基于Modbus的分布式控制網絡在污水處理中的應用

陳 梅，朱小麗，李 鑫，陳 薇

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

分布式控制系統是生產過程監視、控制技術發展和計算機與網絡技術應用的產物。分布式控制網絡使得控制更便捷，精度更高，并減少了布線，大幅度提高了生產過程的安全性、經濟性、穩定性、可靠性和自動化程度[1-2]。

Modbus是工業控制器的網絡協議中的一種。此協議支持傳統的 RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備(如 PLC、DCS、智能儀表等)都在使用 Modbus協議作為它們之間的通信標準，不同廠商生產的控制設備可以直接連成工業網絡，無需轉化器件，降低了工程的成本。由于Modbus協議的通用性和經濟性，Modbus通信被廣泛應用于電力、化工、冶金等領域。本文介紹了基于Modbus的分布式控制網絡在污水處理系統中的應用和實現。

1 系統構成

1.1 污水處理的生產工藝

該污水處理系統的生產工藝如圖1所示。污水由進水泵首先流進缺氧池，在缺氧池內攪拌均勻后，流入厭氧池；經過厭氧池攪拌和氧化還原反應，進入好氧池；在好氧池內曝氣，通過調節曝氣量的大小來控制好氧池的含氧量(DO傳感器值)，然后流進預缺氧池(SW池)；經過化學藥品處理和反沖洗等工藝，進行降氧；最后流進膜生物反應器池(MBR池)，進行進一步微生物生化反應和過濾。在SW池和MBR池均要打回流，回流比根據各池的傳感器值和進水量設定。

圖1 污水處理系統生產工藝

1.2 控制對象

該污水處理系統的控制對象為PC機、PLC和6臺變頻器，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機；各池的流量計、含氧量傳感器DO和ORP傳感器。系統控制框圖如圖2所示。

圖2 污水處理系統控制框圖

系統采用一臺PLC作為控制系統的主控制器，并擴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，由變頻器拖動行走電機運行，使用變頻器可實現電機的軟啟動、無級變頻調速和快速停車等功能。變頻器根據電機參數及變頻范圍，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 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，并且可以實時讀取變頻器的主要運行參數，如功率、電流、電壓和輸出頻率等。采用PC機作為人機界面的總體設計方案，上位機即為個人PC機或工業平板電腦。

2 通信協議

Modbus通信協議是工業控制網絡中用于對自控設備進行訪問控制的主從式通信協議，由Modicon公司開發，在工業控制網絡中得到了廣泛應用。本系統的PLC和多臺變頻器以及上位機和PLC之間均采用Modbus協議RTU模式進行通信。表1為Modbus RTU模式下信息幀格式[3]。

表1 Modbus RTU模式下信息幀格式

(1)地址域

地址域為被查詢的從節點設備的地址，它所表示的從節點的有效地址范圍是0～247，其中0表示廣播地址。

本系統中，網絡1由上位機通過port0口與PLC連接，在網絡1中，PLC作為從站，其通信設計流程如圖3所示。網絡2由PLC的port1口連接到變頻器的Modbus總線上，在網絡2中，PLC作為主站，其通信設計流程如圖4所示。port0口和port1口支持三種通信協議：PPI協議、MPI協議和自由口模式。S7-200編程軟件Micro/WIN提供了ModbusRTU指令庫，通過自由口模式實現Modbus通信功能，在程序中通過調用相應指令庫編程即可進行相關通信操作。因此，本系統將port0口和port1口均設為自由口模式。

(3)數據域

通常來說，都是在道路橋梁兩端各開出一個12厘米左右的溝槽，然后對開槽所產生的灰渣進行清理。在進行開槽施工之前，需要對混凝土路面進行驗收，驗收合格之后，才能根據施工圖紙，來確定開槽的實際寬度，并進行準確的放線，然后在采用切割機設備來進行鋸縫，確保縫線的順直。在鋸縫施工之前，需要對周邊的混凝土路面采取相應的防護措施，鋪蓋塑料布并粘貼膠帶，從而防止鋸縫過程中所產生的灰塵污染到路面。在進行下一步的開槽施工時，要禁止橋面通車，從而防止橋面出現震動而導致開槽出現偏差，確保開槽施工質量。

結合本文比較研究的國際經驗及我國“一帶一路”倡議下自貿園區發展戰略的客觀情況，我們可以邏輯上推導出如下啟示或建議。

Note: The work was supported by the “Research on Chinese Prehistorical Aesthetic Consciousness” project funded by National Social Science Foundation (Project ID 113-162441).

S7-200支持多種網絡通信方式，S7-226型PLC上有兩個 RS-485通信口 (port0和port1)，每個口各自獨立，有自己的網絡地址、通信速率等參數設置。通過將通信口連接至不同的設備可以同時將PLC置于不同的網絡中。

為更好說明電橋響應，給出量化考核結果。典型的用于評定應變計電橋載荷校準結果好壞的手段是響應系數。該系數定義為[7]：

本系統包括上位機和PLC以及PLC和變頻器之間的通信網絡。網絡1上位機監控系統通過讀連續寄存器指令實時讀取PLC存儲區內容實時顯示并做相應控制。網絡2由控制器PLC實時采集現場傳感器數據并通過Modbus總線實時讀取變頻器運行參數以及故障記錄等存放在對應的存儲區中。同時，上位機可通過寫寄存器指令將相關的PLC輸出位如閥門開關等和變頻器運行參數(如速度、頻率)寫入PLC的相應存儲區，再通過網絡2的Modbus總線由PLC寫入變頻器。

（3）以幼兒發展為中心的原則：家長助教的最終目的是促進幼兒的發展，所以活動的核心應圍繞幼兒的全面發展進行。

(4)校驗域

在Modbus通信協議中的幀校驗通常采用CRC循環冗余校驗。整個信息幀以連續的數據位流進行傳輸，CRC從地址域開始對報文幀的所有數據集進行校驗。

8 bit功能域的有效編碼是1～255，用于說明從節點要完成的功能。例如功能碼03H表示讀寄存器，用于讀取從節點的寄存器；06H為設置從節點的單個寄存器；10H為設置從節點的多個寄存器。

3 系統實現[4-5]

數據域包括本幀數據域的字節數量、數據字節1～n，這些數據字節可以是I/O值、狀態數據或其他測量控制信息。

3.1 PLC設置

利用規范化綜合影響矩陣NTDI=(ntdiny)4×4、超矩陣RI=(riny)4×4和式(13)構造新的加權超矩陣W=(wny)4×4，如表5所示。對加權超矩陣W=(wny)N×N進行穩定處理，得到各指標的穩定關聯權重{w1,w2,w3,w4}={0.354,0.228,0.272,0.146}。

(2)功能域

圖3 網絡1中PLC通信設計流程

圖4 網絡2中PLC通信設計流程

3.2 變頻器配置

ABB ACS510變頻器內置現場總線，支持Modbus RTU模式。表2為ASC510支持的Modbus功能碼。本系統主要用到的是讀多個保持寄存器和寫多個保持寄存器指令。

表2 變頻器modmus支持的功能碼

為了激活串行通信，將與Modbus總線通信相關的主要參數設置如下：參數 98組(ENCODER MODULE)中的參數 9802(COMM PROT SEL)設為 1(標準 Modbus)；參數 9807(COMM PROFILE)設為 1(ABB DRIVES)；根據主站的通信格式設置參數53組(STANDARD Modbus)中有關波特率、數據長度和校驗方式的參數，其中參數5302(EFB STATION ID)設為相應的站號，本系統設置6臺變頻器的站號依次為 1～6；參數 5303(EFB BAUD RATE)設為 9 600(9 600 b/s)；參數 5303(PARITY)設為 0(8 bit，無校驗，1 bit停止位)。變頻器被讀取的參數組主要為第1組運行數據，第4組故障記錄，需要通過上位機設置進行控制的主要是第12組恒速設定。

3.3 上位機實現

上位機監控程序利用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)，同時設置其相應的屬性值[6]。當串口有通信事件(發送或接收數據)發生時，通信控件發出OnComm事件，處理發送或接收到的數據，并在定時器內將接收到的數據實時分離出來顯示在監控界面上。對各池的流量、DO值、ORP值做實時曲線顯示并實時將數據存入數據庫，以便進行歷史數據查詢和報表輸出。圖5為上位機監控的主畫面。

該基于Modbus的分布式控制網絡在巢湖污水處理系統中投入運行，系統的自動化程度得到了很大的提高，操作方便、靈活、可靠，減輕了現場工人的勞動強度，產品質量得到了有效的保證。而且，系統因采用了數字通信，所以布線簡單，節省了大量模擬控制必需的控制器件，降低了成本，具有工程推廣價值。

圖5 上位機監控主畫面

[1]陽憲惠.現場總線技術及其應用(第二版)[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]白焰，吳鴻，楊國田.分散控制系統與現場總線控制系統[M].北京：中國電力出版社，2000.

[3]陽憲惠.工業數據通信與控制網絡[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]李雪梅，徐紅，婁蘭芳.基于Modbus/TCP的分布式污水處理系統[J].計算機工程與應用，2005(11)：202-204.

[5]楊明華，韓梅，唐艾文.基于西門子 PLC的污水處理系統[J].電腦開發與應用，2010，23(6)：6-7.

[6]吳笑風，楊佩琪，魯遠耀，等.基于數字通信的 PLC控制系統[J].計算機應用，2002(6)：43-45.