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案例頻道 引言
廣東某鉛鋅礦運轉工區的空氣壓縮機組是采礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設備，共有六臺進(jìn)口的英格索蘭CENTAC空氣壓縮機，它的運行穩定與否直接關(guān)系到整個(gè)礦區的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。
原上位機監控軟件為英格索蘭公司的CEM2.52，由于其數據處理量大，數據更新速度慢；并且軟件必須運行在Windows95英文版操作平臺上，操作人員很難看懂英文數據，軟件版本也無(wú)法升級；另外，上位機的報警功能失效，遠程操作與管理功能無(wú)法實(shí)現，造成操作人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現問(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，決定對空氣壓縮機組原有的監控系統進(jìn)行改造?？刂葡到y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)現上述通訊的方法，采用力控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)了空氣壓縮機監控系統，實(shí)現了空氣壓縮機組的智能化控制，使得空氣壓縮機運轉穩定、可靠、精度高、維護方便，而且保證了礦區的安全生產(chǎn)，具有直接的經(jīng)濟效益。
Modbus通訊協(xié)議
1．1協(xié)議
Modbus協(xié)議是由MODICON公司為其控制器設計的一種可靠而有效的工業(yè)控制系統通信協(xié)議。從功能上看，可以認為是一種現場(chǎng)總線(xiàn)[1]。Modbus協(xié)議定義了消息域格式和內容的公共格式，使控制器能認識和使用消息結構，而無(wú)需考慮通信網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，它描述了一個(gè)控制器訪(fǎng)問(wèn)其它設備的過(guò)程。當采用Modbus協(xié)議通信時(shí)，此協(xié)議規定每個(gè)控制器需要知道自己的設備地址，識別按地址發(fā)來(lái)的消息，如何響應來(lái)自其它設備的請求，如何偵測錯誤并記錄。其數據通訊采用主―從方式，主機只能有1臺，每個(gè)從機都有指定的地址，地址范圍在0～247之間(其中0為廣播地址)，只有主機具有主動(dòng)權，從機只能對主機發(fā)送的命令作出響應。當主機端發(fā)出數據請求消息(查詢(xún))時(shí)，從機端接收到正確消息后就可以發(fā)送數據到主機端以響應請求；主機端也可以直接發(fā)消息修改從機端的數據，實(shí)現讀和寫(xiě)。查詢(xún)―回應周期如圖1。如果采用廣播方式(地址為0)查詢(xún)，從機不作任何回應。
1．2信息塊格式
Modbus通訊時(shí)主機發(fā)出的指令字符串的通常格式如表1。
從機地址：主機指明的接收命令的從機地址。
功能碼：功能碼決定本次通訊要求從機執行的動(dòng)作，功能碼占1個(gè)字節，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，有些是針對某種MODICON控制器，有些是為用戶(hù)保留或備用。表2為Modbus協(xié)議規定的標準功能碼，某些設備的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。
數據起始地址：通訊時(shí)讀出、寫(xiě)入數據的起始地址。Modbus有多種批量數據操作功能碼，可同時(shí)讀出或寫(xiě)入多個(gè)具有連續地址的數據。數據起始地址占用2個(gè)字節。
數據量：命令中進(jìn)行讀出或寫(xiě)入的數據數量，這些數據從起始地址開(kāi)始連續地址排列，在對模擬量進(jìn)行操作時(shí)，每個(gè)數據具有2字節；在對數字量進(jìn)行操作時(shí)每8個(gè)數據為1個(gè)字節。數據量占用2個(gè)字節。
1．3數據格式
Modbus通訊協(xié)議規定了2種通訊方式。RTU(REMOTE?TERMINAL?UNIT)方式通訊采用8位字節的二進(jìn)制數據通訊，數據校驗采用CRC循環(huán)冗余校驗，通訊速度較快；ASCII方式采用7位ASCII碼進(jìn)行通訊，數據校驗采用LRC邏輯冗余校驗，通訊速率較慢。在一個(gè)通訊系統中，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 )數據傳輸量，在我們的應用系統中一般使用RTU通訊方式。
2 系統的硬件組成
下位監控站采用六個(gè)英格索蘭單片機對六臺空氣壓縮機進(jìn)行控制，包括對壓力、振動(dòng)、溫度，油溫、油壓等參數的監控，每個(gè)單片機外接一個(gè)通用通訊模塊，上位監控站采用工控機，由于現場(chǎng)控制站與工控機相距60m左右，使用RS485/RS232?轉換器，轉換器與現場(chǎng)控制站采用RS485總線(xiàn)，工控機與轉換器之間采用RS232總線(xiàn)，這樣既解決了傳輸距離過(guò)遠而無(wú)法連接問(wèn)題，也提高了系統的抗干擾能力。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驅動(dòng)配置
在使用力控軟件進(jìn)行組態(tài)時(shí)，I/O設備驅動(dòng)配置為：采用標準的Modbus，選RTU串行口通訊方式，按設備地址從01―06匹配六臺現場(chǎng)控制機，數據更新周期為500毫秒，超時(shí)時(shí)間為8秒，使用串口（RS232/422/485）通訊，COM1端口設置與現場(chǎng)控制機的端口參數設置一樣為9600.8.無(wú).1
4 通訊過(guò)程
Modbus協(xié)議通訊時(shí)主機首先向從機發(fā)送通訊請求命令字符串，從機接收到命令字符串后，根據命令字符串中的命令碼向主機作出相應的回答，完成一次通訊，整個(gè)的網(wǎng)絡(luò )通訊都是由主機進(jìn)行調度。下面舉例說(shuō)明04和05功能碼實(shí)現模擬量數據讀取和遠程操作功能的通訊過(guò)程[2]。
例1：假定主機要求讀取01從機的系統壓力數值時(shí)，主機將發(fā)送如表3所示的通訊請求命令字符串，在英格索蘭單片機中系統壓力數據起始地址為十六進(jìn)制代碼0BBE（Modbus協(xié)議規定通訊字符串中的地址比實(shí)際地址小“1”），正常情況下從機回信字符串如表4。
從機地址即01號機的設備地址，數據量0002表示存放系統壓力數值有兩個(gè)寄存器，該位占兩個(gè)字節。
英格索蘭單片機是一個(gè)32位浮點(diǎn)數處理器，數據“42DCD4C6”經(jīng)過(guò)IEEE32位浮點(diǎn)數轉換后得出系統壓力為110.4156psi。
例2：假定主機要求遠程啟動(dòng)01從機，主機將發(fā)送如表5所示的通訊請求命令字符串，在英格索蘭單片機中遠程啟動(dòng)數據起始地址為十六進(jìn)制代碼00E0，正常情況下從機回信字符串如表6。
從機回信的字符串與主機發(fā)送的通訊請求命令字符串應該是同樣的，數據“FF00”迫使01從機的遠程啟動(dòng)繼電器線(xiàn)圈打開(kāi)，數據“0000”迫使01從機的遠程啟動(dòng)繼電器線(xiàn)圈關(guān)閉。
5 結束語(yǔ)
利用Modbus協(xié)議實(shí)現了礦區空氣壓縮機監控系統中的上位工控機與下位英格索蘭通用通訊模塊的數據通訊，開(kāi)發(fā)了空氣壓縮機監控系統。運轉兩個(gè)多月來(lái)的情況表明，該系統運行可靠，維護方便，監控過(guò)程顯示形象直觀(guān)，為礦區運轉工區最終實(shí)現“無(wú)人值班，少人值守”的目標奠定了基礎。
李松柏1 劉義倫1 張波2 王廣斌1 康煜華1
?。?．中南大學(xué)機電工程學(xué)院 2． 三維力控科技有限公司武漢辦事處）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號