；為系統(tǒng)運行規(guī)律的優(yōu)化設計

15、提供條件，并負責各種定值參數的修改和監(jiān)控軟件的組織與修改。大型動態(tài)模擬屏可實時顯示船廂上、下行的全過程及顯示各種運行參數。主提升機控制子站主提升機控制子站 是升船機控制系統(tǒng)的關鍵系統(tǒng)之一，是集計算機控制、信號檢測、網絡通訊、電氣傳動、液壓傳動和直流調速等為一體的綜合計算機監(jiān)控系統(tǒng)。包括4套用于主提升拖動的全數字調速系統(tǒng)（包括4臺339kW電機）及4套工作制動器、48套安全制動器和8套潤滑站的控制。完成承船廂的提升、下降及準確制動、停位控制。承船廂控制子站承船廂控制子站 是升船機控制系統(tǒng)的關鍵系統(tǒng)之一，是集計算機控制、信號檢測、網絡通訊、液壓控制于一體的綜合計算機監(jiān)控系統(tǒng)。采用計算機監(jiān)控為主、手

16、動控制為輔的控制方式，用于升船機承船廂液壓調平與均衡系統(tǒng)、船廂定緊裝置、夾緊裝置、臥倒門以及液壓泵站等裝置參數的檢測于控制。上閘首控制子站上閘首控制子站 由工作閘門控制單元與防撞梁控制單元、配電及交通指揮現地控制單元、臥倒門密封框及充泄水現地控制等部分組成，既能獨立完成相關設備的控制、狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)保護和報警功能，又能在中控室上位機指揮下達協(xié)調工作，完成對上閘首的各項檢測任務。下閘首控制子站下閘首控制子站 由下閘首PLC子站、檢測元件、執(zhí)行機構和通訊網絡等部分組成，是一個相對獨立的小型控制系統(tǒng)。為便于集中管理，下閘首交通指揮系統(tǒng)將各交通指揮信號燈、邊界燈、中心燈現地手動集中設置在該控制子站 M

17、odbus tour 2005.10 控制系統(tǒng)特點控制系統(tǒng)特點分層分布式集散控制系統(tǒng)結構基于WINDOWS/NT的視窗控制技術雙機熱備用操作員站雙纜雙以太網冗余通訊Modbus Plus雙纜冗余現地網絡通訊采用Modicon Quantum系列數字化PLC冗余控制技術PLC子站設置PanelMate可視控制盤，人機功能非常強大完備的自動、軟手動、硬手動控制方式保證系統(tǒng)全天候安全運行采用全數字直流調速系統(tǒng)，各主提升電機同步運行，轉矩差小于當時平均轉矩的3%船廂動態(tài)調平，部分調平精度5mm采用PID閉環(huán)控制技術使液壓啟閉機的不同步誤差小于3mm Modbus tour 2005.101 船舶駛入船

18、廂池 3 承船廂載船向上運行2 船舶進入船廂池 4 承船廂與上閘首對接該項目2000年通過國家級鑒定，達到國際先進技術水平。 Modbus tour 2005.10MB+ 雙網冗雙網冗余余1MODBUS PLUS上閘首LCU承船廂LCU下閘首LCU主提升LCU廣西巖灘水電站升船機電氣控制系統(tǒng)網絡結構圖10M以太以太網網操作系統(tǒng)：Windows NT4.0 S e r v e r 上 位 組 態(tài) 軟 件 ：Intouch7.0多媒體工作站服務器工程師工作站操作員站熱備Modbus tour 2005.10 湖北高壩洲升船機（湖北高壩洲升船機（20012001年年- -至今）至今）高壩洲升船機采用

19、高壩洲升船機采用Modbus TCP雙環(huán)網控制網絡技術。雙環(huán)網控制網絡技術。高高壩洲水利樞紐通航建筑物為一級垂直升船機，升船機建筑物從上游至下游依次布置有:上游編解錨地、上游引航道（在引航道內左側設有浮式導航堤）、上閘首、垂直升船機主體、下閘首、下游引航道、下游編解錨地等建筑物。升船機采用鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式。船舶過壩時，通過上、下閘首駛入裝有水的鋼質承船廂內。承船廂由多根鋼絲繩懸吊，通過設于承重塔柱頂部機房內的提升主機驅動，使之沿承重塔柱導軌垂直升降運行，運送船只過壩。 升升船機主體設備由提升主機、承船廂、平衡重系統(tǒng)及其它輔助設備組成。提升主機布置在塔柱頂部的主機房內，機房地面高程90

20、.0m。提升主機包括4套雙卷筒卷揚提升機構和8套平衡滑輪組，每套提升機構各由一臺75kW 的交流電機驅動，4套提升機構間通過機械同步軸聯接，形成封閉的同步軸系統(tǒng)。每個卷筒上繞有6根56mm的鋼絲繩，其中3根提升繩通過液壓均衡油缸與船廂連接，另3根反向纏繞的轉矩平衡繩與轉矩平衡重相連。每套提升機構的兩側對稱布置2組平衡滑輪組，每個滑輪組有4片滑輪，繞過滑輪的重力平衡繩兩端分別與船廂和重力平衡重相連。卷筒、滑輪的名義直徑均為3.5m。提升主機的額定提升力1600kN，最大提升高度40.3m。主機房內設有一臺 630kN/2100kN的雙向檢修橋機，供主機安裝、檢修使用。 升升船機提升主機有4個驅動單元，每個驅動單元由一臺交流電動機驅動， 每臺電動機配置一套交流變頻傳動裝置。交流變頻傳動裝置布置在位于提升主機機房右側的主電室。 Modbus tour 2005.10承承船廂為鋼質槽形結構，由56根鋼絲繩懸吊，并通過提升主機驅動，在升船機室內沿塔柱上下運行。其有效水域42.0m10.2m1.7m（長寬水深），外形尺寸50.0m1