基于Modbus的分布式控制網(wǎng)絡(luò)在污水處理中的應(yīng)用

陳 梅，朱小麗，李 鑫，陳 薇

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

分布式控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)視、控制技術(shù)發(fā)展和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)物。分布式控制網(wǎng)絡(luò)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(guò)程的安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化程度[1-2]。

Modbus是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備。許多工業(yè)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以直接連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需轉(zhuǎn)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(jì)性，Modbus通信被廣泛應(yīng)用于電力、化工、冶金等領(lǐng)域。本文介紹了基于Modbus的分布式控制網(wǎng)絡(luò)在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)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(jìn)水泵首先流進(jìn)缺氧池，在缺氧池內(nèi)攪拌均勻后，流入?yún)捬醭兀唤?jīng)過(guò)厭氧池?cái)嚢韬脱趸€原反應(yīng)，進(jìn)入好氧池；在好氧池內(nèi)曝氣，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量的大小來(lái)控制好氧池的含氧量(DO傳感器值)，然后流進(jìn)預(yù)缺氧池(SW池)；經(jīng)過(guò)化學(xué)藥品處理和反沖洗等工藝，進(jìn)行降氧；最后流進(jìn)膜生物反應(yīng)器池(MBR池)，進(jìn)行進(jìn)一步微生物生化反應(yīng)和過(guò)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(jìn)水量設(shè)定。

圖1 污水處理系統(tǒng)生產(chǎn)工藝

1.2 控制對(duì)象

該污水處理系統(tǒng)的控制對(duì)象為PC機(jī)、PLC和6臺(tái)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(fēng)機(jī)；各池的流量計(jì)、含氧量傳感器DO和ORP傳感器。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 污水處理系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)采用一臺(tái)PLC作為控制系統(tǒng)的主控制器，并擴(kuò)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(dòng)行走電機(jī)運(yùn)行，使用變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)、無(wú)級(jí)變頻調(diào)速和快速停車等功能。變頻器根據(jù)電機(jī)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(guò) 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(shí)時(shí)讀取變頻器的主要運(yùn)行參數(shù)，如功率、電流、電壓和輸出頻率等。采用PC機(jī)作為人機(jī)界面的總體設(shè)計(jì)方案，上位機(jī)即為個(gè)人PC機(jī)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(luò)中用于對(duì)自控設(shè)備進(jìn)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(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)的PLC和多臺(tái)變頻器以及上位機(jī)和PLC之間均采用Modbus協(xié)議RTU模式進(jìn)行通信。表1為Modbus RTU模式下信息幀格式[3]。

表1 Modbus RTU模式下信息幀格式

(1)地址域

地址域?yàn)楸徊樵兊膹墓?jié)點(diǎn)設(shè)備的地址，它所表示的從節(jié)點(diǎn)的有效地址范圍是0～247，其中0表示廣播地址。

本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)1由上位機(jī)通過(guò)port0口與PLC連接，在網(wǎng)絡(luò)1中，PLC作為從站，其通信設(shè)計(jì)流程如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)2由PLC的port1口連接到變頻器的Modbus總線上，在網(wǎng)絡(luò)2中，PLC作為主站，其通信設(shè)計(jì)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ModbusRTU指令庫(kù)，通過(guò)自由口模式實(shí)現(xiàn)Modbus通信功能，在程序中通過(guò)調(diào)用相應(yīng)指令庫(kù)編程即可進(jìn)行相關(guān)通信操作。因此，本系統(tǒng)將port0口和port1口均設(shè)為自由口模式。

(3)數(shù)據(jù)域

通常來(lái)說(shuō)，都是在道路橋梁兩端各開出一個(gè)12厘米左右的溝槽，然后對(duì)開槽所產(chǎn)生的灰渣進(jìn)行清理。在進(jìn)行開槽施工之前，需要對(duì)混凝土路面進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收合格之后，才能根據(jù)施工圖紙，來(lái)確定開槽的實(shí)際寬度，并進(jìn)行準(zhǔn)確的放線，然后在采用切割機(jī)設(shè)備來(lái)進(jìn)行鋸縫，確?？p線的順直。在鋸縫施工之前，需要對(duì)周邊的混凝土路面采取相應(yīng)的防護(hù)措施，鋪蓋塑料布并粘貼膠帶，從而防止鋸縫過(guò)程中所產(chǎn)生的灰塵污染到路面。在進(jìn)行下一步的開槽施工時(shí)，要禁止橋面通車，從而防止橋面出現(xiàn)震動(dòng)而導(dǎo)致開槽出現(xiàn)偏差，確保開槽施工質(zhì)量。

結(jié)合本文比較研究的國(guó)際經(jīng)驗(yàn)及我國(guó)“一帶一路”倡議下自貿(mào)園區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略的客觀情況，我們可以邏輯上推導(dǎo)出如下啟示或建議。

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支持多種網(wǎng)絡(luò)通信方式，S7-226型PLC上有兩個(gè) RS-485通信口 (port0和port1)，每個(gè)口各自獨(dú)立，有自己的網(wǎng)絡(luò)地址、通信速率等參數(shù)設(shè)置。通過(guò)將通信口連接至不同的設(shè)備可以同時(shí)將PLC置于不同的網(wǎng)絡(luò)中。

為更好說(shuō)明電橋響應(yīng)，給出量化考核結(jié)果。典型的用于評(píng)定應(yīng)變計(jì)電橋載荷校準(zhǔn)結(jié)果好壞的手段是響應(yīng)系數(shù)。該系數(shù)定義為[7]：

本系統(tǒng)包括上位機(jī)和PLC以及PLC和變頻器之間的通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)1上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)讀連續(xù)寄存器指令實(shí)時(shí)讀取PLC存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)容實(shí)時(shí)顯示并做相應(yīng)控制。網(wǎng)絡(luò)2由控制器PLC實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)并通過(guò)Modbus總線實(shí)時(shí)讀取變頻器運(yùn)行參數(shù)以及故障記錄等存放在對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中。同時(shí)，上位機(jī)可通過(guò)寫寄存器指令將相關(guān)的PLC輸出位如閥門開關(guān)等和變頻器運(yùn)行參數(shù)(如速度、頻率)寫入PLC的相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)2的Modbus總線由PLC寫入變頻器。

（3）以幼兒發(fā)展為中心的原則：家長(zhǎng)助教的最終目的是促進(jìn)幼兒的發(fā)展，所以活動(dòng)的核心應(yīng)圍繞幼兒的全面發(fā)展進(jìn)行。

(4)校驗(yàn)域

在Modbus通信協(xié)議中的幀校驗(yàn)通常采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)。整個(gè)信息幀以連續(xù)的數(shù)據(jù)位流進(jìn)行傳輸，CRC從地址域開始對(duì)報(bào)文幀的所有數(shù)據(jù)集進(jìn)行校驗(yàn)。

8 bit功能域的有效編碼是1～255，用于說(shuō)明從節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的寄存器；06H為設(shè)置從節(jié)點(diǎn)的單個(gè)寄存器；10H為設(shè)置從節(jié)點(diǎn)的多個(gè)寄存器。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[4-5]

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(cè)量控制信息。

3.1 PLC設(shè)置

利用規(guī)范化綜合影響矩陣NTDI=(ntdiny)4×4、超矩陣RI=(riny)4×4和式(13)構(gòu)造新的加權(quán)超矩陣W=(wny)4×4，如表5所示。對(duì)加權(quán)超矩陣W=(wny)N×N進(jìn)行穩(wěn)定處理，得到各指標(biāo)的穩(wěn)定關(guān)聯(lián)權(quán)重{w1,w2,w3,w4}={0.354,0.228,0.272,0.146}。

(2)功能域

圖3 網(wǎng)絡(luò)1中PLC通信設(shè)計(jì)流程

圖4 網(wǎng)絡(luò)2中PLC通信設(shè)計(jì)流程

3.2 變頻器配置

ABB ACS510變頻器內(nèi)置現(xiàn)場(chǎng)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(gè)保持寄存器和寫多個(gè)保持寄存器指令。

表2 變頻器modmus支持的功能碼

為了激活串行通信，將與Modbus總線通信相關(guān)的主要參數(shù)設(shè)置如下：參數(shù) 98組(ENCODER MODULE)中的參數(shù) 9802(COMM PROT SEL)設(shè)為 1(標(biāo)準(zhǔn) Modbus)；參數(shù) 9807(COMM PROFILE)設(shè)為 1(ABB DRIVES)；根據(jù)主站的通信格式設(shè)置參數(shù)53組(STANDARD Modbus)中有關(guān)波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和校驗(yàn)方式的參數(shù)，其中參數(shù)5302(EFB STATION ID)設(shè)為相應(yīng)的站號(hào)，本系統(tǒng)設(shè)置6臺(tái)變頻器的站號(hào)依次為 1～6；參數(shù) 5303(EFB BAUD RATE)設(shè)為 9 600(9 600 b/s)；參數(shù) 5303(PARITY)設(shè)為 0(8 bit，無(wú)校驗(yàn)，1 bit停止位)。變頻器被讀取的參數(shù)組主要為第1組運(yùn)行數(shù)據(jù)，第4組故障記錄，需要通過(guò)上位機(jī)設(shè)置進(jìn)行控制的主要是第12組恒速設(shè)定。

3.3 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)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(shí)設(shè)置其相應(yīng)的屬性值[6]。當(dāng)串口有通信事件(發(fā)送或接收數(shù)據(jù))發(fā)生時(shí)，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(shí)器內(nèi)將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分離出來(lái)顯示在監(jiān)控界面上。對(duì)各池的流量、DO值、ORP值做實(shí)時(shí)曲線顯示并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表輸出。圖5為上位機(jī)監(jiān)控的主畫面。

該基于Modbus的分布式控制網(wǎng)絡(luò)在巢湖污水處理系統(tǒng)中投入運(yùn)行，系統(tǒng)的自動(dòng)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(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，產(chǎn)品質(zhì)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(jiǎn)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(jià)值。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控主畫面

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