摘  要： 分布式控制網(wǎng)絡(luò)可以提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,，使得控制更便捷,、精度更高、且減少了布線,。介紹了基于Modbus的分布式控制網(wǎng)絡(luò)的組成,，包括傳感器設(shè)備、變頻器,、觸摸屏,、PLC及PC工作站。重點(diǎn)描述了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)之間的工作原理及流程,。該控制網(wǎng)絡(luò)在巢湖污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果表明,，其性能可靠，具有工程推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 分布式網(wǎng)絡(luò),；Modbus,；PLC；污水處理,；變頻器通信

　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?；?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。

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。

　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(wèn)控制的主從式通信協(xié)議,，由Modicon公司開(kāi)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]。

　(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,。
　(2)功能域
　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)數(shù)據(jù)域
　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,。
　(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(kāi)始對(duì)報(bào)文幀的所有數(shù)據(jù)集進(jìn)行校驗(yàn),。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[4-5]
　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(kāi)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,。
3.1 PLC設(shè)置
　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,。
　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Modbus RTU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,。

3.2 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。

　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。
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