摘 要： 分布式控制網(wǎng)絡可以提高系統(tǒng)的自動化程度，使得控制更便捷、精度更高、且減少了布線。介紹了基于Modbus的分布式控制網(wǎng)絡的組成，包括傳感器設備、變頻器、觸摸屏、PLC及PC工作站。重點描述了計算機網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)之間的工作原理及流程。該控制網(wǎng)絡在巢湖污水處理系統(tǒng)的運行結果表明，其性能可靠，具有工程推廣價值。
關鍵詞： 分布式網(wǎng)絡；Modbus；PLC；污水處理；變頻器通信
分布式控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程監(jiān)視、控制技術發(fā)展和計算機與網(wǎng)絡技術應用的產(chǎn)物。分布式控制網(wǎng)絡使得控制更便捷，精度更高，并減少了布線，大幅度提高了生產(chǎn)過程的安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、可靠性和自動化程度[1-2]。
Modbus是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡協(xié)議中的一種。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設備。許多工業(yè)設備(如PLC、DCS、智能儀表等)都在使用Modbus協(xié)議作為它們之間的通信標準，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以直接連成工業(yè)網(wǎng)絡，無需轉化器件，降低了工程的成本。由于Modbus協(xié)議的通用性和經(jīng)濟性，Modbus通信被廣泛應用于電力、化工、冶金等領域。本文介紹了基于Modbus的分布式控制網(wǎng)絡在污水處理系統(tǒng)中的應用和實現(xiàn)。
1 系統(tǒng)構成
1.1 污水處理的生產(chǎn)工藝
該污水處理系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝如圖1所示。污水由進水泵首先流進缺氧池，在缺氧池內攪拌均勻后，流入?yún)捬醭兀唤?jīng)過厭氧池攪拌和氧化還原反應，進入好氧池；在好氧池內曝氣，通過調節(jié)曝氣量的大小來控制好氧池的含氧量(DO傳感器值)，然后流進預缺氧池(SW池)；經(jīng)過化學藥品處理和反沖洗等工藝，進行降氧；最后流進膜生物反應器池(MBR池)，進行進一步微生物生化反應和過濾。在SW池和MBR池均要打回流，回流比根據(jù)各池的傳感器值和進水量設定。
1.2 控制對象
該污水處理系統(tǒng)的控制對象為PC機、PLC和6臺變頻器，分別控制缺氧池、厭氧池、SW池的攪拌棒和SW池、MBR池的回流泵以及好氧池的曝氣風機；各池的流量計、含氧量傳感器DO和ORP傳感器。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。
系統(tǒng)采用一臺PLC作為控制系統(tǒng)的主控制器，并擴展了模擬量輸入輸出模塊以連接各傳感器。PLC采用S7-200系列CPU226模塊，由變頻器拖動行走電機運行，使用變頻器可實現(xiàn)電機的軟啟動、無級變頻調速和快速停車等功能。變頻器根據(jù)電機參數(shù)及變頻范圍，選用ABB ACS510-01變頻器，PLC與變頻器之間采用基于Modbus總線的串行通信，通過Modbus總線通信可以控制大功率變頻器的啟停和給定參考速度，并且可以實時讀取變頻器的主要運行參數(shù)，如功率、電流、電壓和輸出頻率等。采用PC機作為人機界面的總體設計方案，上位機即為個人PC機或工業(yè)平板電腦。
2 通信協(xié)議
Modbus通信協(xié)議是工業(yè)控制網(wǎng)絡中用于對自控設備進行訪問控制的主從式通信協(xié)議，由Modicon公司開發(fā)，在工業(yè)控制網(wǎng)絡中得到了廣泛應用。本系統(tǒng)的PLC和多臺變頻器以及上位機和PLC之間均采用Modbus協(xié)議RTU模式進行通信。表1為Modbus RTU模式下信息幀格式[3]。
(1)地址域
地址域為被查詢的從節(jié)點設備的地址，它所表示的從節(jié)點的有效地址范圍是0~247，其中0表示廣播地址。
(2)功能域
8 bit功能域的有效編碼是1~255，用于說明從節(jié)點要完成的功能。例如功能碼03H表示讀寄存器，用于讀取從節(jié)點的寄存器；06H為設置從節(jié)點的單個寄存器；10H為設置從節(jié)點的多個寄存器。
(3)數(shù)據(jù)域
數(shù)據(jù)域包括本幀數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)量、數(shù)據(jù)字節(jié)1~n，這些數(shù)據(jù)字節(jié)可以是I/O值、狀態(tài)數(shù)據(jù)或其他測量控制信息。
(4)校驗域
在Modbus通信協(xié)議中的幀校驗通常采用CRC循環(huán)冗余校驗。整個信息幀以連續(xù)的數(shù)據(jù)位流進行傳輸，CRC從地址域開始對報文幀的所有數(shù)據(jù)集進行校驗。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)[4-5]
本系統(tǒng)包括上位機和PLC以及PLC和變頻器之間的通信網(wǎng)絡。網(wǎng)絡1上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過讀連續(xù)寄存器指令實時讀取PLC存儲區(qū)內容實時顯示并做相應控制。網(wǎng)絡2由控制器PLC實時采集現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)并通過Modbus總線實時讀取變頻器運行參數(shù)以及故障記錄等存放在對應的存儲區(qū)中。同時，上位機可通過寫寄存器指令將相關的PLC輸出位如閥門開關等和變頻器運行參數(shù)(如速度、頻率)寫入PLC的相應存儲區(qū)，再通過網(wǎng)絡2的Modbus總線由PLC寫入變頻器。
3.1 PLC設置
S7-200支持多種網(wǎng)絡通信方式，S7-226型PLC上有兩個RS-485通信口(port0和port1)，每個口各自獨立，有自己的網(wǎng)絡地址、通信速率等參數(shù)設置。通過將通信口連接至不同的設備可以同時將PLC置于不同的網(wǎng)絡中。
本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡1由上位機通過port0口與PLC連接，在網(wǎng)絡1中，PLC作為從站，其通信設計流程如圖3所示。網(wǎng)絡2由PLC的port1口連接到變頻器的Modbus總線上，在網(wǎng)絡2中，PLC作為主站，其通信設計流程如圖4所示。port0口和port1口支持三種通信協(xié)議：PPI協(xié)議、MPI協(xié)議和自由口模式。S7-200編程軟件Micro/WIN提供了Modbus RTU指令庫，通過自由口模式實現(xiàn)Modbus通信功能，在程序中通過調用相應指令庫編程即可進行相關通信操作。因此，本系統(tǒng)將port0口和port1口均設為自由口模式。
3.2 變頻器配置
ABB ACS510變頻器內置現(xiàn)場總線，支持Modbus RTU模式。表2為ASC510支持的Modbus功能碼。本系統(tǒng)主要用到的是讀多個保持寄存器和寫多個保持寄存器指令。
為了激活串行通信，將與Modbus總線通信相關的主要參數(shù)設置如下：參數(shù)98組(ENCODER MODULE)中的參數(shù)9802(COMM PROT SEL)設為1(標準Modbus)；參數(shù)9807 (COMM PROFILE)設為1(ABB DRIVES)；根據(jù)主站的通信格式設置參數(shù)53組(STANDARD Modbus)中有關波特率、數(shù)據(jù)長度和校驗方式的參數(shù)，其中參數(shù)5302(EFB STATION ID)設為相應的站號，本系統(tǒng)設置6臺變頻器的站號依次為1~6；參數(shù)5303(EFB BAUD RATE)設為9 600(9 600 b/s)；參數(shù)5303(PARITY)設為0(8 bit，無校驗，1 bit停止位)。變頻器被讀取的參數(shù)組主要為第1組運行數(shù)據(jù)，第4組故障記錄，需要通過上位機設置進行控制的主要是第12組恒速設定。
3.3 上位機實現(xiàn)
上位機監(jiān)控程序利用VB6.0提供的ActiveX串口通信控件MScomm編寫。在VB6.0的工程部件中引用Microsoft Comm Control 6.0(MSComm)，同時設置其相應的屬性值[6]。當串口有通信事件(發(fā)送或接收數(shù)據(jù))發(fā)生時，通信控件發(fā)出OnComm事件，處理發(fā)送或接收到的數(shù)據(jù)，并在定時器內將接收到的數(shù)據(jù)實時分離出來顯示在監(jiān)控界面上。對各池的流量、DO值、ORP值做實時曲線顯示并實時將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以便進行歷史數(shù)據(jù)查詢和報表輸出。圖5為上位機監(jiān)控的主畫面。
該基于Modbus的分布式控制網(wǎng)絡在巢湖污水處理系統(tǒng)中投入運行，系統(tǒng)的自動化程度得到了很大的提高，操作方便、靈活、可靠，減輕了現(xiàn)場工人的勞動強度，產(chǎn)品質量得到了有效的保證。而且，系統(tǒng)因采用了數(shù)字通信，所以布線簡單，節(jié)省了大量模擬控制必需的控制器件，降低了成本，具有工程推廣價值。
參考文獻
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