基于Modbus協(xié)議和力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

引言

廣東某鉛鋅礦運(yùn)轉(zhuǎn)工區(qū)的空氣壓縮機(jī)組是采礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，共有六臺(tái)進(jìn)口的英格索蘭CENTAC空氣壓縮機(jī)，它的運(yùn)行穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個(gè)礦區(qū)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

原上位機(jī)監(jiān)控軟件為英格索蘭公司的CEM2.52，由于其數(shù)據(jù)處理量大，數(shù)據(jù)更新速度慢；并且軟件必須運(yùn)行在Windows英文版操作平臺(tái)上，操作人員很難看懂英文數(shù)據(jù)，軟件版本也無(wú)法升級(jí)；另外，上位機(jī)的報(bào)警功能失效，遠(yuǎn)程操作與管理功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，造成操作人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，處理突發(fā)事件。為了解決上述存在的問(wèn)題，提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度，決定對(duì)空氣壓縮機(jī)組原有的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造。控制系統(tǒng)間的通訊是改造過(guò)程中的難點(diǎn)，本文介紹了采用Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)上述通訊的方法，采用力控組態(tài)軟件開發(fā)了空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮機(jī)組的智能化控制，使得空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠、精度高、維護(hù)方便，而且保證了礦區(qū)的安全生產(chǎn)，具有直接的經(jīng)濟(jì)效益。

1、Modbus通訊協(xié)議

1．1協(xié)議

Modbus協(xié)議是由MODICON公司為其控制器設(shè)計(jì)的一種可靠而有效的工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議。從功能上看，可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場(chǎng)總線。Modbus協(xié)議定義了消息域格式和內(nèi)容的公共格式，使控制器能認(rèn)識(shí)和使用消息結(jié)構(gòu)，而無(wú)需考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它描述了一個(gè)控制器訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程。當(dāng)采用Modbus協(xié)議通信時(shí)，此協(xié)議規(guī)定每個(gè)控制器需要知道自己的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，如何響應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，如何偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。其數(shù)據(jù)通訊采用主—從方式，主機(jī)只能有1臺(tái)，每個(gè)從機(jī)都有指定的地址，地址范圍在0～247之間（其中0為廣播地址），只有主機(jī)具有主動(dòng)權(quán)，從機(jī)只能對(duì)主機(jī)發(fā)送的命令作出響應(yīng)。當(dāng)主機(jī)端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息（查詢）時(shí)，從機(jī)端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)端以響應(yīng)請(qǐng)求；主機(jī)端也可以直接發(fā)消息修改從機(jī)端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)讀和寫。查詢—回應(yīng)周期如圖1。如果采用廣播方式（地址為0）查詢，從機(jī)不作任何回應(yīng)。

1．2 信息塊格式

Modbus通訊時(shí)主機(jī)發(fā)出的指令字符串的通常格式如表1。

從機(jī)地址：主機(jī)指明的接收命令的從機(jī)地址。

功能碼：功能碼決定本次通訊要求從機(jī)執(zhí)行的動(dòng)作，功能碼占1個(gè)字節(jié)，MODBUS可能的功能代碼范圍是十進(jìn)制的1～255。其中有些代碼適用于所有的控制器，有些是針對(duì)某種MODICON控制器，有些是為用戶保留或備用。表2為Modbus協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)功能碼，某些設(shè)備的Modbus協(xié)議只兼容其中的一部分功能碼，表中的功能碼為16進(jìn)制數(shù)。

數(shù)據(jù)起始地址：通訊時(shí)讀出、寫入數(shù)據(jù)的起始地址。Modbus有多種批量數(shù)據(jù)操作功能碼，可同時(shí)讀出或?qū)懭攵鄠€(gè)具有連續(xù)地址的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)起始地址占用2個(gè)字節(jié)。

數(shù)據(jù)量：命令中進(jìn)行讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)數(shù)量，這些數(shù)據(jù)從起始地址開始連續(xù)地址排列，在對(duì)模擬量進(jìn)行操作時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)具有2字節(jié)；在對(duì)數(shù)字量進(jìn)行操作時(shí)每8個(gè)數(shù)據(jù)為1個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)量占用2個(gè)字節(jié)。

1．3數(shù)據(jù)格式

Modbus通訊協(xié)議規(guī)定了2種通訊方式。RTU（REMOTE TERMINAL UNIT）方式通訊采用8位字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，通訊速度較快；ASCII方式采用7位ASCII碼進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用LRC邏輯冗余校驗(yàn)，通訊速率較慢。在一個(gè)通訊系統(tǒng)中，只能選用一種通訊方式，兩種方式不能并用。為了減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，在我們的應(yīng)用系統(tǒng)中一般使用RTU通訊方式。

2、系統(tǒng)的硬件組成

下位監(jiān)控站采用六個(gè)英格索蘭單片機(jī)對(duì)六臺(tái)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行控制，包括對(duì)壓力、振動(dòng)、溫度，油溫、油壓等參數(shù)的監(jiān)控，每個(gè)單片機(jī)外接一個(gè)通用通訊模塊，上位監(jiān)控站采用工控機(jī)，由于現(xiàn)場(chǎng)控制站與工控機(jī)相距60m左右，使用RS485/RS232 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場(chǎng)控制站采用RS485總線，工控機(jī)與轉(zhuǎn)換器之間采用RS232總線，這樣既解決了傳輸距離過(guò)遠(yuǎn)而無(wú)法連接問(wèn)題，也提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。其硬件組成Modbus通訊網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。軟件平臺(tái)采用WindowsXP，選用三維科技有限公司的力控組態(tài)軟件。

3、力控的I/O驅(qū)動(dòng)配置

在使用力控軟件進(jìn)行組態(tài)時(shí)，I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)配置為：采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus，選RTU串行口通訊方式，按設(shè)備地址從01—06匹配六臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)，數(shù)據(jù)更新周期為500毫秒，超時(shí)時(shí)間為8秒，使用串口（RS232/422/485）通訊，COM1端口設(shè)置與現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)的端口參數(shù)設(shè)置一樣為9600.8.無(wú).1

4、通訊過(guò)程

Modbus協(xié)議通訊時(shí)主機(jī)首先向從機(jī)發(fā)送通訊請(qǐng)求命令字符串，從機(jī)接收到命令字符串后，根據(jù)命令字符串中的命令碼向主機(jī)作出相應(yīng)的回答，完成一次通訊，整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)通訊都是由主機(jī)進(jìn)行調(diào)度。下面舉例說(shuō)明04和05功能碼實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)讀取和遠(yuǎn)程操作功能的通訊過(guò)程。

例1：假定主機(jī)要求讀取01從機(jī)的系統(tǒng)壓力數(shù)值時(shí)，主機(jī)將發(fā)送如表3所示的通訊請(qǐng)求命令字符串，在英格索蘭單片機(jī)中系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)起始地址為十六進(jìn)制代碼0BBE（Modbus協(xié)議規(guī)定通訊字符串中的地址比實(shí)際地址小“1”），正常情況下從機(jī)回信字符串如表4。

從機(jī)地址即01號(hào)機(jī)的設(shè)備地址，數(shù)據(jù)量0002表示存放系統(tǒng)壓力數(shù)值有兩個(gè)寄存器，該位占兩個(gè)字節(jié)。

英格索蘭單片機(jī)是一個(gè)32位浮點(diǎn)數(shù)處理器，數(shù)據(jù)“42DCD4C6”經(jīng)過(guò)IEEE32位浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換后得出系統(tǒng)壓力為110.4156psi。

例2：假定主機(jī)要求遠(yuǎn)程啟動(dòng)01從機(jī)，主機(jī)將發(fā)送如表5所示的通訊請(qǐng)求命令字符串，在英格索蘭單片機(jī)中遠(yuǎn)程啟動(dòng)數(shù)據(jù)起始地址為十六進(jìn)制代碼00E0，正常情況下從機(jī)回信字符串如表6。

從機(jī)回信的字符串與主機(jī)發(fā)送的通訊請(qǐng)求命令字符串應(yīng)該是同樣的，數(shù)據(jù)“FF00”迫使01從機(jī)的遠(yuǎn)程啟動(dòng)繼電器線圈打開，數(shù)據(jù)“0000”迫使01從機(jī)的遠(yuǎn)程啟動(dòng)繼電器線圈關(guān)閉。

5、結(jié)束語(yǔ)

利用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的上位工控機(jī)與下位英格索蘭通用通訊模塊的數(shù)據(jù)通訊，開發(fā)了空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。運(yùn)轉(zhuǎn)兩個(gè)多月來(lái)的情況表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，監(jiān)控過(guò)程顯示形象直觀，為礦區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)工區(qū)最終實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班，少人值守”的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

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