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

引言

廣東某鉛鋅礦運轉(zhuǎn)工區(qū)的空氣壓縮機組是采礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，共有六臺進口的英格索蘭CENTAC空氣壓縮機，它的運行穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個礦區(qū)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。

原上位機監(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；并且軟件必須運行在Windows英文版操作平臺上，操作人員很難看懂英文數(shù)據(jù)，軟件版本也無法升級；另外，上位機的報警功能失效，遠程操作與管理功能無法實現(xiàn)，造成操作人員無法及時發(fā)現(xiàn)問題，處理突發(fā)事件。為了解決上述存在的問題，提高生產(chǎn)自動化程度，決定對空氣壓縮機組原有的監(jiān)控系統(tǒng)進行改造。控制系統(tǒng)間的通訊是改造過程中的難點，本文介紹了采用Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)上述通訊的方法，采用力控組態(tài)軟件開發(fā)了空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了空氣壓縮機組的智能化控制，使得空氣壓縮機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠、精度高、維護方便，而且保證了礦區(qū)的安全生產(chǎn)，具有直接的經(jīng)濟效益。

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，可以認為是一種現(xiàn)場總線。Modbus協(xié)議定義了消息域格式和內(nèi)容的公共格式，使控制器能認識和使用消息結(jié)構(gòu)，而無需考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，它描述了一個控制器訪問其它設(shè)備的過程。當采用Modbus協(xié)議通信時，此協(xié)議規(guī)定每個控制器需要知道自己的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，如何響應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，如何偵測錯誤并記錄。其數(shù)據(jù)通訊采用主—從方式，主機只能有1臺，每個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），只有主機具有主動權(quán)，從機只能對主機發(fā)送的命令作出響應(yīng)。當主機端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息（查詢）時，從機端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機端以響應(yīng)請求；主機端也可以直接發(fā)消息修改從機端的數(shù)據(jù)，實現(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，從機不作任何回應(yīng)。

1．2 信息塊格式

Modbus通訊時主機發(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(zhí)行的動作，功能碼占1個字節(jié)，MODBUS可能的功能代碼范圍是十進制的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，有些是為用戶保留或備用。表2為Modbus協(xié)議規(guī)定的標準功能碼，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進制數(shù)。

數(shù)據(jù)起始地址：通訊時讀出、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，可同時讀出或?qū)懭攵鄠€具有連續(xù)地址的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)起始地址占用2個字節(jié)。

數(shù)據(jù)量：命令中進行讀出或?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，在對模擬量進行操作時，每個數(shù)據(jù)具有2字節(jié)；在對數(shù)字量進行操作時每8個數(shù)據(jù)為1個字節(jié)。數(shù)據(jù)量占用2個字節(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)的二進制數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)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碼進行通訊，數(shù)據(jù)校驗采用LRC邏輯冗余校驗，通訊速率較慢。在一個通訊系統(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)控站采用六個英格索蘭單片機對六臺空氣壓縮機進行控制，包括對壓力、振動、溫度，油溫、油壓等參數(shù)的監(jiān)控，每個單片機外接一個通用通訊模塊，上位監(jiān)控站采用工控機，由于現(xiàn)場控制站與工控機相距60m左右，使用RS485/RS232 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場控制站采用RS485總線，工控機與轉(zhuǎn)換器之間采用RS232總線，這樣既解決了傳輸距離過遠而無法連接問題，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)動配置

在使用力控軟件進行組態(tài)時，I/O設(shè)備驅(qū)動配置為：采用標準的Modbus，選RTU串行口通訊方式，按設(shè)備地址從01—06匹配六臺現(xiàn)場控制機，數(shù)據(jù)更新周期為500毫秒，超時時間為8秒，使用串口（RS232/422/485）通訊，COM1端口設(shè)置與現(xiàn)場控制機的端口參數(shù)設(shè)置一樣為9600.8.無.1

4、通訊過程

Modbus協(xié)議通訊時主機首先向從機發(fā)送通訊請求命令字符串，從機接收到命令字符串后，根據(jù)命令字符串中的命令碼向主機作出相應(yīng)的回答，完成一次通訊，整個的網(wǎng)絡(luò)通訊都是由主機進行調(diào)度。下面舉例說明04和05功能碼實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)讀取和遠程操作功能的通訊過程。

例1：假定主機要求讀取01從機的系統(tǒng)壓力數(shù)值時，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(tǒng)壓力數(shù)據(jù)起始地址為十六進制代碼0BBE（Modbus協(xié)議規(guī)定通訊字符串中的地址比實際地址小“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(shè)備地址，數(shù)據(jù)量0002表示存放系統(tǒng)壓力數(shù)值有兩個寄存器，該位占兩個字節(jié)。

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

例2：假定主機要求遠程啟動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數(shù)據(jù)起始地址為十六進制代碼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(yīng)該是同樣的，數(shù)據(jù)“FF00”迫使01從機的遠程啟動繼電器線圈打開，數(shù)據(jù)“0000”迫使01從機的遠程啟動繼電器線圈關(guān)閉。

5、結(jié)束語

利用Modbus協(xié)議實現(xiàn)了礦區(qū)空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)中的上位工控機與下位英格索蘭通用通訊模塊的數(shù)據(jù)通訊，開發(fā)了空氣壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)。運轉(zhuǎn)兩個多月來的情況表明，該系統(tǒng)運行可靠，維護方便，監(jiān)控過程顯示形象直觀，為礦區(qū)運轉(zhuǎn)工區(qū)最終實現(xiàn)“無人值班，少人值守”的目標奠定了基礎(chǔ)。

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