污水厂新增提升泵流量计与自动化系统通信

姬常州

（广州市净水有限公司 广州）

一、概况

沥滘污水厂一期设计日处理水量为20万t，提升泵房有5台提升泵，3用2备。每台提升泵功率150 kW,使用ABB软启动进行降压启动，额定流量为2083 m3/h。污水提升高度15 m，提升泵管径D1200 mm，每天预计总提升量为23万t。一期原设计中，提升泵电房柜内有自控设备PLC，型号Allen-Bradley Logix5550 Controller，对提升泵房阀门、粗细格栅、提升泵进行自动远程控制和状态监控，没有相应的通信模块，但PLC具有较好的功能扩展性，能够按要求增加各种特殊功能模块实现不同需求。

二、改造方案

一期原设计中，污水提升泵没有安装流量计，所以无法对泵的工况流量实施监控，也不能及时与出水总量对比。为更好地体现节能降耗的效果，决定对每台提升泵安装流量计，并通过Modbust通信传输方式，实时监控泵的运行情况和记录提升流量的工况。

图1 MVI56-MCM通信模块工作原理

1.电磁流量计特点

测量管道内无阻力元件，没有附加的压力损失，不易发生堵塞，具有显著的节能意义；测量管道内无可动部件，不易磨损，因此传感器寿命长；传感器所需的直管段较短，方便安装；合理选择电极和内衬材料，可耐腐蚀和耐磨损；双向测量系统，可测正反向流量；流量的测量为体积流量，不受流量的密度、黏度、温度、压力、和电导率变化的影响；传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系，测量精度高（±0.3%～-0.5%），量程比宽（1∶150）。一般具有模拟量输出和Modbus通信两种数据传输方式。

图2 定义模块用户数据类型

2.Modbus协议在电磁流量计通信中的作用

图3 立式铣床加工多铸球模具简图

目前污水处理厂所用的电磁流量计，大部分都配有串行数据接口（如 RS-232/485），并且接口支持 MODBUS总线协议。一般电磁流量转换器 MODBUS通信采用标准 MODBUS通信协议，MODBUS模块和上位机进行通信为 600～19 200 bps，波特率设备地址可以通过键盘进行设置。通信由主机发起，主机首先发送消息帧，消息帧的发送间隔必须＞3.5个以上字符的发送时间。消息帧发送的第一个字节是设备地址，从设备不断的侦测网络总线当接收到第一个字节，每一个设备都进行解码以判断是否是发往自己的消息帧；接收到一个字符之后，如果停顿时间超过 3.5个以上字符的发送时间，标志着前一个消息帧发送结束，一个新的消息帧在此停顿后开始。字符间隔不能大于一个字符，否则认为是一条新的消息帧开始，老的消息帧结束。消息帧定义见表1。

表1 消息帧定义

Modbus通信协议规定了2种通信方式，RTU （REMOTETERMINAL UNIT）方式，采用 8位字节的二进制数据通信，数据校验采用CRC循环冗余校验，通信速度较快；ASCII方式，采用7位ASCII码进行通信，数据校验采用LRC逻辑冗余校验，通信速率较慢。

针对MODBUS在电磁流量转换器上的应用，在 MODBUS的功能码中，不同公司采用不同的方式实现，有的公司只用了3个功能码：03、04、06。03 号功能码主要用来读取流量信息，包括瞬时流量、流速、流量百分比、电极电阻、正向累计、反向累计、仪表口径、报警状态等；04号功能码用来读取键盘参数，06号功能码用来设置键盘参数。

根据以上特点，计划安装上海科隆电磁流量计。由于污水厂的节能降耗要求，需要将累计数据准确上传到中控室，电磁流量计决定使用Modbust通信传输方式。过程需要在原有自控设备PLC增加MVI56-MCM通信模块，并与流量计能进行良好通信，使用总线型拓扑结构，PLC与中控通过原有光纤传输数据，中控室上位机系统为Factorytall view SE终端控制。

表2 主站命令内容

图4 模块数据进行清零

三、设备编程调试

1.MVI56-MCM通信模块工作原理

MVI56-MCM通信模块是Modbus网络和PLC之间的一个网关。工作原理见图1。

该模块被设置为主站驱动模式，其他通信对象为从站，所有输入、输出数据都是通过模块内部数据库与镜像数据地址进行交换，该数据库长度为0～6999个字，前5000个为用户交换数据，后2000个为模块设置和状态，模块的启动及通信控制包括各个从站数据读、写，从站地址周期轮询都通过PLC程序控制，但是发送到各个从站的启动命令、控制命令等是要事先填写到模块对应的数据表中。

2.模块在PLC中的整个组态过程

（1）添加硬件模块到PLC中。选择Modbus模块点击OK添加到程序中，如果PLC程序版本比较低，则需要通过厂家提供的光盘对硬件库进行升级，才能找到后期生产的MVI56-MCM通信模块与当前PLC编程软件兼容。

（2）模块设置。对模块进行设置，包括模块名称、描述、槽号、通信的数据格式、模块输入、输出的数据库大小。

（3）设置完成后显示一个已组态的模块。

（4）接着需要定义模块用户数据类型（User Defined Data Types），见图2。在厂家提供的光盘中有这些样例程序，可以直接拷贝这些已经定义好的数据块。当模块运行时在模块中存放着通信数据和状态数据，但是这些数据是存放在连续的地址中并且不带注释，在实际使用中不能直观地了解数据内容，因此需要将这些数据传输到PLC已定义好的数据库中，方便使用和调用这些数据。

（5）打开模块定义好的标签库就可以看到相应的标签地址。为了使用模块，还需要对模块设置一些数据，这个数据块在添加模块时已经生成，仅通过定义就可以调用。

（6）模块端口设置（图3）。主站命令内容见表2。

3.程序编写

在PLC程序中添加一个Modbus周期扫描程序。模块通信不是一个连续的过程，是对各个从站进行轮询，并且PLC程序也是周期扫描读取的，因而读取到的数据会和现场有一定的延时，但它保证了准确无误差地读取数据，对于实时控制要求不高但要求数据准确的控制是有效的。为防止PLC停电和重新上电时或模块重启显示错误数据，必须要使用模块初始化程序对模块数据进行清零，见图4。

主程序通过判断Local:1:l:Data[249]的状态确定是否有新的数据从模块传输的处理器，如果有更新，程序将按顺序执行读ReadData和写WriteData任务（图5）。

图5 判断与读写

下一行程序判断在输入镜像中接收到的新数据是否是用户数据。如果是梯形逻辑程序会把数据正确的放在处理器的读数据区MCM.ReadData[].每次块传输可以传送200个数据字，除用户数据外，数据中还包含重要的状态数据。这些数据也要复制到模块的响应数据区域中区MCM.InStat，通过这些状态字可以判断模块是否正常（图6）。

图6 判断数据

图7 对从站地址发送请求命令

图8 模块设置传送

图9 模块设置命令

PLC控制模块对从站地址发送请求命令，共128个从站（图7）。

将模块设置传送到模块每次传送200个字，3次共600个数据（图8）。

允许模块设置命令为9000（图 9）。通过以上设置启动通信模块发送通信命令和接受子站数据。

4.科隆电磁流量计参数设置

C5.8.2地址设置 00……15

C5.8.3信息传输文本No parity

C5.8.4说明Big Endian

C5.8.6停止位 1 stop bit提升泵启动命令；1A 03 00 89 00 1E 17 C3

1A设备地址，03 00读取数据表，89 00 1E读取数据长度，17 C3命令校验码。

Modbus通信是当前不同厂家设备间通信普遍使用的一种协议，在实际使用中必须了解双方设备应用与设置，每种产品的设计不一样，所要编写的程序也不一样，要求厂家提供细致的说明是很必要的，但是国产设备普遍提供的说明都过于简单对调试有很大的影响，因此需要与设备技术人员进行沟通的同时需要通过第三方提供的RS232测试软件进行测试以确定其数据格式和数据表格中的位置。

四、小结

污水厂提升泵房是将需要处理的污水进行势能提升，其电能消耗在污水处理过程占相当大的部分，因此工况能耗检测是很重要的。当集水井水位过低或污水含砂量过大就会影响提升量，污水处理过程中部分污水会在污泥回流、排泥、冲渣、终水回用以及管道超越等处损失掉。当损失量过大时将影响能效比，导致生产成本提高，因此需要对提升量和出水流量进行对比，及时分析数据降低能耗，为节能降耗的工作做好铺垫。

在污水计量中起到关键作用的流量计就显得非常重要，为保证计量数据的稳定性、可靠性和精确性，采用串口方式基于Modbus协议进行数据通信的优势就尤为突出。这种串口通信方式，必将在今后污水处理厂的自动化系统和信息集成系统中，应用的更加广泛。