基于MODBUS協(xié)議的糞便處理工藝控制系統(tǒng)

韓興連，周光明，高明輝

（重慶市自來水公司，重慶 400013）

基于MODBUS協(xié)議的糞便處理工藝控制系統(tǒng)

韓興連，周光明，高明輝

（重慶市自來水公司，重慶 400013）

介紹了MODBUS通訊協(xié)議在重慶市黃沙溪糞便無害化、資源化處理廠的運(yùn)用。具體闡述了該系統(tǒng)的通訊配置、通訊編程等工藝控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已投入運(yùn)行，通訊性能穩(wěn)定、安全可靠，對(duì)其他同類控制系統(tǒng)具有一定的借鑒和推廣作用。

糞便無害化;可編程控制器;通信

城市糞便處理是一個(gè)世界性的問題，解決得不好，將嚴(yán)重影響人類生活的環(huán)境質(zhì)量。糞便中的有機(jī)物和氮、磷等物質(zhì)若直接排放，會(huì)造成水體污染，并散發(fā)出含氨、硫化氫、硫醇、硫醚等惡臭成分的有害氣體。因此，對(duì)糞便進(jìn)行無害化和資源化處置，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了MODBUS通訊協(xié)議在重慶市黃沙溪糞便無害化、資源化處理廠的運(yùn)用，具體闡述了該系統(tǒng)的通訊配置、通訊編程等工藝控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

重慶市黃沙溪糞便無害化、資源化處理廠設(shè)計(jì)日處理糞便能力為500噸、污泥13噸。采用生物處理技術(shù)，利用生物活性菌降解糞便中的有機(jī)物，從而化糞為水，再經(jīng)過污水處理和消毒工序，整個(gè)處理過程不產(chǎn)生臭氣，最終使處理后的糞水達(dá)到國家規(guī)定的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，處理后的清水可用于植物澆灌，最后產(chǎn)生的殘?jiān)梦勰喽逊使に囍瞥煞柿希_(dá)到生態(tài)循環(huán)。在該項(xiàng)目中，為了保證糞便處理效果、糞水達(dá)標(biāo)排放，工藝控制全部采用自動(dòng)化控制。

CompactLogix系統(tǒng)提供了一個(gè)從單機(jī)到分布式應(yīng)用系統(tǒng)的Logix解決方案，控制器不僅具有增強(qiáng)的處理性能，支持多達(dá)30個(gè)的本地1769 I/O模塊，還內(nèi)置有可進(jìn)行實(shí)時(shí)I/O控制的EtherNet/IP、ControlNet網(wǎng)絡(luò)接口，與包括1769 I/O模塊在內(nèi)的多種I/O模塊一起實(shí)現(xiàn)分布式I/O擴(kuò)展。一個(gè)最簡單的CompactLogix單機(jī)系統(tǒng)可以只由一個(gè)獨(dú)立的控制器一組I/O模塊和電源組成[1]。多個(gè)CompactLogix系統(tǒng)可以通過EtherNet/IP、 ControlNet、 DeviceNet或DH-485與上位機(jī)及其它控制器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并且，每個(gè)CompactLogix控制器可通過EtherNet/IP、ControlNet或DeviceNet控制遠(yuǎn)程I/O和現(xiàn)場設(shè)備。

基于以上的特點(diǎn)，本工程選用的CPU型號(hào)為CompactLogix的1769-L35E。自動(dòng)控制系統(tǒng)由3個(gè)PLC站組成。分別為污泥車間1#PLC站、格柵機(jī)2#PLC站、鼓風(fēng)機(jī)3#PLC站。污泥車間PLC站負(fù)責(zé)處理糞便殘?jiān)a(chǎn)氮肥和草坪種植塊。格柵機(jī)PLC站負(fù)責(zé)處理進(jìn)糞除砂及ABR工藝與污泥脫水。鼓風(fēng)機(jī)PLC站負(fù)責(zé)處理CASS、MSBR工藝及膜處理工藝。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)通訊采用EtherNet。

其中，膜處理、加熱鍋爐、脫水機(jī)、成型機(jī)、打包機(jī)五個(gè)系統(tǒng)均為獨(dú)立系統(tǒng)，控制器采用西門子的S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)中作為通訊的SLAVE站，與1769-L35E進(jìn)行MODBUS協(xié)議通信。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 MODBUS協(xié)議介紹

MODBUS通信協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用協(xié)議。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備，只要遵循MODBUS協(xié)議，就可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通信口是使用RS232兼容串行接口，控制器通信采用主從技術(shù)，報(bào)文采用查詢響應(yīng)結(jié)構(gòu)，即主設(shè)備發(fā)送查詢數(shù)據(jù)，從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)應(yīng)答。其主從設(shè)備查詢響應(yīng)周期如圖2所示。

圖2 主從設(shè)備查詢響應(yīng)周期

MODBUS通信協(xié)議有2種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式[2]。本系統(tǒng)選用RTU模式來實(shí)現(xiàn)基于MODBUS協(xié)議的不同品牌PLC的通信，RTU模式的數(shù)據(jù)通信格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位、一個(gè)停止位（有校驗(yàn)）或2個(gè)停止位（無校驗(yàn)），其錯(cuò)誤校驗(yàn)方式為CRC校驗(yàn)（循環(huán)冗長檢測）。MODBUS協(xié)議有24種功能，分別可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

3 MODBUS通信的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)中，三個(gè)PLC站分別作為MASTER主站與各自區(qū)域內(nèi)的S7-200進(jìn)行通信。系統(tǒng)中沒有使用MCM系列專用通訊模塊，因此，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需分別編制MODBUS

的MASTER及SLAVE程序，利用1769-L35E的串口進(jìn)行通信

3.1 硬件設(shè)置

配置通訊程序前，先對(duì)1769-L35E的串口進(jìn)行配置。工程中采用波特率9600，數(shù)據(jù)位8，無校驗(yàn)，停止位1（見圖3）。

圖3 串口配置

3.2 1769-L35E主站的通信程序設(shè)計(jì)

主站使用Logix5000編程軟件，該軟件針對(duì)MODBUS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)有專門的例程。將例程中的MODBUS子任務(wù)拷貝至目標(biāo)程序。令Mod_Active=1，激活MODBUS MASTER功能。在命令數(shù)組Mod_Commands[x]中設(shè)置不同的命令，指定不同的功能碼（見表1），則程序依次執(zhí)行，將指定從站的數(shù)據(jù)讀取到預(yù)定的區(qū)域。在Logix5000的命令執(zhí)行前將準(zhǔn)備輸出的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)區(qū)，執(zhí)行時(shí)將數(shù)據(jù)輸出，然后可以再執(zhí)行一次。命令的執(zhí)行條件為：Mod_Active = 1；Mod_Commands[X].Enable = 1[3]。

表1 MODBUS功能代碼

在工程中，污水最后經(jīng)過膜處理系統(tǒng)處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。本文以讀取膜處理系統(tǒng)的部分參數(shù)為例。膜處理系統(tǒng)采用S7-200系列控制器，提供的部分變量如表2。

表2 膜處理系統(tǒng)部分變量

對(duì)膜處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)只讀參數(shù)，配置MODBUS協(xié)議如下：Mod_Active = 1，Mod_Cmd_Number = 6（見圖4）。

圖4 配置命令1

命令含義為從SlaveAddress = 5的從站讀取Coils狀態(tài)，由1開始，讀取14個(gè)數(shù)據(jù)，依次存入到Mod_Data_Coils[0]數(shù)組中。

對(duì)膜處理系統(tǒng)的控制參數(shù)（只寫），配置MODBUS協(xié)議如圖5。

圖5 配置命令2

命令含義為將主站第89個(gè)Coil的數(shù)據(jù)寫入到SlaveAddress = 5的從站中。對(duì)膜處理系統(tǒng)的模擬量參數(shù)，配置MODBUS協(xié)議如圖6。

圖6 配置命令3

命令含義為從SlaveAddress = 5的從站讀保持寄存器的數(shù)據(jù)，由1開始，讀取16個(gè)數(shù)據(jù)，依次存入到Mod_Data_HoldReg4[0]-[16]數(shù)組中。由于模擬量為雙字，讀取后需進(jìn)行處理，高低字節(jié)互換，再利用COP指令將DINT型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需的REAL型（見圖7）。

圖7 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換

3.3 S7-200 PLC從站通信程序設(shè)計(jì)

在S7-200 PLC與Rockwell 1769-L35E的通信中，S7-200PLC是作為從站與主站進(jìn)行通信的。S7-200 PLC中預(yù)置了MODBUS協(xié)議，STEP7-Micro/WIN指令庫包含為MODBUS通訊專門設(shè)計(jì)預(yù)先配置的子程序和中斷例行程序，使與MODBUS從站和主設(shè)備的通訊更加便捷。MODBUS從站協(xié)議指令可以配置S7-200 PLC，將其用作MODBUS RTU從站，與Modbus主設(shè)備通訊，MODBUS從站協(xié)議庫僅支持端口0通訊。

S7-200 PLC MODBUS RTU從站協(xié)議是通過調(diào)用指令庫中的2個(gè)功能塊實(shí)現(xiàn)的，2個(gè)功能塊分別是MBUS_INIT和MBUS_SLAVE[4]。 MBUS_ INIT功能塊被用于啟用和初始化或禁止MODBUS通訊，MBUS_SLAVE功能塊被用于為MODBUS主設(shè)備發(fā)出的查詢服務(wù)，并且必須在每次掃描時(shí)執(zhí)行，以便允許該指令檢查和響應(yīng)MODBUS主設(shè)備查詢。

在S7-200 PLC與Rockwell 1769-L35E通信之前，需根據(jù)主站的通信參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，其MBUS_INIT功能塊通信格式設(shè)置如下：MODE為1，MODBUS協(xié)議；Baud（波特率）為9600；Addr（從站地址）為5；Parity為0，無校驗(yàn)（如圖8）。

圖8 配置MBUS_ INIT功能塊

主站是通過讀寫MODBUS從站地址中的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的。在本系統(tǒng)中主站使用功能3和功能5對(duì)從站地址中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，根據(jù)表1，主站要讀寫MODBUS從站地址4xxxx中的數(shù)據(jù)。用戶可以使用MBUS_INIT功能塊中的MaxHold和 HoldStart參數(shù)分別設(shè)定MODBUS地址4xxxx使用的V存儲(chǔ)器中的字保持寄存器數(shù)目和保持寄存器的起始地址[5]。根據(jù)膜處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，將MaxHold設(shè)置為16，HoldStart設(shè)置為&VB4000。主站對(duì)&VB4000開始地址中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。完成MBUS_INIT功能塊的設(shè)置，然后通過調(diào)用MBUS_ SLAVE功能塊響應(yīng)主站查詢信息（如圖9），即完成S7-200 PLC的通信程序設(shè)計(jì)。

圖9 配置MBUS_ SLAVE功能塊

通過以上對(duì)Rockwell的1769-L35和S7-200兩種PLC控制器的設(shè)置、編程，最終實(shí)現(xiàn)了兩種不同系統(tǒng)間的MODBUS協(xié)議通訊。

4 結(jié)語

重慶市黃沙溪糞便無害化、資源化處理廠工藝復(fù)雜、設(shè)備眾多。為了達(dá)到實(shí)現(xiàn)全套自動(dòng)化控制系統(tǒng)，從而保證糞便經(jīng)過處置后，在排放進(jìn)水體前確保氨氮含量、COD、BOD等常規(guī)指標(biāo)在環(huán)境允許范圍內(nèi)；糞便處理后產(chǎn)生的廢渣、污泥經(jīng)過堆肥處理變廢為寶的目的。最后通過MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)了不同廠家、不同品牌設(shè)備的通訊連接，實(shí)現(xiàn)了自控工藝要求。該套通訊控制系統(tǒng)自投產(chǎn)運(yùn)行至今，通訊性能穩(wěn)定、運(yùn)行安全可靠。

[1]姚偉.Modbus通訊協(xié)議在牙輪鉆機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2009，9（6）： 66-67.

[2]李潮，張學(xué)東.基于Modbus協(xié)議的PLC主站程序設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（4）： 34-35.

[3]潘迪夫，習(xí)可.以PLC為通信主站的Modbus控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，5 ：142-144.

[4]汪正果.Modbus協(xié)議在S7-200 PLC與PC機(jī)通信中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2010，31（2）： 192-194.

[5]章程，程文明，肖建軍.基于Modbus協(xié)議的PC機(jī)與S7-200 PLC的串行通信[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008，3 ： 85-87.

Control Realization of Feces Treatment Process Based on MODBUS Protocol

HAN Xing-lian, ZHOU Guang-ming, GAO Ming-hui
(Water Company in Chongqing, Chongqing 400013, China)

The application of MODBUS communication protocol in Chongqing Yellow Sand Creek fecal harmless and resource processing plant is introduced. The MODBUS communication, communication programming and realization of configuration between Rockwell and Siemens different PLC products are provided in detail. This system has been implemented and the result shows that the communication is more stable, much safer and it provides a reference for other similar control systems.

MODBUS; fecal harmless; PLC; communication

X799.3

A

1006-5377（2011）11-0058-04