摘 要 文章主要介绍了Modbus的通信功能，及ModBus的通讯总线在污水处理过程中对电量的监测。电力测量包括高压电力计量和低压电量计量，其中高压部分包括进线相电压，相电流，有功功率，无功功率及电度。低压包括各主要电气设备的电压，电流和功耗。

　　在污水处理厂自动控制系统中采用“集中监控与管理，分散控制”的集散型系统。由中控室计算机和总变电室、分变电室、脱水机房、鼓风机房四个现场控制分站组成实时工业控制网。将Ｍｏｄｂｕｓ通讯总线应用于污水处理过程中电量的监测，实现在污水处理过程中的节能降耗，强化生产管理，降低生产成本。由于全厂电量监控点较多，而且分布较广，因此单独布线不仅增加了工程量，而且对于资源也是浪费，因为所选用的电气元件具有通讯功能，可以利用其本身的功能，不仅可以获得更完整的信息，而且节省了大量的布

线。
　　１ 现场总线简介
　　随着自动化技术的不断发展，通讯技术也成为工业控制系统领域最具活力的一部分，并取得了巨大的进步，该系统最为成功的就是现场总线技术的应用和发展，以及工业以太网技术进入工业自动化领域，它满足了系统可靠性和灵活性的要求。常规的模拟控制采用４～２０ｍＡ电流或０～１０Ｖ电压信号作为输入信号，其特点是实时性好，无需考虑由于采样时间和通信时间对系统性能产生的影响。对于计算机控制系统，由于其具有各种数字通信接口，首选的当然是无需Ａ／Ｄ转换的直接数字控制。由于各种应用场合的复杂情况及实际需要，通常上位机与下位机的安装距离较远，因此必须由一定的通信协议，将二进制信号转化为控制信号来协调上、下位机工作。从控制角度来说，由于采样时间的影响，数字控制可能有别于模拟量的控制，而产生一些不利因素。但在一定的采样周期内，其性能不受影响。因此，数字控制已广泛地应用于各种计算机控制中。在这种数字控制系统中，通信成为信息交换与控制的关键，不仅要求速度高而且要求可靠性好。通信介质根据控制需要可采用铜缆、光纤、无线电波、红外线、激光束等。通信方式可用并行或串行方式，并行方式一次可传送一个或多字节，因此传送速度快，占用系统时间少。但其通信线多，不仅成本高，最重要的是受传输距离的制约，不适合工业现场应用。串行通信是工业现场常采用的一种方式，如采用ＲＳ－４８５接口，不仅具有较强的抗干扰能力，而且只需一对双绞线，便可实现较远距离的通信，节约了硬件投入，但其一次只能传送一位，且受波特率限制，通信速度较并行通信慢得多。因此时间因素是串行通信应着重考虑的。在较高的波特率下，串行通信是计算机控制的首选。与通信总线形式相比，点对点连接方式，其有以下缺点：
　　（１）提供信息数量有限，集成能力不高。控制站获取的管理信息有限，大量的数据如设备参数，故障及故障记录等数据很难得到，难以实现设备之间及系统与外界间的互操作性和互换性；
　　（２）系统开放性差，不同厂家缺乏互换性；
　　（３）成本高，大量Ｉ／Ｏ电缆的铺设施工，不仅增加了成本，也增加了系统的不可靠性；
　　（４）可维护性差，由于现场设备信息不全，在线故障诊断，报警，记录功能不强，很难完成设备的远程参数设定，修改等，影响了系统的可维护性。另外，由于连接线过多，也为维护带来了困难。
　　随着设备及电气生产厂家的自动化水平的提高，其产品都带有附加的通信功能，也为控制系统与设备的数据交换提供了可能。
　　２ 数据总线通信格式
　　在前一节已经讨论过，在设备层运用总线的优点，总线是一种串行总线结构，其基本数据帧格式如下：
　　在串行通信中，不论数据类型如何，它们都以帧的形式进行传输，每一帧都由帧头、站地址、帧格式、数据块、帧尾及校验和构成。所有信息均以二进制码或ＡＳＣＩＩ码传送，其信息控制元素可以包括以下专用字符：
　　以上控制元素均作为帧信息的前缀，用于从机对接受信息进行判断处理。在控制中涉及多种类型的数据，如启、停命令，运行参数，频率设定值，电压电流值等。表中第一行给出了组成帧的基本元素，如ＥＯＴ为帧头，ＡＤＤＲ为站地址，ＤＡＴＡ为数据块，ＥＴＸ为帧尾。帧头和帧尾用以标识传送开始和结束，以分开两条不同的帧信息，以免接收不完整的信息。站地址也是必不可少的，保证工作中的每一台从机都能接收到相对于自己的信息，并及时向主机返回信息。有时，主机要向所有从机发送相同命令，如启动命令（Ｓｔａｒｔ）。这时不必向每台从机分别发送，而可采用广播方式，把一条信息同时发给所有从机。实际上广播方式就是给出一个特殊的站地址，它不同于所有独立站地址的值（具体由通信协议规定）。但对于较重要的控制信息，应尽量避免采用广播方式，主要由于这种通信方式从机无回执信号，易使系统出现失控。
　　当主机按规定的通信格式发出信息后，从机是如何响应的呢？以向变频器写入频率设定值为例说明响应过程。当变频器接收到主机发出的信息后，变频器将对接收的数据进行校验，并作出相应的回答，如数据正确，将回答ＡＣＫ；如校验和错误，则回答ＮＡＫ。主机根据回答信息可以判断发送是否成功。
　　３ Ｍｏｄｂｕｓ实现电量监测和变频器控制
　　电力测量包括高压电力计量和低压电量计量，其中高压部分包括进线相电压，相电流，全厂有功功率，无功功率及电度。低压包括各主要电气设备的电压，电流和功耗。由于电量监控点较多，而且分布较广，因此单独布线不仅增加了工程量，而且对于资源也是浪费，因为所选用的电气元件具有通讯功能，对此可以利用其本身的功能，不仅可以获得更完整的信息，而且节省了大量的布线。原设计采用了点对点的连接，全部的电量监测量大约为８０个数字量，２０个模拟量，需要２个６４路ＤＩ，２个１６路ＡＩ，不仅占用大量有限资源，而且信息无法满足监测的需要。在改进中，决定采用总线通讯方式，用双绞线来取代大量的点对点接线工作，并通过数据交换，仍可以得到更详尽的信息。但是由于目前总线没有统一的标准，各厂家都有不同的总线标准，因此给总线的应用带来了一定的难度。本控制系统采用罗克韦尔公司的ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ５５５０ＰＬＣ作为工作站，而所用电气元件采用施耐得公司的产品，两者采用不同的通信协议，给通信造成了一定困难。解决方案有两种，一是寻找中间厂商的产品，实现不同协议的转换，二是直接运用ＲＳ４８５通信接口，对ＰＬＣ进行编程实现通信功能，由于第二种方式需要对两种通信协议都有较深的认识，且由于ＰＬＣ编程不同于通用的微机程序，因此程序的通用性及可读性较差。决定采用第一种方案，采用了Ｐｒｏｓｏｆｔ公司的产品实现了不同总线协议的通信。该产品可实现两种不同协议的无缝连接。此模块可直接插入ＡＢ公司ＰＬＣ的机架，并通过配置完成ＭｏｄＢｕｓ的通信功能与ＰＬＣ的处理器模块进行数据交换。
　　ＭｏｄＢｕｓ协议为主／从式总线结构，有ＲＴＵ和ＡＳＣＩＩ两种模式，其具体配置如下：
　　协议：ＲＴＵ或ＡＳＣＩＩ
　　波特率：１１０～１１５２００
　　校验位：奇校验，偶校验，无
　　数据位：５～８位
　　停止位：１～２位
　　ＲＴＵ模式和ＡＳＣＩＩ模式的区别一是在于ＲＴＵ模式为二进制码传送，ＡＳＣＩＩ模式为ＡＳＣＩＩ码传送；其次两者的帧格式不相同。
　　ＲＴＵ模式：
　　ＡＳＣＩ模式：
　　当上电后，模块工作过程如下：
　　（１）初始化硬件
　　——初始化ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ驱动器
　　——测试ＲＡＭ并清零
　　——初始化串行通信口；
　　（２）等待ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ处理器的配制命令；
　　（３）初始化模块寄存器；
　　（４）打开驱动端口。
　　以上工作完成后，模块就可与其它节点进行通信。在实际中，由于设计并未考虑使用变频器控制水泵，以使进水流量及液位达到稳定，当水量变化较大时，影响了后续工艺的正常工作。因此决定对六台进水泵（实际中五台参与运行，一台热备用）加一个变频器控制，其液位控制过程如图１所示。
　　在这里，仅画出３台作以说明，设定了６个液位门限值Ｌｅｖｅｌ１～Ｌｅｖｅｌ６，当实测液位ＬＳＬ０１＜Ｌｅｖｅｌ１时，启动一台变频泵，其频率计算为：
　　泵速＝（Ｖｍａｘ１－Ｖｍｉｎ１）／（Ｌｅｖｅｌ１－ｌｅｖｅｌｍｉｎ）×ＬＳＬ０１
　　当实测液位ＬＳＬ０１＞Ｌｅｖｅｌ１时，启动一台变频泵和一台固定泵，其频率计算为：
　　泵速＝（Ｖｍａｘ２－Ｖｍｉｎ２）／（Ｌｅｖｅｌ２－ｌｅｖｅｌ１）×ＬＳＬ０１
　　当实测液位ＬＳＬ０１＞Ｌｅｖｅｌ２时，启动一台变频泵和两台固定泵，其频率计算为：
　　泵速＝（Ｖｍａｘ３－Ｖｍｉｎ３）／（Ｌｅｖｅｌ３－ｌｅｖｅｌ２）×ＬＳＬ０１
　　以此类推，得到不同液位的泵速计算公式。而流量控制可利用ＰＬＣ的ＰＩＤ控制模块，根据设定流量对变频泵进行控制，达到进水液位或流量的稳定。由于原ＰＬＣ工作站没有ＡＯ模拟量输出模块，而为此单加一模块，其利用率又太低，因此就不能利用常规的４～２０ｍＡ模拟量信号去控制变频器，采用的变频器具有ＭｏｄＢｕｓ通信功能，Ｍｏｄｂｕｓ总线可挂３１个从机，因此可给变频器分配一个地址，不仅解决了变频器的数字控制，而且由于实现了总线通信，在不增加接线的情况下，可以获得设备的大量运行参数。
　　为排除由于随机干扰造成的差错，本系统采用重发数据的方法来排除差错。具体方法是：当变频器返回校验和错误（ＮＡＫ），则主机可重发３次，若３次均出错，则判定为硬件故障，提示用户检修。
　　在传输数据时，还可能因某种原因，如变频器未通电或突然掉电等情况，造成主机接收不到返回信号而持久等待，因此在程序中必须有通信超时判断，以免程序陷入死循环，保证系统正常运行，如图２所示。
　　４ 总结
　　此ＭｏｄＢｕｓ的通信监测是在污水处理厂的控制系统采用三级网络结构中的一部分功能，充分利用了网络技术。此系统设定参数，即由现场ＰＬＣ工作站单独完成，也可由上位ＰＣ机实现设定及监控，符合当前控制的需要，集中控制，分散危险。由于课题的研究开发时间限制，工作还很不全面，对于设备在现场运行的情况和用户的具体要求考虑难以周全，如为了节约能源，鼓风机还可实现优化控制。但本课题最主要的目的是为以后的污水处理厂的设计和实际应用给出了一定的解决方法，此控制系统在实际中已运行，其性能可靠，满足工艺控制的要求。＆

　　参考文献
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