基于Modbus的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于Modbus的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 (1)2008-08-04 09:59:24來源：互聯(lián)網(wǎng) 本設(shè)計包括智能工業(yè)控制器下位機和應(yīng)用組態(tài)王6.51軟件編制的上位機監(jiān)控程序，兩者通過目前流行的Modbus協(xié)議通訊。前者應(yīng)用智能專家PID控制算法，完成對溫度，壓力，液位等物理量的控制，后者用于對下位機參數(shù)讀寫，顯示，報警，報表打印等，從而實現(xiàn)了一套完整可靠的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)廠家使用效果比較理想，有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵字：智能工業(yè)控制器 1篇 組態(tài)王6.51 1篇 Modbus協(xié)議 5篇 智能專家PID 1篇 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng) 1篇 引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)設(shè)備的控制逐步從單一獨立系統(tǒng)

2、向集散控制監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展，因此，筆者設(shè)計了基于Modbus協(xié)議的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)，利用智能專家PID控制算法，可對工業(yè)現(xiàn)場的溫度，壓力，液位，濕度等參數(shù)進(jìn)行精確控制，并且可以利用上位組態(tài)軟件實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的讀寫，顯示，越限報警，打印報表等，實現(xiàn)了一個完整的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。1智能工業(yè)控制器的系統(tǒng)組成及工作原理1.1硬件系統(tǒng)該智能工業(yè)控制器系統(tǒng)框圖如圖1所示，它采用了AT89C55WD單片機為CPU1，以四位半的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，ICL7135的Busy信號上升沿觸發(fā)定時器T0開始計脈沖數(shù)，轉(zhuǎn)換完畢時Busy信號下降沿觸發(fā)INT0中斷讀取定時器T0的計數(shù)值，經(jīng)過

3、簡單的換算就可以得出A/D轉(zhuǎn)換值。模擬開關(guān)4051控制8路通道的通斷狀態(tài),由CPU來配置信號處理電路和多路選擇開關(guān)的選通情況。12級串行分頻器CD4040的基準(zhǔn)時鐘信號采用AT89C55WD單片機的ALE信號，由于程序中沒有使用MOVX指令，所以ALE輸出頻率固定為fosc/6，經(jīng)過2級分頻（fosc/24=250KHz）和11級分頻（fosc/12288=500Hz）分別輸入到ICL7135的CLK端和單片機的INT1端，作為ICL7135的時鐘基準(zhǔn)和單片機外部2ms的定時中斷。P0，P2口及P1.3用于掃描4個按鍵和8個共陽LED顯示。24C02是基于兩線制IIC總線的256字節(jié)，非易失性

4、的EEPROM存儲器，用來存放重要系統(tǒng)參數(shù)。TOP221P是一寬電壓輸入（85260V），低功耗（5W）的開關(guān)電源管理芯片，所以控制器可以直接使用220V市電。輸入模塊可選用：（1）熱電偶和熱電阻，如K、Pt100、Cu50等;（2）線性電壓/電流：05V、420mA等;（3）其它：可由用戶根據(jù)實際需要指定的傳感器。輸出模塊可選用：（1）繼電器觸點開關(guān)輸出;（2）可控硅無觸點開關(guān)輸出;（3）SSR電壓輸出;（4）可控硅觸發(fā)輸出;（5）線形電流輸出;（6）電流變送輸出。報警模塊為：2路繼電器開關(guān)輸出（AL1和AL2）。圖1系統(tǒng)框圖1.2軟件系統(tǒng)系統(tǒng)程序框圖如圖2所示。該工業(yè)控制器啟動時，先進(jìn)入初

5、始化程序，對系統(tǒng)進(jìn)行自檢。然后從EEPROM中讀取相關(guān)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)到內(nèi)部RAM中，讀取輸入規(guī)格參數(shù)SN，判斷輸入是否為熱電偶或熱電阻，若是，則依據(jù)對應(yīng)的線形補償表進(jìn)行線形補償;否則輸入為線形電流或電壓，不需要補償。程序再讀取2ms外部定時中斷服務(wù)程序經(jīng)過去抖處理的鍵盤的鍵值，用狀態(tài)分析法判斷處理對應(yīng)的參數(shù)及LED顯示界面。讀取A/D采樣值，根據(jù)實際現(xiàn)場調(diào)節(jié)數(shù)字濾波設(shè)置參數(shù)DL，進(jìn)行相關(guān)濾波處理，這樣得出的測量數(shù)據(jù)PV比較平滑穩(wěn)定。再讀取設(shè)定值SV，與測量值PV值分別送LED顯示。讀取控制方式參數(shù)CTRL值，若為0則是基本的位式控制：通過判斷測量值PV與設(shè)定值SV的關(guān)系來決定輸出，回差DF用于避

6、免測量輸入值波動而導(dǎo)致位式調(diào)節(jié)頻繁通斷或報警頻繁產(chǎn)生/解除，當(dāng)SV-PVDF時，輸出為系統(tǒng)允許最大輸出OPH輸出，否則以系統(tǒng)允許最小輸出OPL輸出;若CTRL為1則為智能專家PID控制。圖2系統(tǒng)程序框圖1.3智能專家PID控制智能專家PID控制2是基于被控對象的控制規(guī)律的知識，以智能的方式利用這些知識來設(shè)計PID控制器。智能專家PID控制原理如圖3所示。其中誤差額e（k）=SV-PV（k）,誤差變化;U（k）為第k次控制器的輸出。圖3智能專家PID控制框圖依據(jù)e（k）及e（k）制定的專家規(guī)則如下：（其中A，B為設(shè)定誤差界限，AB;k1為增益放大系數(shù)，k11;k2為抑制系數(shù)，0k2A時，說明誤差

7、很大，要以系統(tǒng)允許的最大（或最?。┹敵?當(dāng)e（k）e（k）0時，說明誤差絕對值在朝增大的方向變化，此時依據(jù)|e（k）|值調(diào)整PID控制參數(shù);當(dāng)e（k）e（k）0或e（k）=0時，說明誤差絕對值在朝減小的方向變化，此時可保持輸出不變，而在e（k）e（k）0時，依據(jù)|e（k）|值調(diào)整PID微分參數(shù);當(dāng)|e（k）|時，說明誤差絕對值很小，此時調(diào)整PID積分參數(shù)，減小穩(wěn)態(tài)誤差。該規(guī)則集中的各個常數(shù)均為正實數(shù)，可由仿真及實驗整定后在控制器設(shè)定機構(gòu)上設(shè)定好這些參數(shù)。另外，這些參數(shù)也可以通過上位機進(jìn)行讀寫設(shè)定。在進(jìn)行控制時，由控制器依據(jù)專家規(guī)則，完成對被控對象的智能控制。經(jīng)驗證，此時控制精度較高，效果較好。

8、系統(tǒng)程序根據(jù)輸出模塊類型，讀取其對應(yīng)的設(shè)置參數(shù)，根據(jù)前面計算值，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)輸出值，如電流，電壓等值送輸出模塊輸出。然后程序判斷上限、下限、正偏、負(fù)偏差、輸入越量程等報警參數(shù)，若有，則送報警輸出模塊輸出，否則不作反應(yīng)。系統(tǒng)再根據(jù)Modbus通信協(xié)議，對接受數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并作相應(yīng)處理，包括數(shù)據(jù)CRC校驗，數(shù)據(jù)打包，讀寫相關(guān)參數(shù)等。2Modbus現(xiàn)場總線通信協(xié)議一般基于Modbus現(xiàn)場總線3的監(jiān)控系統(tǒng)采用主從查詢-回應(yīng)的交互方式來實現(xiàn)。本系統(tǒng)使用RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）模式，消息發(fā)送以大于3.5個字符時間的停頓開始，主機發(fā)出要訪問的從機地址，每個從機設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。功能代碼告之被選中

9、的從機要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段包含了附加信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。從機在回應(yīng)消息中的設(shè)備地址為本機地址，功能代碼是對主機查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)，數(shù)據(jù)段包括了從機的寄存器信息。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼和數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼，錯誤檢測域用于主機確認(rèn)從機的回應(yīng)消息是否可用。在最后一個傳輸字符之后，大于3.5個字符時間的停頓標(biāo)定了消息幀的結(jié)束。整個消息幀必須以連續(xù)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)輸，如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將判數(shù)據(jù)超時不可用，刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收

10、的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)，這都將導(dǎo)致CRC校驗錯誤。3基于Modbus現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng)3.1智能工業(yè)控制器下位機通信模塊硬件接口Modbus協(xié)議的物理層一般都采用RS-485半雙工結(jié)構(gòu)作為通信接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用二線差分電平發(fā)送與接收,能有效克服共模干擾、抑制線路噪聲,傳輸距離可長達(dá)1.2km。由于要把單片機的邏輯電平經(jīng)過光耦6N137隔離后轉(zhuǎn)換成485差分信號在總線上傳輸,可采用TI公司的SN75LBC184RS-485收發(fā)器,這是一種具有瞬變電壓抑制的收發(fā)器,可以防止因靜電放電（ESD）對收發(fā)器造成的損壞，另外SN75LBC184對傳輸信號變化沿限制斜率,可減小電磁干擾，總線

11、上至少可掛64個這樣的收發(fā)器,通信速率最高可達(dá)250kbps。Modbus通信模塊原理如圖4所示。圖4通信模塊軟件編程Modbus通信數(shù)據(jù)解析處理程序4框圖如圖5所示，依據(jù)Modbus通信協(xié)議下位機程序檢測主機訪問的從機地址，若是本機則進(jìn)行CRC校驗，若正確則進(jìn)行功能碼解析程序，依據(jù)功能碼轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)打包和相應(yīng)參數(shù)處理，然后發(fā)送Modbus數(shù)據(jù)包。圖5Modbus通信數(shù)據(jù)解析處理程序基于Modbus的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 (3)2008-08-04 09:59:24來源：互聯(lián)網(wǎng) 本設(shè)計包括智能工業(yè)控制器下位機和應(yīng)用組態(tài)王6.51軟件編制的上位機監(jiān)控程序，兩者通過目前流行的M

12、odbus協(xié)議通訊。前者應(yīng)用智能專家PID控制算法，完成對溫度，壓力，液位等物理量的控制，后者用于對下位機參數(shù)讀寫，顯示，報警，報表打印等，從而實現(xiàn)了一套完整可靠的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)廠家使用效果比較理想，有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵字：智能工業(yè)控制器 1篇 組態(tài)王6.51 1篇 Modbus協(xié)議 5篇 智能專家PID 1篇 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng) 1篇 3.2上位機監(jiān)控系統(tǒng)由于組態(tài)王6.51軟件5中的ModiconModbus（RTU）驅(qū)動程序是基于Modbus通信協(xié)議編制的，因此應(yīng)用時只要參照組態(tài)王軟件的手冊進(jìn)行操作，通過編制監(jiān)控畫面，設(shè)置波特率，校驗方式，通訊方式，下位機地址，進(jìn)行通訊用的I/O變量及類型

13、，變量寄存器以及采樣頻率等來實現(xiàn)與下位機的通信。圖6是用組態(tài)王6.51軟件編制的連接10臺工業(yè)控制器的監(jiān)控系統(tǒng)畫面。設(shè)置波特率為4800，無校驗，Modbus（RTU）unpack方式，地址110，數(shù)據(jù)采集頻率為400ms。由于實際監(jiān)控系統(tǒng)上只掛了第一臺工業(yè)控制器，其余的畫面上顯示出了“?”號。該上位機監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對下位機數(shù)據(jù)讀寫顯示，歷史數(shù)據(jù)保存查詢，報警，報表打印等功能，從而實現(xiàn)了基于Modbus現(xiàn)場總線的智能工業(yè)控制器上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。圖6監(jiān)控畫面4結(jié)束語基于Modbus協(xié)議的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)至少可以連接64臺智能工業(yè)控制器下位機，而組態(tài)王上位機監(jiān)控程序只要根據(jù)實際的需要作相應(yīng)的調(diào)整即可使用。而且該智能工業(yè)控制器程序經(jīng)過適當(dāng)?shù)母膭舆€可以用來作為二十段可編程工藝曲線控制器，合理選擇傳感器輸入模塊即可滿足多種工業(yè)現(xiàn)場參數(shù)的控制要求。本監(jiān)控系統(tǒng)成本低，性能優(yōu)，使用方便，經(jīng)過廠家實際使用驗證效果比較理想，具有廣闊的應(yīng)用前景，預(yù)計經(jīng)濟效益100余萬元。參考文獻(xiàn)1趙德安.單片機原理及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)