基于Modbus的分布式控制网络在污水处理中的应用

2011-05-14朱小丽

网络安全与数据管理 2011年15期

陈梅，朱小丽，李鑫，陈薇

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009)

分布式控制系统是生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物。分布式控制网络使得控制更便捷，精度更高，并减少了布线，大幅度提高了生产过程的安全性、经济性、稳定性、可靠性和自动化程度[1-2]。

Modbus是工业控制器的网络协议中的一种。此协议支持传统的 RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备(如 PLC、DCS、智能仪表等)都在使用 Modbus协议作为它们之间的通信标准，不同厂商生产的控制设备可以直接连成工业网络，无需转化器件，降低了工程的成本。由于Modbus协议的通用性和经济性，Modbus通信被广泛应用于电力、化工、冶金等领域。本文介绍了基于Modbus的分布式控制网络在污水处理系统中的应用和实现。

1 系统构成

1.1 污水处理的生产工艺

该污水处理系统的生产工艺如图1所示。污水由进水泵首先流进缺氧池，在缺氧池内搅拌均匀后，流入厌氧池；经过厌氧池搅拌和氧化还原反应，进入好氧池；在好氧池内曝气，通过调节曝气量的大小来控制好氧池的含氧量(DO传感器值)，然后流进预缺氧池(SW池)；经过化学药品处理和反冲洗等工艺，进行降氧；最后流进膜生物反应器池(MBR池)，进行进一步微生物生化反应和过滤。在SW池和MBR池均要打回流，回流比根据各池的传感器值和进水量设定。

图1 污水处理系统生产工艺

1.2 控制对象

该污水处理系统的控制对象为PC机、PLC和6台变频器，分别控制缺氧池、厌氧池、SW池的搅拌棒和SW池、MBR池的回流泵以及好氧池的曝气风机；各池的流量计、含氧量传感器DO和ORP传感器。系统控制框图如图2所示。

图2 污水处理系统控制框图

系统采用一台PLC作为控制系统的主控制器，并扩展了模拟量输入输出模块以连接各传感器。PLC采用S7-200系列CPU226模块，由变频器拖动行走电机运行，使用变频器可实现电机的软启动、无级变频调速和快速停车等功能。变频器根据电机参数及变频范围，选用ABB ACS510-01变频器，PLC与变频器之间采用基于Modbus总线的串行通信，通过 Modbus总线通信可以控制大功率变频器的启停和给定参考速度，并且可以实时读取变频器的主要运行参数，如功率、电流、电压和输出频率等。采用PC机作为人机界面的总体设计方案，上位机即为个人PC机或工业平板电脑。

2 通信协议

Modbus通信协议是工业控制网络中用于对自控设备进行访问控制的主从式通信协议，由Modicon公司开发，在工业控制网络中得到了广泛应用。本系统的PLC和多台变频器以及上位机和PLC之间均采用Modbus协议RTU模式进行通信。表1为Modbus RTU模式下信息帧格式[3]。

表1 Modbus RTU模式下信息帧格式

(1)地址域

地址域为被查询的从节点设备的地址，它所表示的从节点的有效地址范围是0～247，其中0表示广播地址。

本系统中，网络1由上位机通过port0口与PLC连接，在网络1中，PLC作为从站，其通信设计流程如图3所示。网络2由PLC的port1口连接到变频器的Modbus总线上，在网络2中，PLC作为主站，其通信设计流程如图4所示。port0口和port1口支持三种通信协议：PPI协议、MPI协议和自由口模式。S7-200编程软件Micro/WIN提供了ModbusRTU指令库，通过自由口模式实现Modbus通信功能，在程序中通过调用相应指令库编程即可进行相关通信操作。因此，本系统将port0口和port1口均设为自由口模式。

(3)数据域

通常来说，都是在道路桥梁两端各开出一个12厘米左右的沟槽，然后对开槽所产生的灰渣进行清理。在进行开槽施工之前，需要对混凝土路面进行验收，验收合格之后，才能根据施工图纸，来确定开槽的实际宽度，并进行准确的放线，然后在采用切割机设备来进行锯缝，确保缝线的顺直。在锯缝施工之前，需要对周边的混凝土路面采取相应的防护措施，铺盖塑料布并粘贴胶带，从而防止锯缝过程中所产生的灰尘污染到路面。在进行下一步的开槽施工时，要禁止桥面通车，从而防止桥面出现震动而导致开槽出现偏差，确保开槽施工质量。

结合本文比较研究的国际经验及我国“一带一路”倡议下自贸园区发展战略的客观情况，我们可以逻辑上推导出如下启示或建议。

Note: The work was supported by the “Research on Chinese Prehistorical Aesthetic Consciousness” project funded by National Social Science Foundation (Project ID 113-162441).

S7-200支持多种网络通信方式，S7-226型PLC上有两个 RS-485通信口 (port0和port1)，每个口各自独立，有自己的网络地址、通信速率等参数设置。通过将通信口连接至不同的设备可以同时将PLC置于不同的网络中。

为更好说明电桥响应，给出量化考核结果。典型的用于评定应变计电桥载荷校准结果好坏的手段是响应系数。该系数定义为[7]：

本系统包括上位机和PLC以及PLC和变频器之间的通信网络。网络1上位机监控系统通过读连续寄存器指令实时读取PLC存储区内容实时显示并做相应控制。网络2由控制器PLC实时采集现场传感器数据并通过Modbus总线实时读取变频器运行参数以及故障记录等存放在对应的存储区中。同时，上位机可通过写寄存器指令将相关的PLC输出位如阀门开关等和变频器运行参数(如速度、频率)写入PLC的相应存储区，再通过网络2的Modbus总线由PLC写入变频器。

（3）以幼儿发展为中心的原则：家长助教的最终目的是促进幼儿的发展，所以活动的核心应围绕幼儿的全面发展进行。

(4)校验域

在Modbus通信协议中的帧校验通常采用CRC循环冗余校验。整个信息帧以连续的数据位流进行传输，CRC从地址域开始对报文帧的所有数据集进行校验。

8 bit功能域的有效编码是1～255，用于说明从节点要完成的功能。例如功能码03H表示读寄存器，用于读取从节点的寄存器；06H为设置从节点的单个寄存器；10H为设置从节点的多个寄存器。

3 系统实现[4-5]

数据域包括本帧数据域的字节数量、数据字节1～n，这些数据字节可以是I/O值、状态数据或其他测量控制信息。

3.1 PLC设置

利用规范化综合影响矩阵NTDI=(ntdiny)4×4、超矩阵RI=(riny)4×4和式(13)构造新的加权超矩阵W=(wny)4×4，如表5所示。对加权超矩阵W=(wny)N×N进行稳定处理，得到各指标的稳定关联权重{w1,w2,w3,w4}={0.354,0.228,0.272,0.146}。

(2)功能域

图3 网络1中PLC通信设计流程

图4 网络2中PLC通信设计流程

3.2 变频器配置

ABB ACS510变频器内置现场总线，支持Modbus RTU模式。表2为ASC510支持的Modbus功能码。本系统主要用到的是读多个保持寄存器和写多个保持寄存器指令。

表2 变频器modmus支持的功能码

为了激活串行通信，将与Modbus总线通信相关的主要参数设置如下：参数 98组(ENCODER MODULE)中的参数 9802(COMM PROT SEL)设为 1(标准 Modbus)；参数 9807(COMM PROFILE)设为 1(ABB DRIVES)；根据主站的通信格式设置参数53组(STANDARD Modbus)中有关波特率、数据长度和校验方式的参数，其中参数5302(EFB STATION ID)设为相应的站号，本系统设置6台变频器的站号依次为 1～6；参数 5303(EFB BAUD RATE)设为 9 600(9 600 b/s)；参数 5303(PARITY)设为 0(8 bit，无校验，1 bit停止位)。变频器被读取的参数组主要为第1组运行数据，第4组故障记录，需要通过上位机设置进行控制的主要是第12组恒速设定。

3.3 上位机实现

上位机监控程序利用VB6.0提供的ActiveX串口通信控件MScomm编写。在VB6.0的工程部件中引用Microsoft Comm Control 6.0(MSComm)，同时设置其相应的属性值[6]。当串口有通信事件(发送或接收数据)发生时，通信控件发出OnComm事件，处理发送或接收到的数据，并在定时器内将接收到的数据实时分离出来显示在监控界面上。对各池的流量、DO值、ORP值做实时曲线显示并实时将数据存入数据库，以便进行历史数据查询和报表输出。图5为上位机监控的主画面。

该基于Modbus的分布式控制网络在巢湖污水处理系统中投入运行，系统的自动化程度得到了很大的提高，操作方便、灵活、可靠，减轻了现场工人的劳动强度，产品质量得到了有效的保证。而且，系统因采用了数字通信，所以布线简单，节省了大量模拟控制必需的控制器件，降低了成本，具有工程推广价值。