Modbus數據通信總線在質量流量計量監測中的應用

中海瀝青股份有限公司儲運車間擔負著向濱化集團環氧丙烷裝置輸送丙烯的任務，現場選用的是艾默生高準CMF300+1700AN質量流量計，利用其電流輸出埠(1、2埠)，將HART數位訊號加載到傳統的(4～20)mA信號，操作員站的上位機安裝了西門子SIMATICS7系統，實時採集質量流量計的瞬時流量信息。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201609/303334.htm

實際工作中，為計量結算的需要，需要將質量流量計的瞬時流量、累積流量等信息通過CDMA網絡遠傳到能源計量遠程監控系統。為了防止系統衝突，生產車間不允許繼續接流量計的電流輸出埠(1、2埠)。最後我們利用RS485埠(5、6埠)，採用Mod-busRTU協議很好地解決了該問題。

一、Modbus數據通信網絡結構

本案例充分利用了Modbus技術的優點來設計、開發系統，並滿足了系統對可靠性和靈活性的要求。

該Modbus網絡結構為RS485通信環網，通信介質為雙絞線，通信協議為ModbusRTU，輸送丙烯的瞬時流量、累積流量等信息通過流量計檢測後，利用Mod-bus網絡傳遞到宏電DTU，宏電DTU再將信號通過CD-MA網絡與Internet網絡傳遞到遠程操作站。遠程操作站軟體選用的是國產軟體組態王，總線結構安全、簡潔，具有很高的可靠性和實用性。

在接DTU之前，需要用手操器修改RS485默認設置：將默認協議由HART修改為ModbusRTU，其餘採用默認設置即可。

二、Modbus數據通信介紹

該系統採用的Modbus總線是一種串行總線結構，在串行通信中，不論數據類型如何，它們都以幀的形式進行傳輸。其基本數據幀格式如下：

地址碼：8位地址碼為通信傳送的第一個字節。這個字節表明由用戶設定地址碼的從機將接收由主機發送來的信息。每個從機都具有唯一的地址碼，並且響應回送均以各自的地址碼開始。主機發送的地址碼錶明將發送到的從機地址，而從機發送的地址碼錶明回送的從機地址。

功能碼：8位，是通信傳送的第二個字節。Modbus通信規約定義功能碼為1～127。作為主機請求發送，通過功能碼告訴從機執行什麼動作。作為從機響應，從機發送的功能碼與從主機發送來的功能碼一樣，並表明從機已響應主機進行操作。

數據區：N×8位，數據區包含需要從機執行什麼動作或由從機採集的返送信息。這些信息可以是數值、參考地址等。例如，功能碼告訴從機讀取寄存器的值，則數據區必須包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長度。對於不同的從機，地址和數據信息都不相同。

差錯校驗碼：16位，主機或從機可用校驗碼進行判別接收信息是否出錯。有時，由於電子噪聲或其他一些幹擾，信息在傳輸過程中會發生細微的變化，差錯校驗碼保證主機或從機對傳送過程中出錯的信息不起作用。這樣增加了系統的安全性和效率。錯誤校驗所有位採用CRC-16進行計算。

當通信命令發送至上遊設備時，符合相應地址碼的設備接通信命令，並除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯，則執行相應的任務;然後把執行結果返送給發送者。返送的信息中包括地址碼、執行動作的功能碼、執行動作後結果的數據以及差錯校驗碼。如果出錯就不發送任何信息。

三、Modbus實現質量流量監測

系統採用國產軟體「組態王6.52」為上位監控軟體，宏電DTU設為虛擬設備KVCOM1，通過在組態王中配置完成Modbus的通信功能，實現數據交換。

具體配置如下：

1.由於艾默生質量流量計具有標準Modbus通信協議，在組態王中定義IO設備時，選擇PLC→莫迪康→Modbus(RTU)→串行，並按如下參數配置：

波特率：1200bps∥數據位：8位∥校驗位：1位(奇校驗)∥停止位：1位

2.每臺質量流量計配置唯一的設備地址，地址範圍為1～32。

3.建立數據字典，定義通信數據的寄存器地址和數據類型。

組態王寄存器、數據類型說明如表1所示。

表1 組態王寄存器、數據類型

另外，在Modbus規約驅動中，SWAP寄存器用於改變浮點數的字節順序，只有0、1、2、3等4種取值，且只對FLOAT數據類型起作用。例如，在通信時從0001地址讀取的4個十六進位值為HV1、HV2、HV3、HV4，則

(1)當SWAP=0時，轉換後浮點數對應的內存值為：HV4、HV3、HV2、HV1。

(2)當SWAP=1時，轉換後浮點數對應的內存值為：HV3、HV4、HV1、HV2。

(3)當SWAP=2時，轉換後浮點數對應的內存值為：HV1、HV2、HV3、HV4。

(4)當SWAP=3時，轉換後浮點數對應的內存值為：HV2、HV1、HV4、HV3。

所定義的寄存器與設備參數的對應關係如表2所示。

表2 寄存器與設備參數的對應關係表

4.高準質量流量計主要參數寄存器地址

經查閱高準流量計Modbus的說明書《ModbusMappingAssignmentsforMicroMotionTransmittersIn-structionManual》，發現寄存器地址如表3所示。

表3 高準質量流量計主要參數寄存器地址表

5.生成組態王數據監測主畫面

需監控質量流量計的主要參數在數據詞典中的定義如表4所示。

表4 高準質量流量計的主要參數在數據詞典中的定義表

經測試，SWAP必須取3，需在應用程式命令語言啟動時定義。

配置完成，總線系統上電設備工作過程如下：初始化硬體;初始化Modbus驅動器、初始化串行通信口;等待流量計配製命令;初始化模塊寄存器;打開驅動埠。以上工作完成後，上位PC就可與其節點進行實時通信，實現質量流量計量的監測。

四、結束語

該Modbus總線通信系統充分利用了數據通信網絡技術，並已成功投入運行，其性能可靠、數據傳輸速率快，完全能滿足工藝要求。該系統符合當前控制的需求，真正實現了「集中控制，分散風險」。