基于Modbus協(xié)議的空調(diào)控制系統(tǒng)

1 引言

　　Modbus 是工業(yè)通訊通用協(xié)議中的一種，已被眾多的廠商所支持并廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域，并且也是諸多中國(guó)國(guó)家工業(yè)總線通訊gb標(biāo)準(zhǔn)之一。通過(guò)modbus協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間通信實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。modbus作為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

　　早期的車間自動(dòng)化設(shè)備基于硬接線plc組建控制系統(tǒng)，雖然硬接線方式具有可靠、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于大規(guī)模自動(dòng)化系統(tǒng)布線成本偏高。若采用modbus協(xié)議等通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可減少plc模件使用量，縮減電纜費(fèi)用，從而降低工程造價(jià)。本文結(jié)合工程實(shí)際，介紹modbus協(xié)議在空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　2 電廠空調(diào)系統(tǒng)案例

　　2.1 modbus通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

　　modbus 通訊協(xié)議，是一種串行的、非同步的主從通訊協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)設(shè)備能夠建立協(xié)議，其它的設(shè)備只能通過(guò)提供數(shù)據(jù)響應(yīng)主機(jī)的查詢，或根據(jù)查詢做出相應(yīng)的動(dòng)作。modbus協(xié)議定義了主機(jī)查詢的格式，其包括：主從機(jī)的編址方法(或廣播)，要求動(dòng)作的功能代碼，傳輸數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤校驗(yàn)等，或不能完成主機(jī)要求的動(dòng)作，它將組織一個(gè)故障作為響應(yīng)。modbus協(xié)議不需要特別的接口，典型的物理接口是rs485。在modbus通訊網(wǎng)絡(luò)中，一般可提供ascii、 rtu、plus、tcp/ip等通訊模式。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用rs232、rs485/422、modem加電話線、以及tcp/ip來(lái)聯(lián)網(wǎng)。所以，modbus的傳輸介質(zhì)種類較多，可以根據(jù)傳輸距離來(lái)選擇。

　　2.2 工程背景

　　某電廠設(shè)計(jì)有4套集中空調(diào)系統(tǒng)，配置了觸摸屏可就地控制，要求在暖通控制室遠(yuǎn)程監(jiān)控。每套空調(diào)配有西門子小型plc程控裝置，留有遠(yuǎn)程硬接線接口，該plc帶有485接口，支持modbus協(xié)議，因此可通過(guò)通信方式實(shí)現(xiàn)機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　暖通控制室距空調(diào)機(jī)組大約200米，因此可組建簡(jiǎn)單方便、成本低的rs485/modbus網(wǎng)絡(luò)。采用modbus的rtu形式，這種接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)。

　　考慮輔助控制系統(tǒng)plc設(shè)備統(tǒng)一性，選用羅克韋爾的1763-l16bwa處理器作為該rs485/modbus通訊網(wǎng)絡(luò)的主站，4個(gè)空調(diào)機(jī)組plc作從站，用一根對(duì)絞線電纜以總線方式把主站與從站連接起來(lái)，建立簡(jiǎn)單的rs485/modbus通信網(wǎng)絡(luò)。1763-l16bwa帶有以太網(wǎng)接口，通過(guò)交換機(jī)與操作員站連接，便可在上位機(jī)對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控。

　　2.3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)一個(gè)modbus－rtu主站想要從一臺(tái)從站得到數(shù)據(jù)的時(shí)候，這個(gè)主站會(huì)發(fā)送一條包含該設(shè)備地址、功能代碼、所需要數(shù)據(jù)以及一個(gè)用于檢測(cè)錯(cuò)誤的求和校驗(yàn)碼的信息。網(wǎng)絡(luò)上的所有其它從站都可以看到這一條信息，但是只有地址被指定的設(shè)備才會(huì)作出反應(yīng)。

　　設(shè)備地址是一個(gè)從0到247的數(shù)字，空調(diào)系統(tǒng)plc從站地址可在就地觸摸屏進(jìn)行設(shè)定。

　　功能代碼定義了從設(shè)備應(yīng)該執(zhí)行的命令，例如讀取數(shù)據(jù)、接受數(shù)據(jù)、報(bào)告狀態(tài)等等。功能代碼為從1到255的數(shù)字。

　　數(shù)據(jù)為讀取功能定義了在設(shè)備存儲(chǔ)器映射當(dāng)中的地址，它包括被寫入設(shè)備存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)值，或是包括其它根據(jù)功能代碼的要求需要被執(zhí)行的信息。

　　錯(cuò)誤檢查是一個(gè)描述循環(huán)冗余校驗(yàn)(crc)的16-bit數(shù)值。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(crc)由主設(shè)備產(chǎn)生，并且由接收設(shè)備進(jìn)行檢查。如果crc值不符，這個(gè)設(shè)備就會(huì)要求重新傳送訊息。在有些系統(tǒng)里面，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。

　　當(dāng)從設(shè)備執(zhí)行了所要求的功能，它會(huì)返回一條訊息給主設(shè)備。這條返回的訊息包含了從設(shè)備的地址、所要求的功能代碼、所要求的數(shù)據(jù)以及一個(gè)錯(cuò)誤檢查值。

　　讀取和寫入數(shù)據(jù)：modbus擁有最多255個(gè)功能代碼，但是01(讀取輸出量)、02(讀取離散輸入)、03(讀取保持寄存器)、04(讀取輸入寄存器)、05(寫入單一離散量輸出)以及06(寫入單一寄存器)是最為常用的讀寫功能代碼，這些代碼被用來(lái)從modbus從設(shè)備采集數(shù)據(jù)和向從設(shè)備發(fā)出指令。

　　本系統(tǒng)中從站已定義了modibus地址所代表的信息，通訊波特率為9600，偶校驗(yàn)。這樣可以很容易的通過(guò)讀寫命令獲得空調(diào)機(jī)組狀態(tài)信息和向其發(fā)出指令。

　　2.4 工業(yè)總線工程經(jīng)驗(yàn)

　　在工程調(diào)試中我們會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，在此結(jié)合本工程作簡(jiǎn)單的介紹。

　　(1) 要使用同一型號(hào)雙絞線。在本工程施工中，施工人員接線時(shí)由于通訊電纜長(zhǎng)度預(yù)估不足，在連接3、4號(hào)從站時(shí)使用了另一型號(hào)雙絞線。在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)不能讀寫數(shù)據(jù)，為排查問(wèn)題做了大量工作，最后發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題，更換同一型號(hào)雙絞線后問(wèn)題此解決，這給調(diào)試帶來(lái)額外的麻煩，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

　　(2) 雙絞線與485母口焊接要規(guī)范。在空調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)遇到了兩芯線短路的現(xiàn)象，這可能也是廣大工程人員經(jīng)常遇到的問(wèn)題，測(cè)量雙絞線兩芯線無(wú)電壓，斷定必然存在短路，到就地拆下各從站接口查看，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)接口焊接不好，有外漏線芯連在一起造成短路，重新焊接后，檢測(cè)線纜電壓，在正常范圍內(nèi)。

　　(3) 信號(hào)地連接。大多情況下，連接rs-485總線時(shí)只是用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口端連接起來(lái)。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻留下了一定的隱患。

　　(4) 在構(gòu)建手牽手總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，若通信距離較長(zhǎng)或通信速率提高會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降。

　　以上幾點(diǎn)問(wèn)題是工程實(shí)際經(jīng)常遇到的問(wèn)題，也是影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，處理好這些問(wèn)題，保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本案例說(shuō)明了rs485/Modbus通訊方式的簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)和低成本性，這種方式完全能夠滿足電廠部分輔助控制系統(tǒng)的需要，可推廣應(yīng)用。文中還介紹了現(xiàn)場(chǎng)遇到的問(wèn)題，希望能給工程技術(shù)人員以一定的幫助。