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协议在石油钻机柴油发电机组监控中的应用

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《焊管》2016年第12期

摘要:结合实际使用,通过Modbus协议将柴油发电机组的数据接入PLC系统,实现主要参数监控并进行报警设置,既减轻了体力劳动也可提早发现隐患。

关键字:Modbus;石油;柴油发电机组;监控

0引言

石油电驱动钻机的使用开始于20世纪50年代中期,并随着技术的发展不断完善和成熟。电驱动就是利用交流电动机或者直流电动机驱动钻机的机械传动装置,从而实现设备的运转。其具有传动柔和、调速特性好、经济性好、可靠性高、噪声小、污染少等特点,至今一直是石油钻机驱动的主要方式。石油电驱动钻机的动力源主要采用柴油发电机组提供,每台柴油发电机组由柴油机、交流发电机及控制系统组成。为满足钻井作业供电的可靠性和经济性,一般会配置2台以上的柴油发电机组,通过单机或者并网运行给电气控制系统供电。柴油发电机组是以柴油机为动力的工频交流同步发电机,具有结构紧凑、热效率高、占地小、启动快、便于运输等特点。同其它设备一样,柴油发电机组在运行时也会出现机械或者电气故障。故障产生必然会影响正常的供电,对生产作业造成一定的影响。近些年来随着钻机电气控制系统技术的不断发展,为了保证柴油发电机组运行的可靠性和稳定性,引入切实可靠的监控措施非常重要,这样一旦出现故障可以及时发现并排查。本文采用S7-300PLC作为控制器,通过Modbus协议和卡特彼勒的EMCP4.2控制器进行通讯,读取发电机组的电压、电流、功率、轴承温度等参数,并对主要参数进行报警设置,当达到报警值时发出报警信号提醒操作和维护人员。

1Modbus协议概述

Modbus是由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。使用的是主从通讯技术,一般将主控设备方所使用的协议称为ModbusMaster,从设备方使用的协议称为ModbusSlave。Modbus协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备,目前许多工业设备,譬如PLC、智能仪表、DCS等都在使用Modbus协议作为它们之间的通讯标准。Modbus协议具有ASCII(美国信息交换码)和RTU(远程终端设备)两种传输模式,并且支持RS230、RS485等电气接口,标准的Modicon控制器使用的是RS232C的串行接口。根据Modbus通信协议,“主站-从站”和、或“从站-主站”数据交换以从站地址开始,然后是功能代码,然后传输数据。数据的结构取决于使用的功能代码,最后传送的是CRC校验码。Modbus定义了4种基本数据类型和16种功能代码。数据类型有可读写位数据、只读位数据、只读16位数据、可读写16位数据,这些数据分别被称为线圈状态、输入状态、输入寄存器、保持寄存器。功能代码也是在这4种数据的基础上进行功能的设置。

2柴油发电机组监控系统构成及功能

监控系统采用S7-300PLC为控制器,是整个Modbus网络中驻站,PLC系统选用支持ModbusRTU协议的CP341通讯模块,将数据转换成满足Modbus协议的数据,在整个Modbus网络中起到承上启下的作用。对于柴油发电机组而言,是整个网络中的从站。随着卡特彼勒发电机组控制器的不断升级,之前的第三代控制器如果要实现数据传输的通讯需要增加PL1000E通讯模块,而第四代控制器出现后,控制器上集成有ModbusRTU通讯的接口,可以直接进行通讯。监控系统的功能主要有两个方面:一是对电流、电压、功率、频率、转速、轴承温度等参数进行实时的检测显示;二是对频率、转速、轴承温度、绕组温度、燃油温度等参数进行监控,当实时值超过设定值后发出报警提醒操作维护人员进行检查。

3柴油发电机组监控系统实现

Modbus是主/从通信模式,整个网络中只有一个主站,主站在网络上没有地址,从站的地址范围为0~247,其中0为广播地址,从站的实际地址范围为1~247。在本项目中,S7-300是整个控制系统的中央控制器,在网络中承担主站的作用,卡特发电机组的EMCP4.3控制器是从站,二者之间通过Modbus协议进行数据的交换和实现对柴油发电机组数据的采集和监控功能。

3.1硬件及其线路

对于Modbus通讯来说,硬件比较简单,主站采用西门子S7-300系列PLC,并在机架上安装有CP341通讯模块,CP341模块需要安装有通讯专用的dongle加密狗,以保证数据和CPU之间的交换。子站在卡特彼勒控制器上已经集成,不需要额外的硬件。硬件都满足条件后,就需要实现硬件线路上的连接。系统中采用的是RS485的半双工通讯方式,因此电路采用RS485双绞线进行物理电路的连接。进行硬件电路连接时要注意如下三点:1)连接驻站和从站的电缆采用LIYCY3*2*0.14R(A)/R(B)或者T(A)/T(B)类型的双绞线;2)各站点必须安装外壳屏蔽;3)网络上的两端最后一个接收器的连接器上要焊接一个330Ω的终端电阻。

3.2主、子站设置及程序功能

为保证软件的可靠运行,在主站和从站上都需要进行相应的设置才可以保证程序的正常运行。主站上在进行PLC硬件的组态时,需要安装CP341作为驻站以及点对点通讯的驱动程序,并且配置其主站信息、通讯模式和通讯速率。作为从站的EMCP4.3控制器,按照卡特彼勒的使用手册,在EMCP4.2上对RS485通讯的参数进行设置,包括子站地址和通讯速率。S7-300和EMCP的通信中,主要是进行16位数据的读取,这些数据都存储在保持寄存器,所以在整个PLC程序中主要使用读取保持寄存器的功能(功能代码03)。在PLC程序中,通过调用Modbus功能块,发送需要读取的子站的功能代码。返回数据按照不同站点定义不同的数据块,然后将需要参数从数据块中读取出来。

3.3上位机监控功能

上位机采用西门子TP150015in触摸屏,与S7-300采用Profibus进行通讯。作为监测、控制、维护和事故处理的HMI(人机界面),可以调出相关的画面进行监视和控制。在触摸屏上既可以进行主要参数的实时显示也可以进行重要参数的保护设置,当实际值超过保护值后系统发出报警,提醒操作维护人员。

4结语

与传统直接在发电机组上观察数据、报警记录的方式相比,采用Modbus总线控制方便操作维护人员实时看到机组的实时信息和状态,可以根据用户的要求进行信息的定制化显示,对于主要的参数进行报警设置,可以使故障在初始状态就被发现,进而避免柴油发电机组发生重大故障,也减轻了现场柴油发电机组的维护人员的劳动强度。采用Modbus协议进行柴油发电机组的监控也为柴油发电机组的远程故障诊断提供了一定的基础,同时也为大钻机的远程监控平台提供了技术基础。

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[1]张奇志.电动钻机自动化技术[J].北京:石油工业出版社,2006.

[2]李琳,李金山,谭定忠,等.Modbus协议在移动机器人控制系统中的应用[J].机械工程师,2005(1):24-25.

[3]西门子(中国)有限公司.CP340/CP341/CP440/CP441通讯及编程[Z].

[4]董兴华,张西平.石油钻机生产与智能控制系统[J].机械工程师,2011(7):258-59.

[5]西门子工业自动化驱动集团.S7-300CP341点到点通讯、安装和参数分配[Z].

作者:李崇博 单位:西安宝美电气工业有限公司

焊管杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次