Modbus數據通信總線(xiàn)在質(zhì)量流量計量監測中的應用

中海瀝青股份有限公司儲運車(chē)間擔負著(zhù)向濱化集團環(huán)氧丙烷裝置輸送丙烯的任務(wù)，現場(chǎng)選用的是艾默生高準CMF300+1700AN質(zhì)量流量計，利用其電流輸出端口(1、2端口)，將HART數字信號加載到傳統的(4～20)mA信號，操作員站的上位機安裝了西門(mén)子SIMATICS7系統，實(shí)時(shí)采集質(zhì)量流量計的瞬時(shí)流量信息。

實(shí)際工作中，為計量結算的需要，需要將質(zhì)量流量計的瞬時(shí)流量、累積流量等信息通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò )遠傳到能源計量遠程監控系統。為了防止系統沖突，生產(chǎn)車(chē)間不允許繼續接流量計的電流輸出端口(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(wèn)題。

一、Modbus數據通信網(wǎng)絡(luò )結構

本案例充分利用了Modbus技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)設計、開(kāi)發(fā)系統，并滿(mǎn)足了系統對可靠性和靈活性的要求。

該Modbus網(wǎng)絡(luò )結構為RS485通信環(huán)網(wǎng)，通信介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，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(guò)流量計檢測后，利用Mod-bus網(wǎng)絡(luò )傳遞到宏電DTU，宏電DTU再將信號通過(guò)CD-MA網(wǎng)絡(luò )與Internet網(wǎng)絡(luò )傳遞到遠程操作站。遠程操作站軟件選用的是國產(chǎn)軟件組態(tài)王，總線(xiàn)結構安全、簡(jiǎn)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默認設置：將默認協(xié)議由HART修改為ModbusRTU，其余采用默認設置即可。

二、Modbus數據通信介紹

該系統采用的Modbus總線(xiàn)是一種串行總線(xiàn)結構，在串行通信中，不論數據類(lèi)型如何，它們都以幀的形式進(jìn)行傳輸。其基本數據幀格式如下：

地址碼：8位地址碼為通信傳送的第一個(gè)字節。這個(gè)字節表明由用戶(hù)設定地址碼的從機將接收由主機發(fā)送來(lái)的信息。每個(gè)從機都具有唯一的地址碼，并且響應回送均以各自的地址碼開(kāi)始。主機發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機地址，而從機發(fā)送的地址碼表明回送的從機地址。

功能碼：8位，是通信傳送的第二個(gè)字節。Modbus通信規約定義功能碼為1～127。作為主機請求發(fā)送，通過(guò)功能碼告訴從機執行什么動(dòng)作。作為從機響應，從機發(fā)送的功能碼與從主機發(fā)送來(lái)的功能碼一樣，并表明從機已響應主機進(jìn)行操作。

數據區：N×8位，數據區包含需要從機執行什么動(dòng)作或由從機采集的返送信息。這些信息可以是數值、參考地址等。例如，功能碼告訴從機讀取寄存器的值，則數據區必須包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長(cháng)度。對于不同的從機，地址和數據信息都不相同。

差錯校驗碼：16位，主機或從機可用校驗碼進(jìn)行判別接收信息是否出錯。有時(shí)，由于電子噪聲或其他一些干擾，信息在傳輸過(guò)程中會(huì )發(fā)生細微的變化，差錯校驗碼保證主機或從機對傳送過(guò)程中出錯的信息不起作用。這樣增加了系統的安全性和效率。錯誤校驗所有位采用CRC-16進(jìn)行計算。

當通信命令發(fā)送至上游設備時(shí)，符合相應地址碼的設備接通信命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒(méi)有出錯，則執行相應的任務(wù);然后把執行結果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執行動(dòng)作的功能碼、執行動(dòng)作后結果的數據以及差錯校驗碼。如果出錯就不發(fā)送任何信息。

三、Modbus實(shí)現質(zhì)量流量監測

系統采用國產(chǎn)軟件“組態(tài)王6.52”為上位監控軟件，宏電DTU設為虛擬設備KVCOM1，通過(guò)在組態(tài)王中配置完成Modbus的通信功能，實(shí)現數據交換。

具體配置如下：

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

波特率：1200bps∥數據位：8位∥校驗位：1位(奇校驗)∥停止位：1位

2.每臺質(zhì)量流量計配置唯一的設備地址，地址范圍為1～32。

3.建立數據字典，定義通信數據的寄存器地址和數據類(lèi)型。

組態(tài)王寄存器、數據類(lèi)型說(shuō)明如表1所示。

表1 組態(tài)王寄存器、數據類(lèi)型

另外，在Modbus規約驅動(dòng)中，SWAP寄存器用于改變浮點(diǎn)數的字節順序，只有0、1、2、3等4種取值，且只對FLOAT數據類(lèi)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SWAP=0時(shí)，轉換后浮點(diǎn)數對應的內存值為：HV4、HV3、HV2、HV1。

(2)當SWAP=1時(shí)，轉換后浮點(diǎn)數對應的內存值為：HV3、HV4、HV1、HV2。

(3)當SWAP=2時(shí)，轉換后浮點(diǎn)數對應的內存值為：HV1、HV2、HV3、HV4。

(4)當SWAP=3時(shí)，轉換后浮點(diǎn)數對應的內存值為：HV2、HV1、HV4、HV3。

所定義的寄存器與設備參數的對應關(guān)系如表2所示。

表2 寄存器與設備參數的對應關(guān)系表

4.高準質(zhì)量流量計主要參數寄存器地址

經(jīng)查閱高準流量計Modbus的說(shuō)明書(shū)《ModbusMappingAssignmentsforMicroMotionTransmittersIn-structionManual》，發(fā)現寄存器地址如表3所示。

表3 高準質(zhì)量流量計主要參數寄存器地址表

5.生成組態(tài)王數據監測主畫(huà)面

需監控質(zhì)量流量計的主要參數在數據詞典中的定義如表4所示。

表4 高準質(zhì)量流量計的主要參數在數據詞典中的定義表

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

配置完成，總線(xiàn)系統上電設備工作過(guò)程如下：初始化硬件;初始化Modbus驅動(dòng)器、初始化串行通信口;等待流量計配制命令;初始化模塊寄存器;打開(kāi)驅動(dòng)端口。以上工作完成后，上位PC就可與其節點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現質(zhì)量流量計量的監測。

四、結束語(yǔ)

該Modbus總線(xiàn)通信系統充分利用了數據通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，并已成功投入運行，其性能可靠、數據傳輸速率快，完全能滿(mǎn)足工藝要求。該系統符合當前控制的需求，真正實(shí)現了“集中控制，分散風(fēng)險”。