基于Modbus 协议的仿FCS面粉生产控制系统设计

潘晓萌，罗 霄

（1.河南职业技术学院 科技开发处，河南 郑州 450046；2.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015）

0 引言

自20 世纪80 年代面粉自动生产线开始出现在国内以来，面粉加工业已经走过了由传统继电器到基于PLC 程序控制的改造之路.但随着工厂的发展，设备的增多，改造时间的不同，就出现了多个控制系统并存的问题.传统DCS（分布式控制系统）系统基本上都是一对一连线，无法实现对现场设备和数据参数的集中监控，而基于PLC 的程序控制相比于传统控制系统要强很多，但随着时间推移，将会产生许多问题，对后续生产带来较大影响[1].原有的生产控制模式无法有效满足企业现代化发展的要求，必须加以改造升级.

1 系统改造方案设计

1.1 原控制系统网络

原控制系统结构如图1 所示.

图1 原控制系统结构Fig.1 Structure of original control system

经过深入分析后发现，原系统主要存在5 个方面的弊端：

（1）系统设备落后.主控室的工控机与监控设备的接口过于陈旧，已经被市场淘汰，所以必须要对工控机加以更换.

（2）无法对原计算机中的数据加以备份，不能实现上位机的实时监控.

（3）尽管PLC 采用的是比较先进的欧姆龙和西门子，但由于工厂的生产模式和管理模式都已经发生巨大改变，不同厂家的PLC 无法实现数据交换和资源共享.

（4）原系统采用一个PLC 来完成对整个生产系统的控制，电缆分布过于复杂，距离太远，尽管采取的是管线铺设，但时间长了，难免会发生意外破损，为生产带来不必要的麻烦和损失.

（5）成品库中的定量称质量控制系统始终都是人工操作和控制，无法实现全自动化和全智能化，称量精准度也无法满足要求，亟需进行改造升级，数据采集和计算也要进行优化，以实现系统的全自动化操控.

1.2 改造系统控制的方案确定

经过深入分析和全面考虑，设计并确定了最终系统方案，就是在将原系统改造为多个DCS 系统的基础上，利用网络共用的通讯协议实现仿FSC控制系统.分布式控制系统在模拟量较少的系统中具有更强的实用性，本项目无需太多的模拟通道，因此可以有效确保该项目的经济性，实现效益最大化[2].

将主控室的工控机作为系统主站，与组态软件一起实现自动化、信息化和智能化系统控制.分布式DCS 系统分别实现对现场设备状态、启停进行实时监控.其中的模拟量输入模块主要用于采集现场料位、产量等信号反馈信息；模拟量输出模块则实现对调节阀的实时控制.

2 PLC 通讯方案的确定与实现

2.1 系统分析

要实现不同PLC 之间和上位机之间的数据交换与资源共享，再考虑到实际层面无法实现对硬件设备的大批更换，所以在改造过程中要充分利用原有的数据接口，选取网络共用的通信协议，以串行的方式加以实现[3].整个系统中，C200HS 的PLC 实现对整个生产流程的操控，就是实现面粉加工中的自动测量、自动计算和自动控制，而分布于两个车间的S7-200PLC 则是用于对数据进行采集和检测.放置于现场的电子秤设备尽管属于信息采集系统的一部分，但实际上并不具备控制功能.为了提高通讯性能，本系统采用主从模式进行结构架设[4].

2.2 Modbus 通讯网络协议

该通信协议的开发商是Modicon 公司，属于一种应用于PLC 或相关工业控制器上的通用协议，是一个定义PLC 控制器可以识别使用的通讯结构，描述主控制器访问从站设备的过程.

2.3 通讯接口的选择

通讯接口选择RS232/RS485，这样可以和原有系统的RS232 接口相结合，完成不同PLC 之间的数据规约转换.电气接口选用RS485，采用二线差分平衡器，确保一根导线的电压值是另一根的2倍，接收端的输入电压是两根电压值的初值.

2.4 通讯方案实现

根据Modbus 协议规则，基于Modbus 的通讯系统可以包含多达255 个从站，但是从站不可能有那么多，而且有且只能有一个.本系统将主控室工控机选为主站，原工控机的串口利用Hostlink 实现与欧姆龙C200HS PLC 的实时通讯，剩下的另一个串口则利用Modbus 协议与西门子S7-200 PLC 实现主从通讯，利用组态软件将生产过程中的一系列数据和状态进行上位机界面的实时呈现[5].事实上，系统包含了两个从站，一个是分布于成品库的S7-200 的PLC，一个是配粉车间的S7-200 的PLC，这样就将主站地址设为1，西门子S7-200 从站地址均设为2，欧姆龙C2200HS 从站地址设为4，这些设置要靠PLC 自主设置和专业编程实现，然后再组态软件中完成相关的设置，以此来实现硬件系统和软件系统的连接.具体的结构如图2 所示.

图2 通讯系统的结构Fig.2 Erecting diagram structure of communication system

3 PLC 控制系统设计与实现

3.1 设计流程

改造后的控制系统设计具体包括确定控制范围、外围电路设计、动态软件设计、I/O 点分配和现场调试等.具体的PLC 系统设计流程如图3 所示.

3.2 控制流程

具体的控制流程如图4 所示.

系统在正式运行调试阶段，要实施初始化检测，若是包装袋没有停到位，那么就启动相关设备调整包装袋位置，并对其他设备进行初始化检测，比如对称重仓内的面粉残留量进行统计显示等[6].按下SQ3 按钮后，系统进入准备运行状态，按下SB1 按钮后，系统正式运行.

3.3 软件编程设计

结合PLC 控制系统的硬件配置要求，在软件编程环节对硬件加以动态编程，通过分析得知，PLC 的机架主要是由3 个槽位构成的，即CPU 电源槽位、核心处理器槽位和通讯模块槽位，在动态编程过程中要分别对它们的型号、I/O 分配和信号类型加以具体定义.具体的编程流程如图5 所示.

图3 PLC 控制系统设计流程Fig.3 The process of PLC control system

图4 系统控制流程Fig.4 The process of system control

图5 软件组态编程流程Fig.5 Software configuration programming process

3.4 上位机和PLC 的通讯

目前，市场上有很多种较为流行的组态软件，但出于经济性、实用性和效率性考虑，本系统选择组态王软件实现仿真软件具体组态[7].系统改造方案中，主控室的工控机已设为主站，那么上位机要设为从站.打开组态王软件，对从机地址、数据段、功能码和校验码等固定参数加以设置.这些固定参数中，必须确保从机地址的不重复，以及其他参数与主模式参数相同性，否则，将不能实现上位机和PLC 之间的通讯[8].

4 结语

基于Modbus 协议的仿FCS 的面粉生产控制系统，实现了不同PLC 之间及主从站之间的实时通讯和资源共享.主从站之间采用Modbus 通信协议，上位机和PLC 之间采用Hostlink 通信协议，实现了设备层和管理层的独立运行，是一套具有较强实用性的系统设计方案，在控制领域具有广泛的适用性[9].经过最终的现场调试和试用，该系统改造方案与系统设计完全符合现代控制系统的发展要求，具有非常重要的现实价值.但是，由于在实践经验和理论研究方面还存在较大漏洞，比如生产控制系统结构太单一，核心扩展性能有待提高，触摸屏无法实现多台PLC 的操控，而在以后的系统升级中，若是采用485 通讯网络对变频器进行多台连接时，就会因通讯速率过低而延长轮询时间，将严重影响控制性能[10].这些问题尚待深入探究，控制系统还有很大的改进空间.

［1］赵小龙，张为民.Modbus 协议在风光互补控制器中的应用研究［J］.安庆师范学院学报：自然科学版，2014（2）：65-68.

［2］刘敏层，邝涛，何莉鹏，等.基于Modbus 协议PLC 在中央空调水系统变频节能中的应用［J］.化工自动化及仪表，2014（5）：48-52.

［3］刘美俊，吴燕，练伟，等.基于Modbus RTU 协议的智能低压断路器设计［J］.低压电器，2014（4）:34-37，39.

［4］毕海婷，任大伟.Modbus 总线PLC 冷库自动化控制系统［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2014（1）：107-111.

［5］左卫，程永新.Modbus 协议原理及安全性分析［J］.通信技术，2013（12）：70-73.

［6］李兰忖.面粉生产智能控制系统［J］.粮油加工，2010（9）：72-75.

［7］沈大泉.DCS 控制系统在面粉生产中的应用［J］.数字技术与应用，2012（2）：16-19.

［8］王亮.PLC 在机械手改造中的应用［J］.机械制造与自动化，2005（6）:147-149.

［9］黄赞.PLC 在工业机械手控制系统改造中的应用［J］.机床与液压，2005（7）：200-201，155.

［10］李晓波，崔琪.基于PLC 的工业取料机械手控制系统设计［J］.机械制造与自动化，2007（4）：122-123，126.