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《焊管》2016年第12期

摘要:結合實際使用，通過Modbus協議將柴油發電機組的數據接入PLC系統，實現主要參數監控并進行報警設置，既減輕了體力勞動也可提早發現隱患。

關鍵字：Modbus;石油;柴油發電機組;監控

0引言

石油電驅動鉆機的使用開始于20世紀50年代中期，并隨著技術的發展不斷完善和成熟。電驅動就是利用交流電動機或者直流電動機驅動鉆機的機械傳動裝置，從而實現設備的運轉。其具有傳動柔和、調速特性好、經濟性好、可靠性高、噪聲小、污染少等特點，至今一直是石油鉆機驅動的主要方式。石油電驅動鉆機的動力源主要采用柴油發電機組提供，每臺柴油發電機組由柴油機、交流發電機及控制系統組成。為滿足鉆井作業供電的可靠性和經濟性，一般會配置2臺以上的柴油發電機組，通過單機或者并網運行給電氣控制系統供電。柴油發電機組是以柴油機為動力的工頻交流同步發電機，具有結構緊湊、熱效率高、占地小、啟動快、便于運輸等特點。同其它設備一樣，柴油發電機組在運行時也會出現機械或者電氣故障。故障產生必然會影響正常的供電，對生產作業造成一定的影響。近些年來隨著鉆機電氣控制系統技術的不斷發展，為了保證柴油發電機組運行的可靠性和穩定性，引入切實可靠的監控措施非常重要，這樣一旦出現故障可以及時發現并排查。本文采用S7-300PLC作為控制器，通過Modbus協議和卡特彼勒的EMCP4.2控制器進行通訊，讀取發電機組的電壓、電流、功率、軸承溫度等參數，并對主要參數進行報警設置，當達到報警值時發出報警信號提醒操作和維護人員。

1Modbus協議概述

Modbus是由Modicon(現為施耐德電氣公司的一個品牌)在1979年發明的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議。使用的是主從通訊技術，一般將主控設備方所使用的協議稱為ModbusMaster，從設備方使用的協議稱為ModbusSlave。Modbus協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備，目前許多工業設備，譬如PLC、智能儀表、DCS等都在使用Modbus協議作為它們之間的通訊標準。Modbus協議具有ASCII(美國信息交換碼)和RTU(遠程終端設備)兩種傳輸模式，并且支持RS230、RS485等電氣接口，標準的Modicon控制器使用的是RS232C的串行接口。根據Modbus通信協議，“主站-從站”和、或“從站-主站”數據交換以從站地址開始，然后是功能代碼，然后傳輸數據。數據的結構取決于使用的功能代碼，最后傳送的是CRC校驗碼。Modbus定義了4種基本數據類型和16種功能代碼。數據類型有可讀寫位數據、只讀位數據、只讀16位數據、可讀寫16位數據，這些數據分別被稱為線圈狀態、輸入狀態、輸入寄存器、保持寄存器。功能代碼也是在這4種數據的基礎上進行功能的設置。

2柴油發電機組監控系統構成及功能

監控系統采用S7-300PLC為控制器，是整個Modbus網絡中駐站，PLC系統選用支持ModbusRTU協議的CP341通訊模塊，將數據轉換成滿足Modbus協議的數據，在整個Modbus網絡中起到承上啟下的作用。對于柴油發電機組而言，是整個網絡中的從站。隨著卡特彼勒發電機組控制器的不斷升級，之前的第三代控制器如果要實現數據傳輸的通訊需要增加PL1000E通訊模塊，而第四代控制器出現后，控制器上集成有ModbusRTU通訊的接口，可以直接進行通訊。監控系統的功能主要有兩個方面：一是對電流、電壓、功率、頻率、轉速、軸承溫度等參數進行實時的檢測顯示；二是對頻率、轉速、軸承溫度、繞組溫度、燃油溫度等參數進行監控，當實時值超過設定值后發出報警提醒操作維護人員進行檢查。

3柴油發電機組監控系統實現

Modbus是主/從通信模式，整個網絡中只有一個主站，主站在網絡上沒有地址，從站的地址范圍為0～247，其中0為廣播地址，從站的實際地址范圍為1～247。在本項目中，S7-300是整個控制系統的中央控制器，在網絡中承擔主站的作用，卡特發電機組的EMCP4.3控制器是從站，二者之間通過Modbus協議進行數據的交換和實現對柴油發電機組數據的采集和監控功能。

3.1硬件及其線路

對于Modbus通訊來說，硬件比較簡單，主站采用西門子S7-300系列PLC，并在機架上安裝有CP341通訊模塊，CP341模塊需要安裝有通訊專用的dongle加密狗，以保證數據和CPU之間的交換。子站在卡特彼勒控制器上已經集成，不需要額外的硬件。硬件都滿足條件后，就需要實現硬件線路上的連接。系統中采用的是RS485的半雙工通訊方式，因此電路采用RS485雙絞線進行物理電路的連接。進行硬件電路連接時要注意如下三點：1）連接駐站和從站的電纜采用LIYCY3*2*0.14R(A)/R(B)或者T(A)/T(B)類型的雙絞線；2）各站點必須安裝外殼屏蔽；3）網絡上的兩端最后一個接收器的連接器上要焊接一個330Ω的終端電阻。

3.2主、子站設置及程序功能

為保證軟件的可靠運行，在主站和從站上都需要進行相應的設置才可以保證程序的正常運行。主站上在進行PLC硬件的組態時，需要安裝CP341作為駐站以及點對點通訊的驅動程序，并且配置其主站信息、通訊模式和通訊速率。作為從站的EMCP4.3控制器，按照卡特彼勒的使用手冊，在EMCP4.2上對RS485通訊的參數進行設置，包括子站地址和通訊速率。S7-300和EMCP的通信中，主要是進行16位數據的讀取，這些數據都存儲在保持寄存器，所以在整個PLC程序中主要使用讀取保持寄存器的功能(功能代碼03)。在PLC程序中，通過調用Modbus功能塊，發送需要讀取的子站的功能代碼。返回數據按照不同站點定義不同的數據塊，然后將需要參數從數據塊中讀取出來。

3.3上位機監控功能

上位機采用西門子TP150015in觸摸屏，與S7-300采用Profibus進行通訊。作為監測、控制、維護和事故處理的HMI（人機界面），可以調出相關的畫面進行監視和控制。在觸摸屏上既可以進行主要參數的實時顯示也可以進行重要參數的保護設置，當實際值超過保護值后系統發出報警，提醒操作維護人員。

4結語

與傳統直接在發電機組上觀察數據、報警記錄的方式相比，采用Modbus總線控制方便操作維護人員實時看到機組的實時信息和狀態，可以根據用戶的要求進行信息的定制化顯示，對于主要的參數進行報警設置，可以使故障在初始狀態就被發現，進而避免柴油發電機組發生重大故障，也減輕了現場柴油發電機組的維護人員的勞動強度。采用Modbus協議進行柴油發電機組的監控也為柴油發電機組的遠程故障診斷提供了一定的基礎，同時也為大鉆機的遠程監控平臺提供了技術基礎。

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作者：李崇博 單位：西安寶美電氣工業有限公司