中海瀝青股份有限公司儲(chǔ)運(yùn)車間擔(dān)負(fù)著向?yàn)I化集團(tuán)環(huán)氧丙烷裝置輸送丙烯的任務(wù)，現(xiàn)場選用的是艾默生高準(zhǔn)CMF300+1700AN質(zhì)量流量計(jì)，利用其電流輸出端口(1、2端口)，將HART數(shù)字信號(hào)加載到傳統(tǒng)的(4～20)mA信號(hào)，操作員站的上位機(jī)安裝了西門子SIMATICS7系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集質(zhì)量流量計(jì)的瞬時(shí)流量信息。

實(shí)際工作中，為計(jì)量結(jié)算的需要，需要將質(zhì)量流量計(jì)的瞬時(shí)流量、累積流量等信息通過CDMA網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳到能源計(jì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。為了防止系統(tǒng)沖突，生產(chǎn)車間不允許繼續(xù)接流量計(jì)的電流輸出端口(1、2端口)。最后我們利用RS485端口(5、6端口)，采用Mod-busRTU協(xié)議很好地解決了該問題。

一、Modbus數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本案例充分利用了Modbus技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來設(shè)計(jì)、開發(fā)系統(tǒng)，并滿足了系統(tǒng)對可靠性和靈活性的要求。

該Modbus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為RS485通信環(huán)網(wǎng)，通信介質(zhì)為雙絞線，通信協(xié)議為ModbusRTU，輸送丙烯的瞬時(shí)流量、累積流量等信息通過流量計(jì)檢測后，利用Mod-bus網(wǎng)絡(luò)傳遞到宏電DTU，宏電DTU再將信號(hào)通過CD-MA網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)程操作站。遠(yuǎn)程操作站軟件選用的是國產(chǎn)軟件組態(tài)王，總線結(jié)構(gòu)安全、簡潔，具有很高的可靠性和實(shí)用性。

在接DTU之前，需要用手操器修改RS485默認(rèn)設(shè)置：將默認(rèn)協(xié)議由HART修改為ModbusRTU，其余采用默認(rèn)設(shè)置即可。

二、Modbus數(shù)據(jù)通信介紹

該系統(tǒng)采用的Modbus總線是一種串行總線結(jié)構(gòu)，在串行通信中，不論數(shù)據(jù)類型如何，它們都以幀的形式進(jìn)行傳輸。其基本數(shù)據(jù)幀格式如下：

地址碼：8位地址碼為通信傳送的第一個(gè)字節(jié)。這個(gè)字節(jié)表明由用戶設(shè)定地址碼的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來的信息。每個(gè)從機(jī)都具有唯一的地址碼，并且響應(yīng)回送均以各自的地址碼開始。主機(jī)發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機(jī)地址，而從機(jī)發(fā)送的地址碼表明回送的從機(jī)地址。

功能碼：8位，是通信傳送的第二個(gè)字節(jié)。Modbus通信規(guī)約定義功能碼為1～127。作為主機(jī)請求發(fā)送，通過功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作。作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。

數(shù)據(jù)區(qū)：N×8位，數(shù)據(jù)區(qū)包含需要從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作或由從機(jī)采集的返送信息。這些信息可以是數(shù)值、參考地址等。例如，功能碼告訴從機(jī)讀取寄存器的值，則數(shù)據(jù)區(qū)必須包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長度。對于不同的從機(jī)，地址和數(shù)據(jù)信息都不相同。

差錯(cuò)校驗(yàn)碼：16位，主機(jī)或從機(jī)可用校驗(yàn)碼進(jìn)行判別接收信息是否出錯(cuò)。有時(shí)，由于電子噪聲或其他一些干擾，信息在傳輸過程中會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化，差錯(cuò)校驗(yàn)碼保證主機(jī)或從機(jī)對傳送過程中出錯(cuò)的信息不起作用。這樣增加了系統(tǒng)的安全性和效率。錯(cuò)誤校驗(yàn)所有位采用CRC-16進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)通信命令發(fā)送至上游設(shè)備時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通信命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯(cuò)，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù);然后把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動(dòng)作的功能碼、執(zhí)行動(dòng)作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及差錯(cuò)校驗(yàn)碼。如果出錯(cuò)就不發(fā)送任何信息。

三、Modbus實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量監(jiān)測

系統(tǒng)采用國產(chǎn)軟件“組態(tài)王6.52”為上位監(jiān)控軟件，宏電DTU設(shè)為虛擬設(shè)備KVCOM1，通過在組態(tài)王中配置完成Modbus的通信功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

具體配置如下：

1.由于艾默生質(zhì)量流量計(jì)具有標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議，在組態(tài)王中定義IO設(shè)備時(shí)，選擇PLC→莫迪康→Modbus(RTU)→串行，并按如下參數(shù)配置：

波特率：1200bps∥數(shù)據(jù)位：8位∥校驗(yàn)位：1位(奇校驗(yàn))∥停止位：1位

2.每臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)配置唯一的設(shè)備地址，地址范圍為1～32。

3.建立數(shù)據(jù)字典，定義通信數(shù)據(jù)的寄存器地址和數(shù)據(jù)類型。

組態(tài)王寄存器、數(shù)據(jù)類型說明如表1所示。

表1 組態(tài)王寄存器、數(shù)據(jù)類型

另外，在Modbus規(guī)約驅(qū)動(dòng)中，SWAP寄存器用于改變浮點(diǎn)數(shù)的字節(jié)順序，只有0、1、2、3等4種取值，且只對FLOAT數(shù)據(jù)類型起作用。例如，在通信時(shí)從0001地址讀取的4個(gè)十六進(jìn)制值為HV1、HV2、HV3、HV4，則

(1)當(dāng)SWAP=0時(shí)，轉(zhuǎn)換后浮點(diǎn)數(shù)對應(yīng)的內(nèi)存值為：HV4、HV3、HV2、HV1。

(2)當(dāng)SWAP=1時(shí)，轉(zhuǎn)換后浮點(diǎn)數(shù)對應(yīng)的內(nèi)存值為：HV3、HV4、HV1、HV2。

(3)當(dāng)SWAP=2時(shí)，轉(zhuǎn)換后浮點(diǎn)數(shù)對應(yīng)的內(nèi)存值為：HV1、HV2、HV3、HV4。

(4)當(dāng)SWAP=3時(shí)，轉(zhuǎn)換后浮點(diǎn)數(shù)對應(yīng)的內(nèi)存值為：HV2、HV1、HV4、HV3。

所定義的寄存器與設(shè)備參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 寄存器與設(shè)備參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系表

4.高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)主要參數(shù)寄存器地址

經(jīng)查閱高準(zhǔn)流量計(jì)Modbus的說明書《ModbusMappingAssignmentsforMicroMotionTransmittersIn-structionManual》，發(fā)現(xiàn)寄存器地址如表3所示。

表3 高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)主要參數(shù)寄存器地址表

5.生成組態(tài)王數(shù)據(jù)監(jiān)測主畫面

需監(jiān)控質(zhì)量流量計(jì)的主要參數(shù)在數(shù)據(jù)詞典中的定義如表4所示。

表4 高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)的主要參數(shù)在數(shù)據(jù)詞典中的定義表

經(jīng)測試，SWAP必須取3，需在應(yīng)用程序命令語言啟動(dòng)時(shí)定義。

配置完成，總線系統(tǒng)上電設(shè)備工作過程如下：初始化硬件;初始化Modbus驅(qū)動(dòng)器、初始化串行通信口;等待流量計(jì)配制命令;初始化模塊寄存器;打開驅(qū)動(dòng)端口。以上工作完成后，上位PC就可與其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量計(jì)量的監(jiān)測。

四、結(jié)束語

該Modbus總線通信系統(tǒng)充分利用了數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并已成功投入運(yùn)行，其性能可靠、數(shù)據(jù)傳輸速率快，完全能滿足工藝要求。該系統(tǒng)符合當(dāng)前控制的需求，真正實(shí)現(xiàn)了“集中控制，分散風(fēng)險(xiǎn)”。