Modbus总线式本质安全栅的研究与验证

伍　城　赵怀林　王　林　杜　刚　王竹平

(上海应用技术大学电气与电子工程学院1，上海　201418；上海辰竹仪表有限公司2，上海　201612)

Modbus总线式本质安全栅的研究与验证

伍城1赵怀林1王林1杜刚2王竹平2

(上海应用技术大学电气与电子工程学院1，上海201418；上海辰竹仪表有限公司2，上海201612)

摘要：在石油、石化等具有潜在爆炸性环境的过程行业中，须采取高效的防爆措施，因此，对本质安全栅的研究显得尤为重要。对本安防爆技术、基于Modbus通信协议等作了详细的研究，并给出设计本安产品参数值的计算方法。采用TI公司生产的ADS1247采样芯片和MSP430F149单片机完成产品设计，解决了复合波雷电冲击时仪表输出数值的偏差大以及温漂高于平均值等设计难点。试验结果表明，该系统具有良好的稳定性、操作性与可靠性。

关键词：防爆本质安全栅Modbus协议ADS1247MSP430F149智能仪表

0引言

本安型仪表即本质安全型仪表，在正常状态和故障状态下，其电路系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。但它不能单独使用，必须和本安关联设备安全栅、外部配线一起组成本安电路，才能发挥防爆功能[1-2]。

本安防爆型安全栅是本安防爆系统的重要组成部分。为了保证电气设备在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障的情况下，所产生的电火花和热效应不至于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸，安全栅利用限流和限压原理，限制了从安全场所传递到危险场所的能量[3-4]。

在本安系统中，危险侧的简单设备虽然自身不产生超过标准要求的能量，但却无法限制由于安全区的设备故障导致的大电流、高电压输入所产生的危险火花。因此，要保证现场的绝对安全，必须为其回路设置安全限能措施。本质安全栅恰好能满足上述要求，保证危险区现场本安仪表与安全区PLC/DCS系统的隔离传输，从而构成本安系统[5-6]。

Modbus总线技术是应用于控制器的一种通用高性能工业标准[7]，可解决模拟量信号在工业设备之间传输时存在易受干扰和长距离传输时信号衰减的问题。本文研究并设计了带Modbus总线通信的本质安全栅智能仪表。

1本质安全栅主体模块

为使仪表传输精度不大于0.1%F·S，信号输入模块采用TI高精度24位ADS1247模数转换芯片对现场仪表变送器进行采样处理。现场信号通过TI的MSP430系列单片机处理后输出PWM波，并按照Modbus-RTU协议，以RS-485电气总线标准输出4～20 mA电流信号。具体的硬件电路设计框图如图1所示。

图1　硬件电路设计框图

输入电路采用多功能设计，连接电流源和二线制变送器。输入部分包含信号采集、信号处理(转换)等。输入端口原理图如图2所示。

图2　信号输入模块原理图

由MSP430F系列单片机程序控制，调制输出PWM电压波形。实现方法是通过比较器对程序内部标定参考电压值与输入采样的电压值进行比较判断，最终得到期望的PWM波形信号。输出的电压信号串联电阻和三极管，使三极管在开启或关断状态下工作，从而得到稳定的电压输出。改变输入调制波和载波波形的脉冲宽度，可以得到理想占空比的PWM波形。PWM调制方式工作原理如图3所示。

图3　PWM调制方式工作原理图

将基准电压与输出端分压电阻反馈的电压差通过放大器放大，得到误差放大信号，将其输入到控制比较器，比较器的另一端输入ADS1247采集到的锯齿波信号。当锯齿波电压大于误差放大信号值时，比较器输出高电平，功率晶体管被驱动导通；反之，功率晶体管被驱动关断。

考虑到复杂的现场情况，各节点之间存在很高的共模电压干扰。虽然RS-485接口采用差分传输方式，具有一定的抗共模干扰能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，接收器就再也无法正常工作，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。对此，本硬件电路采用光电耦合器HCPL0501，实现信号隔离，彻底消除两端共模电压的干扰问题，提高电路的抗干扰性。

接收器的检测灵敏度为±200 mV，即差分(UA-UB)≤-200 mV，输出逻辑0；输入端(UA-UB)≥+200 mV，输出逻辑1；若A、B之间电位差的绝对值小于200 mV，输出未知。如总线上所有发送器被禁止，接收器输出逻辑0，这会被误认为是由于通信帧起始引起的工作失常。通过在电路中A、B输出端接上拉、下拉电阻R6、R11，使A处电位高于B处，这样RXD的电平在RS-485不发送期间呈现唯一高频状态，MCU就不会被中断而接收到乱码字符。

为了达到工业现场本安要求，硬件电路在选择参数时，计算方法如下。

①稳压管功率计算：

PZ=1.7×In×U0×1.5

(1)

②稳压管限流电阻功率计算：

方法一：

(2)

方法二：

PR2=(1.7×In)2×R2min×1.5=(1.7×In)2×[R2×(1+1%)]×1.5

(3)

③保险丝限流电阻功率：

PR2=(1.7×In)2×R1max×1.5=(1.7×In)2×[R2×(1+1%)]×1.5

(4)

2Modbus通信总线模块

Modbus协议的通信采用应答方式，由主机发起请求，从机执行请求并应答。通常基于Modbus协议的通信支持两种传输模式：ASCII和RTU。其帧结构如图4所示。

图4　通用Modbus帧格式

此处设备使用远程终端单元(remote terminal uint，RTU)模式在Modbus串行链路通信，报文中每个字节包含有2个4位十六进制字符。这种模式的主要优点是在相同的波特率下具有较高的字符密度和比ASCII模式更高的吞吐率。其中，每个报文必须以连续的字符流传输[8]。

2.1Modbus部分功能码

功能码03(0x03)：读一个或多个寄存器，即读取从站的数据(字)寄存器值(最多可以有125个数据寄存器)。此功能码是系统设计中主要的实现码。具体定义如表1、表2所示。

表1　读取保持寄存器(功能码0x03)问询帧

表2　读取保持寄存器(功能码0x03)应答帧

2.2数据传输命令帧处理过程

PLC在本安防爆仪表数据传输中，命令帧处理程序包括解析命令帧、处理命令帧和发送回应帧。命令帧程序处理流程如图5所示。

图5　命令帧程序处理流程图

如从站地址与PLC相符，则对整帧进行CRC 16计算并校验Modbus数据帧最后2个CRC字节，如计算的CRC数值与Modbus数据帧的CRC不一致，则返回并等待PLC重新发送询问帧。在处理中根据收到的数据帧功能码，由PLC进行相应的处理，在此例中用到功能码(如：0x03的读取功能)。在随即产生的Modbus应答响应帧中写入功能码所读取的现场安全栅数据，一同发送给主机，实现PLC与仪表之间的数据交换。在本次发送结束后等待新命令的到来。

3试验测试及分析

本次试验严格按照测试要求，使用专业的设备器材进行检测、调试。由于试验内容较多，以下列举浪涌冲击试验、输出开路、短路试验、电源电压变换试验、电快速脉冲群试验、短时波动试验等试验数值。部分试验测得的具体数据如表3、表4所示。

表3　短时波动数据记录

表4　电快速脉冲群测试数据

依据GB/T 18271.1-2000的试验要求，测试所得的结果符合行业仪表设计标准。

测试主要解决的问题包括：EMC测试中抗浪涌冲击能力，仪表输出开路和短路影响、仪表响应时间等。

抗浪涌冲击现象是指在进行2 kV/1 kA的8/20 μs和1.5/20 μs复合波雷电冲击时，仪表输出数值发生了36%的偏差。这使得ADS1247转换芯片出现编译乱码的现象，影响仪表的工作性能。

其解决方法有：①通过电路端口设计抗浪涌电路。采用气体放电管泄放，以保护电路端口，防止来自外界的浪涌冲击。②在PCB电路布线时，加大端口的布线宽度，以增强端口的过电流能力。③在A/D转换部分采用中位值平均滤波和一阶滞后滤波。

4PLC/仪表数据通信检测程序

为测试本质安全栅的通信性能，系统设计基于PLC的通信主站，采集从站(安全栅)的偏移量、阻尼系数等参数值，并将每个参数集合传送到定义的数据地址块中，形成一对一的映射关系。

试验设计中，当PLC多地址模块同时段读命令时，会出现SystemResourceMissing(读取系统资源缺乏)和CommError中的TimeOut(功能块在超时时间到期时停止工作)现象，常常导致通信数据读取失败或通信中断，出现系统通信可靠性较差、通用性不强等缺陷。

为此进行程序优化，在PLC发起给主程序读址模块上升沿触发时，在后续读址模块前加入定时器触发延时，以实现主机读写延迟操作，解决读取数据堆栈时的拥堵问题[9]。试验表明：同时挂接32台仪表从站时，PLC能够达到稳定的运行工作状态。

5结束语

本文详细设计了基于Modbus现场总线的本质安全栅智能仪表，主要从安全栅主体模块和Modbus通信模块两部分进行阐述。在主体硬件设计完成基础上，对采集得到的数字A/D数据进行均值滤波处理，按照Modbus总线通信规范以及总线通信的特点与主站(PLC)进行数据通信。与此同时，开发了一个配套的PLC通信检测方案。试验结果表明：样机仪表具备响应速度快、高精度转换处理、无乱码、稳定性较高等特性。

参考文献

[1] 曲阳，王建辉，徐林，等.现场总线本质安全概念安全栅的研究开发[J].仪器仪表学报,2006,27(9):1004-1007.

[2] 蒋少栋,陈小全. 一种基于CAN总线频率变送安全栅设计[J].自动化与仪器仪表,2014(4)：83-84.

[3] 黄慧，张庆武，殷兴辉.基于C8051F020的PWM输出频率分析[J].数据采集与处理,2009(24)：229-232.

[4] 杜刚.基于CAN总线的防爆远程I/O系统设计及硬件实现[D].上海：上海交通大电子与通信工程学院,2009.

[5] 程杨,刘学平,占涛.一种基于MODBUS协议的工业控制系统设计[J].机械设计与制造,2011(1)：1-3.

[6] 潘悦.Modbus协议研究及其试验系统的设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,2007.

[7] 许燕萍,杨代华.RS485串行总线可靠性的研究[J].电子科技,2009,22(2)：8-10.

[8] 邓卫平.基于Modbus协议的PLC通信控制模块的实现[J].软件导刊,2008,7(11)：114-115.

[9] 单俊俊,陈出新,周婷,等.本安防爆类仪表性能自动测试系统:CN20207506U[P].2011-12-14.

Research and Verification of the Intrinsic Safety Barrier Based on Modbus

Abstract：In the process industries of petroleum, petrochemical and others that are under potentially explosive environment, to take effective measures of explosion-proof, researching intrinsic safety barriers is particularly important. The intrinsic safety explosion-proof technology and the Modbus communication protocol are researched in detail, and the computing method of parameters for designing intrinsically safe products is given. The product design is completed by using ADS1247 sampling chip and MSP430F149 single chip computer from TI, the problem of deviation of instrument output when composite wave lightning shocks occur, and other design difficulties such as temperature drift is greater than the average value are resolved. The experimental results show that the system has good stability, operability and reliability.

Keywords:Explosion-proofIntrinsic safety barrierModbus protocolADS1247MSP430F149Intelligent instrument

中图分类号：TH7;TP216

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606006

通信地址定义ADDM：管理表。本程序在Addr参数中写入“1.1”，定义PLC通信端口及从站仪表的设备地址。使用READ_VAR：连续读取功能块。从目标设备的寄存器区读取多个数据到功能块的读取数据接收缓冲区，最多可读取远程设备中的2 000个连续位，即125个寄存器。功能块中命名数组(如receivebuffer1、receivebuffer2、receivebuffer3等)来存放读取本安防爆仪表的内存数值。

国家自然科学基金资助项目(编号：61104082)。

修改稿收到日期：2016-03-19。

第一作者伍城(1990-)：男，2015年毕业于上海应用技术大学仿生装备与控制工程专业，获硕士学位；主要从事自动化检测仪表设计以及伺服控制系统的研究。