基于MODBUS/TCP協議的等離子體霧化在線監控系統的設計

楊勝源，尹政鑫，張清波，余德平

（四川大學 機械工程學院，成都610065）

球形鈦合金粉末是采用粉末冶金工藝制造復雜工件的重要原料[1-2]，也是粉末注射成型和添加劑制造的原料。在粉末冶金應用中，由于球形顆粒具有較好的流動性和密度，通常需要球形顆粒[1]。然而，鈦粉（包括球形鈦合金）的高成本一直是鈦粉廣泛應用的主要障礙，特別是隨著基于金屬粉末的3D打印技術的日益重要，對球形鈦粉的性能、成本和粉末生產工藝的需求引起了新的關注。幸運的是球形鈦金屬粉末可以通過等離子體霧化（PA）方法生產。PA 生產的鈦合金粉末的典型顆粒尺寸范圍分布為10 μm～100 μm。等離子體霧化的示意圖如圖1所示[1]。

圖1 等離子體霧化的技術原理Fig.1 Technical principle of plasma atomization

目前，等離子體霧化技術的進一步推廣受到一些問題的挑戰[3]，主要問題是等離子體在霧化過程中難以保證結果粉末的穩定性[4]。在對金屬絲材進行等離子體霧化時由于等離子體發生器的電極產生燒蝕、工作氣體流量突變、冷卻水溫度變化等參數變化的影響，使得在一次霧化加工中產生的粉末質量不同[5-7]。所以，研究鈦絲等離子體霧化過程在線診斷控制系統可以有效地對等離子體生產過程進行控制、檢測、判斷，通過控制系統可以了解等離子體霧化系統的運行狀態，可以切實保障等離子體霧化產品的穩定性，避免在一次生產之中由于不同等離子體束狀態不同，而產生粉末結果不同的情況[8]， 此外可以通過等離子體在線控制診斷軟件全面地了解等離子體霧化系統的狀態、實現自動控制，為實際生產創造便利、為進一步研究等離子體霧化機理提供支持[9]。

伴隨著近年來計算機系統的不斷發展和進步，促使了我國工業界的智能監控系統的發展。目前，在絕大多數的工業應用中，并沒有采取智能計算機監控系統，導致信息傳輸效率較低，現場控制不便[10]。在此背景之下，傳統的等離子體霧化監控系統功能不足，實際作業需要消耗大量人力和時間來確認參數和操作設備，因此筆者自主開發了基于以太網的遠程監控等離子體遠程霧化監控設備運行狀態參數實時監控系統[11]。

1 系統總體概述

1.1 系統架構

基于以太網的等離子體霧化自動在線監控系統主要由電腦（上位機）和霧化在線監控系統（下位機）組成，下位機包括MODBUS 網關、PLC 和等離子體電源柜。系統基本架構如圖2所示。

圖2 系統架構圖Fig.2 System architecture

等離子體霧化在線監控系統主要包括工控機、MODBUS 網關、PLC、等離子體電源柜等設備，上位機負責進行等離子體設備霧化管理系統的數據采集、初始數據處理和下位機設備的控制，下位機系統的PLC 可以連接水溫傳感器、水流量傳感器、氣體流量計和霍爾傳感器等，并將實時收集到的測量參數傳送至PLC，以進行臨時數據儲存，當上位機向下位機發出讀取參數的控制命令時，下位機通過以太網將臨時儲存的數據實時傳送連接到主機客戶端，以便后續進行處理。下位機系統連接有等離子體電源、伺服氣流量計等多個電子控制驅動裝置，通過網絡通訊， 當上位機向下位機發送控制命令時，相關設備可以按照設備相應的控制命令進行操作，以實現實時控制。上位機的軟件系統作為與操作者交互的關鍵平臺，分為前端和后端兩部分，WPF主要負責前端與用戶互動，C# 作為后端， 進行數據處理和存儲。軟件系統可以實現實時處理和顯示數據和圖片、等離子體霧化設備的監控和數據存儲和相關設備的遠程控制等。

1.2 系統工作流程

基于以太網的PC 客戶端的作業流程如圖3所示，客戶端主要完成兩部分內容。一是PC 客戶端向下位機發送讀寫數據的命令，下位機接收報文后反饋。工控機客戶端實時接收下位機發送的反饋數據并對其進行實時分析、存儲和實時顯示；另一個是PC 監控客戶端通過以太網接口TCP 和IP 協議直接獲得下位監控設備上的相關監控信息數據后，進行數據顯示和分析診斷并實現實時的智能控制。這兩種監控功能分別在兩個獨立的子線程中執行，PC監控客戶端在子線程收到監控數據后，按照一個指定線程形式對其進行解釋，然后在子線程1 將監控數據進行傳送連接到一個主線程，主線程在線程收到監控數據后，在用戶界面的適當位置實時進行數據的顯示，如果數據經過判斷屬于異常數據，則通過顏色、形態的變化友好地提示用戶設備出現了異常狀態。同時，子線程2 對主機接收采集到的在線監控數據視頻信息流數據進行接收和預處理，在進行預處理之后將視頻圖片信息發送到主線程中，由主線程在用戶界面中進行友好地顯示。此外，在主線程中會對設備狀態進行實時的診斷和智能控制，當任何設備出現異常狀態時，軟件系統可以智能診斷出異常狀態，然后軟件系統會自動向下位機發出控制裝置命令，解除下位機設備的錯誤狀態。

圖3 系統工作流程Fig.3 System work flow chart

2 上位機與下位機通訊模塊的構造

2.1 上位機與MODBUS 網關的通訊

MODBUS 網關作為上位機與等離子體電源通訊的中間設備， 具有極其重要的地位。上位機與MODBUS 網關的通訊，采取了基于以太網的MODBUS 協議。

本文基于以太網和MOSBUS 網關實現了上位機與等離子體電源柜之間的MOSBUS 通信。MODBUS 支持RTU 和ASCII 兩種數據幀的模式。本研究中提出了等離子體霧化控制系統即采用了RTU 的數據幀模式。基于MODBUS/TCP 實現讀取命令的數據幀如表1所示。RTU 數據幀的主要優點就是在相同的波特率下，它可以比ASCII 方式傳輸更多的數據。

表1 基于MODBUS/TCP 實現讀取的數據幀Tab.1 Data frame of read command in MODBUS/TCP

基于MODBUS/TCP 的讀取命令數據幀示例如表1所示。PC 客戶端向下位機請求1 號等離子電源單電壓寄存器的數據格式， 共8 字節。消息包含8字節的主機號、功能碼、起始地址、數據量和CRC 校驗位。功能碼03 代表該數據幀命令的含義是讀取寄存器數據，地址2 對應于1 號等離子電源的電壓讀取寄存器號為2。MODBUS 網關接收并分析指令后，將響應數據幀返回上位機。響應幀的格式如表2所示，共有10 位。返回的數據是十六進制的電壓信號，對應259 V，利用該方法只需要改變起始地址，就可以得到多個等離子電源的電壓、電流和功率的等值。如果功能代碼更改為04，則會寫入該值，就實現了對等離子電源的控制。

表2 下位機收到讀取信號后回復的數據幀Tab.2 Data frame returned by lower computer after receiving read signal

2.2 上位機與PLC 的通訊

TCP/IP+PLC 的控制模式是目前工業應用最廣泛的自動化控制方式。在進行數據交換之前，需要與通信者建立一條路徑，不僅要確定通信者之間現有的路由，而且還確保通信雙方都是活躍的，能夠相互響應，并確保傳遞的數據是正確的。但是，這需要大量的通訊才可以確定接收者和發送者之間的連接暢通。由于工業現場的數據非常重要，需要保證數據不丟失，為了保證通信的準確性，在等離子體霧化在線監控軟件系統中采用了面向連接的通信方式。

2.2.1 PLC 通訊程序

為了讓S7-400 PLC 能夠與PC 機通信，需要通過互聯網網關模塊將S7-400 PLC 連接到以太網，并設置正確的IP 地址和網關等PLC 控制信息。為了與通信伙伴（即上位機）進行通信，需要預先設置好PLC 的IP 地址和PLC 的運行端口號， 在網絡協議欄中選擇TCP 協議。此外，以TCP 方式進行通信時，雙方應分別設置為服務器端和服務器端。在本文的研究中，S7-400 PLC 以服務器方式運行，PC 機以客戶端方式運行。為了實現交流S7-400 PLC 的通用通信功能塊，首先需要將PLC 采集到的數據復制到PLC 中一塊指定的內存中，并將待發送的數據排隊，在適當的時間內將緩存的數據傳送到以太網上的上位機。圖4展示PLC 程序的運行邏輯。

圖4 PLC 程序的運行邏輯Fig.4 Operation logic of PLC program

2.2.2 PC 端通訊程序

在C# 中自帶了支持TCP/IP 協議的Winsock包，利用這個包可以方便地實現應用程序的網絡通訊功能。Winsock 提供了2 種套接字通訊方式：阻塞和非阻塞；同時Winsock 也提供了幾種模型，主要包括Overlapped I/O 以及Com-port 等等。因PLC 何時發送數據很難確定，因此采用多線程和非阻塞式通訊。

3 客戶端系統的設計和實現

3.1 數據采集的客戶端實現

等離子體霧化的軟件系統主要負責實時發送讀取、控制命令給下位機系統，并實時解析下位機反饋上來的反饋數據幀， 在將數據幀解析出數據后，再將數據友好地展示在用戶界面上。本研究的軟件系統使用了多線程以提高工控機CPU 的可用性，其中子線程負責與下位機連接，并發送讀取、控制的數據幀；此外子線程還可以實時接收并解析下位機反饋的數據幀，并將解析出來的數據發送給主線程以便進一步的展示和分析。上位機中的軟件系統向等離子體霧化設備發送查詢相關參數的命令，下位機接收到查詢命令后，回復上位機希望查詢的數據，上位機收到回復的收據后，根據MODBUS 協議的數據幀進行解讀。等離子體霧化系統總共3 把等離子體發生器，每個發生器都有電壓、電流、功率和啟停狀態等參數，這些參數均可以通過MODBUS通訊的方式獲取。此外，軟件界面要實時顯示所有數據的數值和狀態。

3.2 視頻采集的客戶端實現

如圖5所示，視頻監控模塊主要包括影像采集和本地視頻顯示、存儲兩部分，在遠程影像采集模塊收集影像后， 通過以太網傳送到工控機客戶端，工控機客戶端接收影像數據后進行分析、實時顯示和儲存影像內容。

圖5 客戶端視頻模塊工作流程Fig.5 Client video module work flow chart

提出的等離子體霧化在線監控軟件，利用WPF的標準控件來進行軟件開發， 利用WPF 中的圖片/視頻顯示控件實時顯示相機獲取到的現場環境圖像。在工控機上用戶進行視頻影像信息顯示時主要執行操作兩個部分。一是通過通訊手段，將工控機連接到相機，實時獲取相機采集到的圖像信息并進行預處理；二是在軟件的圖片/視頻顯示控件上實時顯示圖像。本研究中，采用了多線程技術，一個子線程用于與相機構建通訊，接收來自相機的圖像信號，然后發送到主線程以進行圖像的實時顯示。主線程在主窗口進行繪圖，實時地顯示監控視頻圖像。

客戶端的視頻工作流程如下：首先，利用VS2019設計用戶界面，在用戶界面的合適位置放置圖片/視頻控件用以顯示攝像頭獲取的圖像信息。相機獲取的圖片，實時通過網絡實時發送給上位機的軟件系統。軟件系統獲取了圖片信號后就可以更新圖片/視頻控件中的內容。為了保證圖片的連續性和播放連貫性， 設置了定時器來循環變換相機獲取的圖像，這使得畫面可以在短時間間隔內連續播放，只要間隔足夠短，就可以成為連續視頻，這種方式實現的視頻畫面流暢、不粘滯、清晰度高。參數顯示模塊和視頻顯示模塊在軟件中的布局如圖6所示。

圖6 參數顯示模塊和視頻顯示模塊Fig.6 Parameter display module and video display module

4 結語

本研究設計的等離子體霧化在線監控和診斷軟件系統利用WPF 和C# 軟件，實現了等離子體霧化過程的實時數據監控、數據采集和保存、系統控制。系統軟件運行穩定、操作簡單方便，具有一個可視化的自動人機交互操作界面，布局合理，各個主要功能模塊集中自動顯示，使用靈活。系統各個功能模塊功能獨立、效率較高，對等離子體霧化的自動控制具有重大的意義， 將使這一系統更安全、高效、通用性更好。