Modbus TCP在排污總量控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

電子科技大學(xué) 馮皓晨

The Application of Modbus TCP in the Total Pollutant Discharge Control System

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Modbus TCP在排污總量控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

電子科技大學(xué) 馮皓晨

The Application of Modbus TCP in the Total Pollutant Discharge Control System

摘要：本文介紹了排污總量控制系統(tǒng)的主要功能，并且闡述了Modbus TCP在排污總量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：Modbus TCP；排污總量控制系統(tǒng)

目前，污染物總量控制是以環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)為基本依據(jù)，政府環(huán)保管理機(jī)構(gòu)以行政手段對區(qū)域內(nèi)各污染源的污染物或重點污染物的排放總量實施控制。而隨著排放污染物的增加和不斷變化，迫切需要通過工業(yè)信息化手段來解決污染物的總量控制。

排污總量控制系統(tǒng)采集企業(yè)各排污口各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過設(shè)置總量控制指標(biāo)，為總量減排指標(biāo)的落實提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)對工業(yè)企業(yè)重點污染排放物的濃度及總量的雙控制，為鞏固和落實總量減排工作成果提供了科學(xué)的方法。

1　系統(tǒng)概述

排污總量控制系統(tǒng)是用于對工業(yè)企業(yè)主要污染物的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、監(jiān)視、自動控制和管理的一套應(yīng)用管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由觸控一體機(jī)、數(shù)據(jù)采集控制器、在線監(jiān)控應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)應(yīng)用示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

系統(tǒng)應(yīng)用過程中包含定量、監(jiān)視、關(guān)閥、開閥等環(huán)節(jié)。

（1）定量：對企業(yè)廢水排放總量和污染物（COD或氨氮等）排放總量進(jìn)行設(shè)置等。

（2）監(jiān)視：實時獲取企業(yè)污染物的排放總量數(shù)據(jù)和閥門運(yùn)行狀態(tài)，在接近總排放量限額時（如90%），進(jìn)行報警。

（3）關(guān)閥：企業(yè)的實際排污量達(dá)到總排放量限額時，自動下發(fā)關(guān)閥指令關(guān)閉電動閥門。

（4）開閥：對排污閥門被關(guān)閉的企業(yè)，在購買排污量后，再重新設(shè)置并且導(dǎo)入排污量后，自動下發(fā)開閥指令開啟電動閥門。

2　系統(tǒng)功能

排污總量控制系統(tǒng)在線監(jiān)控應(yīng)用軟件界面如圖2所示。系統(tǒng)包括以下功能：

（1）設(shè)置系統(tǒng)排放量：設(shè)置排放總量信息，并且存儲到數(shù)據(jù)采集控制器中，作為污染物排放量的上限指標(biāo)。

（2）實時監(jiān)視：以文本和圖像形式查看流量計數(shù)據(jù)信息（瞬時流量、累計流量）、閥門實時狀態(tài)信息。

（3）實時數(shù)據(jù)查看：查看流量計、閥門實時數(shù)據(jù)信息。

（4）歷史數(shù)據(jù)查看：查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中已保存的排放量歷史數(shù)據(jù)信息。

（5）報警提示功能：當(dāng)總量超過允許總量的90%、100%時，系統(tǒng)會進(jìn)行分級別預(yù)警，可直接啟動報警，并保存報警信息記錄，啟動關(guān)閉閥門操作。

（6）自動閥門控制：系統(tǒng)檢測到余量排放完時，自動關(guān)閥。重新購買和設(shè)定排放量后，自動開閥。

（7）日志信息查詢：系統(tǒng)可查詢系統(tǒng)中指定時間內(nèi)的操作日志信息。

（8）報警信息查詢：系統(tǒng)可查詢系統(tǒng)中指定時間內(nèi)的報警信息。

圖2　排污總量控制系統(tǒng)界面

3　Modbus TCP在系統(tǒng)中的應(yīng)用

Modbus是由Modicon在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。1996年施耐德公司推出了基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus TCP協(xié)議，Modbus TCP是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，通過功能碼與寄存器地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。Modbus在2004年成為我國的國家標(biāo)準(zhǔn)。

在排污總量控制系統(tǒng)中，在線監(jiān)控應(yīng)用軟件與數(shù)據(jù)采集控制器的通信功能都是應(yīng)用Modbus TCP來實現(xiàn)的。Modbus TCP中共包括13類功能碼，本系統(tǒng)中用到了其中5種功能碼，如表1所示。

表1　Modus TCP5種功能碼

在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集控制器作為Modbus TCP Server，在線監(jiān)控應(yīng)用軟件作為Modbus TCP Client，在線監(jiān)控應(yīng)用軟件先要通過Socket對象和502端口連接數(shù)據(jù)采集控制器，然后根據(jù)功能需要向Modbus TCP Server發(fā)送構(gòu)造字節(jié)數(shù)組進(jìn)行寄存器的讀寫操作。

（1）設(shè)置系統(tǒng)排放量：設(shè)置排放總量信息，并且存儲到數(shù)據(jù)采集控制器中。此處首先讀取數(shù)據(jù)采集控制器中存儲的排放總量信息，然后對其進(jìn)行設(shè)置，最后將新數(shù)值寫入保持寄存器，需要使用的Modbus TCP的功能碼為3和16。讀取保持寄存器的主要字節(jié)構(gòu)造代碼如下：

List sendMessage = new List(255);

sendMessage.AddRange(GetBytes(this.NextDataIndex()));//1～2 位 標(biāo)識位

sendMessage.AddRange(new byte[]{ 0,0 });//3～4位 modbus標(biāo)識

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)6));//5～6位 后續(xù)byte數(shù)量

sendMessage.Add(0);//7位 默認(rèn)為0

sendMessage.Add((byte)3);//8位讀保持寄存器功能碼

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)startAddress));//9～10 位 讀起始地址

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)registerCount));//11～12 位 讀取的寄存器數(shù)量

圖3　設(shè)置系統(tǒng)排放量界面

（2）實時監(jiān)視：獲取流量計數(shù)據(jù)信息（瞬時流量、累計流量）、閥門實時狀態(tài)信息，需要使用的Modbus TCP的功能碼為4 和2。讀取輸入狀態(tài)的主要字節(jié)構(gòu)造代碼如下：

List sendMessage = new List(255);

sendMessage.AddRange(vt.GetBytes(this.NextDataIndex()));//1～2 位 標(biāo)識位

sendMessage.AddRange(new byte[]{ 0,0 });//3～4位 modbus標(biāo)識

sendMessage.AddRange(vt.GetBytes((short)6));//5～6位 后續(xù)byte數(shù)量

sendMessage.Add(0);//7位 默認(rèn)為0

sendMessage.Add((byte)2);//8位 讀輸入狀態(tài)功能碼

sendMessage.AddRange(vt.GetBytes((short)startAddress));//9～10 位 讀起始地址

sendMessage.AddRange(vt.GetBytes((short)registerCount));//11～12 位 讀取的寄存器數(shù)量

圖4　實時監(jiān)視界面

（3）自動閥門控制：系統(tǒng)檢測到累計排放量達(dá)到限值時，自動關(guān)閥。購買排放量并且導(dǎo)入后，自動開閥。并且顯示當(dāng)前閥門狀態(tài)。需要使用的Modbus TCP的功能碼為5。寫入線圈狀態(tài)的主要字節(jié)構(gòu)造代碼如下：

List sendMessage = new List(255);

sendMessage.AddRange(GetBytes(this.NextDataIndex()));//1～2 位 標(biāo)識位

sendMessage.AddRange(new byte[]{ 0,0 });//3～4位 Modbus標(biāo)識

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)6));//5～6位 后續(xù)byte數(shù)量

sendMessage.Add(0);//7位 默認(rèn)為0

sendMessage.Add((byte)5);//8位寫狀態(tài)位功能碼

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)startAddress));//9～10 位 寫入地址if(ceilStatus)

{

sendMessage.AddRange(BitConverter.GetBytes((short)255));//11～12 位 寫入狀態(tài)位on

}

else

{

sendMessage.AddRange(dt.GetBytes((short)0));//11～12位 寫入狀態(tài)位off

}

圖5　閥門狀態(tài)界面

4　應(yīng)用情況

目前，排污總量控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行了實驗應(yīng)用，對污水實時和累計排放總量進(jìn)行了數(shù)據(jù)監(jiān)視，對排放總量接近存儲排污量限值時進(jìn)行報警，當(dāng)排放總量達(dá)到存儲排污量限值時自動關(guān)閉電動閥門停止排污。

5　總結(jié)

基于Modbus TCP實現(xiàn)的排污總量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了讀取和寫入數(shù)據(jù)采集控制器中相關(guān)寄存器中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場排污數(shù)據(jù)的讀取和閥門狀態(tài)的監(jiān)視與控制，目前主流的數(shù)據(jù)采集控制器均支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbs TCP通訊協(xié)議，所以本系統(tǒng)具有廣泛的現(xiàn)場適用性。通過系統(tǒng)的成功部署與運(yùn)行，有效地實現(xiàn)了對工業(yè)企業(yè)排放污染物的濃度及總量的雙控制，在實際應(yīng)用中還可以將累計排污數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)保部門的在線監(jiān)測平臺，使環(huán)保部門清晰了解每個工業(yè)企業(yè)的污染物排放情況，從而為環(huán)境治理以及環(huán)保執(zhí)法提供了有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]張力軍等.主要污染物總量減排管理實用手冊[M].中國環(huán)境科學(xué)出版社，2008.

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[3]耿元一.Modbus TCP國際領(lǐng)先 工業(yè)以太網(wǎng)前景看好[J].機(jī)電一體化，2005(4):15.

[4]鄔書金等.基于Modbus TCP協(xié)議實現(xiàn)PC機(jī)與PLC的串行通信[J].可編程控制器與工廠自動化，2009(9):63-64.

馮皓晨（1996-），男，黑龍江大慶人，現(xiàn)就讀于電子科技大學(xué)自動化專業(yè)。

[新聞]

橫河電機(jī)收購云數(shù)據(jù)服務(wù)企業(yè) 強(qiáng)化先進(jìn)解決方案

2016年1月12日，橫河電機(jī)集團(tuán)宣布收購美國公司Industrial Evolution Inc.，以增強(qiáng)為過程行業(yè)提供先進(jìn)解決方案的能力。Industrial Evolution公司是基于云的工廠數(shù)據(jù)共享服務(wù)的供應(yīng)商，此次收購是通過橫河電機(jī)的全資子公司Yokogawa Venture Group Inc.完成的，它是最近為工業(yè)自動化與控制業(yè)務(wù)進(jìn)行戰(zhàn)略并購而設(shè)立的。

在工業(yè)自動化與控制領(lǐng)域拓展先進(jìn)解決方案業(yè)務(wù)是橫河電機(jī)的“Transformation 2017”中期經(jīng)營計劃中確立的其中一項主要戰(zhàn)略。基于Industrial Evolution的云計算環(huán)境，橫河電機(jī)將提供數(shù)據(jù)服務(wù)（DaaS），這是能為全球客戶帶來新價值的先進(jìn)解決方案。

Industrial Evolution利用基于云的DaaS技術(shù)，采集多個工業(yè)設(shè)施的設(shè)備和系統(tǒng)中的實時過程數(shù)據(jù)，并直接或以定制形式將這些數(shù)據(jù)提供給運(yùn)行這些工業(yè)設(shè)施的公司及客戶和供應(yīng)商。Industrial Evolution的服務(wù)能夠從受防火墻保護(hù)的系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)站或移動終端與授權(quán)用戶安全地共享這些數(shù)據(jù)。

Industrial Evolution是該領(lǐng)域的先驅(qū)，它的數(shù)據(jù)采集與共享服務(wù)被各種各樣的公司采用。該服務(wù)可用于各種應(yīng)用中，如在多個公司的授權(quán)用戶之間共享關(guān)于石油天然氣田操作的數(shù)據(jù)，與由第三方運(yùn)行的工廠的投資者實時共享數(shù)據(jù)等。Industrial Evolution以易于使用的形式提供數(shù)據(jù)，獲得了用戶的高度認(rèn)可。

橫河電機(jī)一直提供先進(jìn)的套裝軟件解決方案，使客戶能提高生產(chǎn)率、安全性和能源效率，并優(yōu)化設(shè)施的使用。以Industrial Evolution基于云的服務(wù)作為核心技術(shù)，橫河電機(jī)將為客戶帶來新價值，從而強(qiáng)化其先進(jìn)解決方案業(yè)務(wù)。

橫河電機(jī)解決方案服務(wù)事業(yè)本部的部長兼副總經(jīng)理Satoru Kurosu評論這次收購：“橫河電機(jī)致力于識別客戶業(yè)務(wù)中面臨的挑戰(zhàn)，與他們一起找出增加新價值的解決方案，從而與客戶一起實現(xiàn)可持續(xù)性增長。在工業(yè)領(lǐng)域，Industrial Evolution在利用IoT方面是先驅(qū)，他們的技術(shù)將有助于我們擴(kuò)展解決方案的范圍，為客戶提供新價值?！?/p>

Industrial Evolution的CEO Simon Wright評論道：“Industrial Evolution的客戶將從橫河電機(jī)獲得巨大收益，包括在全球拓展業(yè)務(wù)、增強(qiáng)競爭力等。我們希望通過不斷改進(jìn)技術(shù)，成為基于云的先進(jìn)解決方案的一流供應(yīng)商?！?/p>

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