基于Modbus協(xié)議的立式爐電力監(jiān)測系統(tǒng)

王 艾，徐 冬

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司集成電路工藝設(shè)備研發(fā)中心，北京101312)

立式爐是300 mm集成電路制造的重要工藝設(shè)備，適用于集成電路制造過程中氧化、退火、薄膜生長等工藝。立式爐本質(zhì)上是一種半導(dǎo)體工藝熱處理設(shè)備，其中作為加熱功率供給單元的電力控制系統(tǒng)的安全性和可靠性直接決定了設(shè)備安全性能和工藝性能。因此，電力監(jiān)測系統(tǒng)是保證立式爐設(shè)備安全可靠運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)中，多通過測量電流、電壓、功率等一系列變送器及測量這些變送器標(biāo)準(zhǔn)輸出信號的輸入模塊作為系統(tǒng)的前端采集裝置。這種設(shè)計(jì)成本較高，而且現(xiàn)場布線復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性不高。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，綜合4C技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)過程的集中管理與分散控制。Modbus協(xié)議就是其中應(yīng)用較廣的一種通信協(xié)議。通過Modbus協(xié)議，上位機(jī)可對立式爐設(shè)備的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場的實(shí)時(shí)獲取和保存，保存的電力數(shù)據(jù)不僅可用于設(shè)備的故障診斷，還可用于分析爐體加熱器在各溫度點(diǎn)上的電學(xué)特性。

1 Modbus協(xié)議簡介[1]

Modbus通信協(xié)議是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中用于對自控設(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)控制中得到廣泛應(yīng)用。它有以下特點(diǎn)：物理接口符合EIA-485規(guī)范；組成主從訪問的一主多從控制網(wǎng)絡(luò)；通過簡單的通信報(bào)文完成對從節(jié)點(diǎn)的讀寫操作；通信速率可達(dá)115.2 kbps；在主節(jié)點(diǎn)輪詢即逐一單獨(dú)訪問從節(jié)點(diǎn)時(shí)，要求從節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)應(yīng)答信息；主節(jié)點(diǎn)也可以對網(wǎng)段上所有的從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播通信[2]。

表1 RTU消息幀

Modbus通信協(xié)議定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)膱?bào)文幀的每一位，及數(shù)據(jù)編碼、解碼過程。Modbus通信協(xié)議具有兩種報(bào)文幀格式：ASCII和RTU（remote terminal unit）報(bào)文幀格式。采用ASCII格式的報(bào)文以“：”開始，以兩個(gè)回車換行符結(jié)束，中間的信息為Modbus協(xié)議的內(nèi)容。采用RTU格式的報(bào)文則以傳遞一段空閑時(shí)間開始，這段時(shí)間不短于3.5倍的字符發(fā)送時(shí)間T，一般取4T，并以同樣4T的標(biāo)志來表示報(bào)文的結(jié)束。

一個(gè)采用RTU格式的Modbus通信協(xié)議的報(bào)文格式如表1所示。該報(bào)文以T1－T4標(biāo)志的報(bào)文的開始和結(jié)束，中間包括地址域、功能域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗(yàn)域。詳細(xì)如下：

（1）地址域：地址域?yàn)楸徊樵兊膹墓?jié)點(diǎn)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。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的從節(jié)點(diǎn)（從設(shè)備）會(huì)響應(yīng)包含了該地址的查詢。當(dāng)發(fā)送回一個(gè)響應(yīng)，響應(yīng)中的從機(jī)地址數(shù)據(jù)便告訴了主機(jī)哪臺(tái)從站正與之進(jìn)行通信。

（2）功能域：8位功能域的有效編碼為1-FFH，用于說明從節(jié)點(diǎn)要完成的功能。例如功能編碼03H為讀數(shù)據(jù)寄存器（內(nèi)部字變量），用于讀取從節(jié)點(diǎn)的寄存器的值；06H為設(shè)置單個(gè)寄存器，用于設(shè)置從節(jié)點(diǎn)的某個(gè)寄存器的值。

（3）數(shù)據(jù)域：數(shù)據(jù)域包含了從節(jié)點(diǎn)執(zhí)行特定功能所需要的數(shù)據(jù)或者從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)查詢時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容可能是數(shù)值、參考地址或者設(shè)置值。

（4）校驗(yàn)域：該域允許主機(jī)和從設(shè)備檢查傳輸過程中的錯(cuò)誤。有時(shí)，由于電噪聲和其它干擾，一組數(shù)據(jù)在從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備時(shí)在線路上可能會(huì)發(fā)生一些改變，出錯(cuò)校驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC主機(jī)或者終端不去響應(yīng)那些傳輸過程中發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)，這就提高了系統(tǒng)的安全性和效率，錯(cuò)誤校驗(yàn)使用16位循環(huán)冗余的方法（CRC16），整個(gè)信息幀以連續(xù)的數(shù)據(jù)位流進(jìn)行傳輸，CRC校驗(yàn)從地址域開始對報(bào)文的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

Modbus協(xié)議決定了每個(gè)從節(jié)點(diǎn)控制器需要知道各自不同的設(shè)備地址，識別主節(jié)點(diǎn)按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。主設(shè)備可單獨(dú)與從設(shè)備通信，也能以廣播方式與所有從設(shè)備通信：如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一消息作為響應(yīng)；如果是以廣播方式通信的，則不作任何回應(yīng)。

從節(jié)點(diǎn)的正常應(yīng)答是發(fā)送相同的報(bào)文幀，以便讓主節(jié)點(diǎn)作確認(rèn)，從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答幀包括：前導(dǎo)標(biāo)志碼，從節(jié)點(diǎn)地址，功能碼，返回?cái)?shù)據(jù)，檢驗(yàn)碼以及幀結(jié)束碼。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改用于指出回應(yīng)的消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼，應(yīng)答信息的檢驗(yàn)碼將用于讓主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用[2]。

2 立式爐電力監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)備

北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司現(xiàn)有的300 mm氧化爐，采用單反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，爐體加熱絲包覆的范圍劃分為多個(gè)區(qū)段 (Zone A，B，C，D……)，各區(qū)段有獨(dú)立的功率控制器用以控制加熱功率。立式爐電力監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用Modbus協(xié)議組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主要包括工控機(jī)IPC，RS232／485轉(zhuǎn)換接口，多路功率控制器。

Modbus標(biāo)準(zhǔn)物理層采用RS232接口，但由于實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)電干擾較大，且是多點(diǎn)連接，因此，功率控制器，采用的是RS485接口；而工控機(jī)上配置的是RS232接口，當(dāng)功率控制器與工控機(jī)通訊時(shí)，需配置RS232／485轉(zhuǎn)換接口，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為上位機(jī)（主站）電力監(jiān)測程序的設(shè)計(jì)，采用Visual Studio 2005 C#進(jìn)行程序開發(fā)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮硬件單元（功率控制器）設(shè)置的通信參數(shù)。本文所涉及的功率控制器采用RTU模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，除了設(shè)置的通訊地址不同以外（參見圖1），其他通訊參數(shù)（波特率，校驗(yàn)方式等）都必須相同。例如：功率控制器采用的波特率為9.6 kbps，8位數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)，1個(gè)停止位，上位機(jī)監(jiān)測程序中的SerialPort類（C#）的屬性設(shè)置必須與功率控制器的串口參數(shù)設(shè)置相一致。

軟件運(yùn)行后，生成的用戶操作界面如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)串口的配置、連接，實(shí)時(shí)顯示多段溫區(qū)的電力給定、電力反饋、有效電流、有效電壓和有效功率，可保存多段溫區(qū)的電力給定、電力反饋、有效電流、有效電壓和功率數(shù)據(jù)。注意，此時(shí)多路功率控制器的通訊地址分別為 1，2，3，4……，如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

圖2 用戶操作界面

本軟件系統(tǒng)的流程圖如圖3所示，完成以下功能：

（1）開始程序運(yùn)行，啟動(dòng)主線程，完成工控機(jī)上所有串口的識別、定時(shí)器的配置，生成圖形界面，等待下一步操作輸入；

（2）根據(jù)硬件的串口連線，選擇工控機(jī)上相應(yīng)的通訊串口，建立連接；

（3）根據(jù)輸入指令，設(shè)置讀取功率控制器參數(shù)寄存器的功能碼；

（4）根據(jù)輸入指令，設(shè)置讀取的參數(shù)寄存器精度；

（5）設(shè)置讀取的功率控制器參數(shù)寄存器地址，其中控制器參數(shù)寄存器地址，并不是在圖形界面上設(shè)置，而是直接在程序內(nèi)部指定，在功率控制器中配置的參數(shù)源包括系統(tǒng)給定值、系統(tǒng)反饋值、有效電壓、有效電流，有功功率；

（6）根據(jù)輸入指令，啟動(dòng)參數(shù)寄存器的實(shí)時(shí)讀取、顯示，每2 s參數(shù)刷新一遍；

（7）根據(jù)輸入指令，啟動(dòng)數(shù)據(jù)的保存。使用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，保存各溫區(qū)的電力給定值、電力反饋值、有效電壓、有效電流，有功功率；

（8）根據(jù)輸入指令，結(jié)束數(shù)據(jù)的保存；

（9）根據(jù)輸入指令，可斷開現(xiàn)有的串口通訊，停止參數(shù)寄存器的實(shí)時(shí)刷新；

（10）根據(jù)指令要求在完成電力監(jiān)測后，安全退出程序。

圖3 軟件流程圖

上述第（6）步的功能實(shí)現(xiàn)主要是通過主控機(jī)自動(dòng)（周期性）給各功率控制器發(fā)送讀消息幀，經(jīng)過若干時(shí)間片后，主控機(jī)主動(dòng)去讀各路功率控制器返回的響應(yīng)，然后對讀回的響應(yīng)進(jìn)行CRC檢測。若相對于某溫區(qū)的功率控制器返回消息的CRC檢測正確，則刷新相應(yīng)溫區(qū)的窗體文本，若CRC檢測不正確，則主控機(jī)重新給該溫區(qū)的功率控制器發(fā)送讀消息幀。程序在每個(gè)窗體刷新周期（2 s）內(nèi)至多給每個(gè)溫區(qū)的功率控制器發(fā)送4次讀消息幀，若連續(xù)4次讀上來的消息都不正確，即在這一周期內(nèi)放棄對該溫區(qū)窗體文本的刷新。這里我們采用主動(dòng)讀消息的機(jī)制，而不采用中斷方式，主要是因?yàn)椴捎弥袛嘟邮辗绞?，?shù)據(jù)流常常不均勻，其中存在空白間隔，導(dǎo)致接收的數(shù)據(jù)是殘缺不全的，不便于后續(xù)的分析處理。

3 結(jié)束語

目前，此系統(tǒng)已應(yīng)用于我公司立式爐設(shè)備的電力監(jiān)測，該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、擴(kuò)展性好、使用方便的特點(diǎn)。尤其是，在立式爐設(shè)備升溫過程和恒溫過程中，對電力監(jiān)測系統(tǒng)保存的電力數(shù)據(jù)，可進(jìn)行爐體加熱器電學(xué)特性的分析，分析結(jié)果在加熱器的設(shè)計(jì)上（立式爐設(shè)備七大核心技術(shù)方向之一）具有較高的參考價(jià)值。

[1]MODICON，Inc.Modbus Protocol Reference Guide[Z].1996

[2]吳學(xué)文，王新光等.基于Modbus通信協(xié)議的水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J]，計(jì)算機(jī)工程，2005（13）：195-197.