基于RS485總線的監(jiān)控系統(tǒng)研究與設計

摘要： PID 調(diào)節(jié)儀表與傳感器配合使用， 可以實現(xiàn)對鋼制品生產(chǎn)線上罩式爐溫度的測量與顯示。通過相應的執(zhí)行器， 可以實現(xiàn)對相關(guān)罩式爐設備的PID 調(diào)節(jié)和控制、報警控制、數(shù)據(jù)采集和記錄。然而對于具備多條生產(chǎn)線， 而每條生產(chǎn)線使用多個PID調(diào)節(jié)儀表的現(xiàn)場環(huán)境而言， 依次對每個儀表進行操作并不方便。采用Borland C ++ Builder 6設計了PID 調(diào)節(jié)儀表的在線集中監(jiān)控系統(tǒng)。，利用Borland C ++ Bu ilder 6功能強大的圖形化控制界面， 及SPComm控件在串行口下編程， 通過USB轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器， 很好地實現(xiàn)了對生產(chǎn)線上各個分區(qū)儀表的實時監(jiān)測與遠程控制。

1 引言

在鋼制品生產(chǎn)企業(yè)， 對于擁有多條生產(chǎn)線， 同時每條生產(chǎn)線配備多個PID 調(diào)節(jié)儀表的現(xiàn)場環(huán)境， 如果依次對每個儀表進行操作， 將會使得儀表的參數(shù)設計及罩式爐設備的溫度監(jiān)測變得比較復雜， 不僅影響了儀表調(diào)節(jié)的效率， 也影響了儀表調(diào)節(jié)的實時性。

為了有效地實現(xiàn)對生產(chǎn)線上各個分區(qū)儀表數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測及遠程控制， 采用Borland C ++ Bu ilder6, 通過USB轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器， 設計了PID 調(diào)節(jié)儀表在線集中監(jiān)控系統(tǒng)。主要包括： 鋼制品生產(chǎn)線上罩式爐設備的溫度監(jiān)測系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)， 以及PID 調(diào)節(jié)儀表的讀寫數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)采用RS485總線結(jié)構(gòu)， 通過U SB 轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)上位機與PID 調(diào)節(jié)儀表的網(wǎng)絡通信。RS485總線的特點是實施簡單方便， 通過RS- 485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)， 其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器， 完全可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場配備多個PID調(diào)節(jié)儀表的組網(wǎng)需要。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

3. 1 自整定專家PID調(diào)節(jié)儀表

自整定專家PID 調(diào)節(jié)儀表具備100 ~ 240VAC寬范圍輸入的開關(guān)電源， 輸入采用數(shù)字校正及自校準技術(shù)， 測量精確穩(wěn)定， 消除溫漂和時漂引起的測量誤差。儀表全面采用表面貼裝工藝， 并采用多重保護和隔離設計， 抗干擾能力強、可靠性好。

儀表采用先進的專家PID 智能調(diào)節(jié)算法， 控制精確穩(wěn)定， 無超調(diào)， 具備高精度的自整定（ AT ）功能。

儀表輸出采用模塊化硬件結(jié)構(gòu)設計， 可通過更換不同的功能模塊實現(xiàn)多種控制方式。PID控制輸出可選擇4mA ~ 20mA電流、（ 1V ~ 5V電壓）、SSR驅(qū)動、單相/三相SCR過零觸發(fā)和單相SCR移相觸發(fā)等多種方式， 另有兩路報警輸出功能， 還可選配變送輸出， 或標準通訊接口（ RS485或RS232）。

儀表具有多類型輸入功能， 一臺儀表可以配接不同的輸入信號（熱電偶/熱電阻/線性電壓/線性電流/線性電阻）， 大大減少了備表的數(shù)量。其適用范圍非常廣泛， 可與各類傳感器、變送器配合使用， 實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量和顯示，并配合各種執(zhí)行器對電加熱設備和電磁、電動閥門進行PID 調(diào)節(jié)和控制、報警控制、數(shù)據(jù)采集和記錄。

3. 2 USB轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器

USB 轉(zhuǎn)RS485 協(xié)議轉(zhuǎn)換器是一款即插即用型的協(xié)議轉(zhuǎn)換器， 完全兼容U SB （ Universal Seria l Bus）Rev: 2. 0; 支持任何波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、數(shù)據(jù)收發(fā)時間間隔等參數(shù)， 是一款自適應的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

支持RS- 232 /485界面， 2Mbps以上數(shù)據(jù)傳輸速率。

支持自動握手協(xié)議； 支持遠程喚醒和電源管理； 支持USB總線直接取電， 無需外接電源（ DC 5V） ; 驅(qū)動程序分二次確認， 第一次為芯片驅(qū)動， 第二次為I /O 端口驅(qū)動， 為同一目錄下的驅(qū)動程序即可完成。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用Borland C++ Builder 6設計開發(fā)， 通過其功能強大的圖形化控制界面， 及SPComm控件在串行口下編程， 采用Modbus協(xié)議，通過USB 轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器， 很好地實現(xiàn)了上位機與PID調(diào)節(jié)儀表的通訊功能， 從而可以方便的通過對上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面的操作， 實現(xiàn)對生產(chǎn)線上各個分區(qū)儀表的參數(shù)監(jiān)測與遠程操作控制。

該軟件系統(tǒng)主要包括三部分： 鋼制品生產(chǎn)線上罩式爐設備的溫度監(jiān)測系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)， 以及PID調(diào)節(jié)儀表的讀寫數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

4. 1 Modbus通信

標準的Modbus口是使用與RS - 232C 兼容的串行接口， 它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。

控制器通信使用主- 從技術(shù)， 即主設備能初始化傳輸（查詢）。從設備根據(jù)主設備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應反應。無論主設備查詢還是從設備響應， 每個Modbus幀都包括地址域、功能域、數(shù)據(jù)域、錯誤檢測域。Modbus通信有兩種模式： ASC II模式和RTU 模式。相對于ASC II模式， RTU 模式在同樣的波特率下， 可比ASCII模式傳送更多的數(shù)據(jù)。

使用RTU模式， 消息發(fā)送至少要以3. 5個字符時間的停頓間隔開始。整個消息幀必須作為連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過1. 5個字符的停頓時間， 接收設備將刷新不完整的消息并假定下一個字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣的， 如果一個新消息在小于3. 5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始， 接收的設備將認為它是前一個消息的延續(xù)。這將導致一個錯誤， 因為在最后的CRC 域的值不可能是正確的。一個典型的消息幀如表1所示。

表1 RTU消息幀

PID 調(diào)節(jié)儀表采用Modbus- RTU 模式進行上位機通訊， 協(xié)議格式為： 8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無校驗位， 發(fā)送接收數(shù)據(jù)都是以十六進制格式進行。

發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 發(fā)送數(shù)據(jù)格式

其中， 參數(shù)的通訊地址用一個字節(jié)表示時， 對應A2位置， A1默認為00H; 03、04指令均為讀命令， 其中04對應讀取的數(shù)據(jù)不可寫入， 03與06 指令對應參數(shù)地址， 一個讀取、一個寫入； A1、A2與A3、A4組成兩個雙字節(jié)的數(shù)據(jù)， CRC 校驗碼是一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)， 所有的數(shù)據(jù)都是高位在前， 低位在后； 03、04指令讀取數(shù)據(jù)時， A 1、A2 為開始讀取的地址， A3、A4為連續(xù)讀取數(shù)據(jù)的個數(shù)； 06指令中， A1、A2需要寫入數(shù)據(jù)的地址， A3、A 4表示要寫入的數(shù)據(jù)。

返回數(shù)據(jù)格式， 06 指令寫入數(shù)據(jù)時， 發(fā)送與返回的數(shù)據(jù)一致； 03、04指令返回數(shù)據(jù)格式如表3 所示， 其中返回數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為： N × 2。

表3 返回數(shù)據(jù)格式

4. 2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)

溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用Borland C ++ Builder 6設計開發(fā)， 主要涉及Chart、T imer、SPComm、Ma inM enu等控件的使用。系統(tǒng)程序設計主要包括： 采樣程序， 數(shù)據(jù)保存程序， 備份歷史數(shù)據(jù)程序等。溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)主要流程圖

4. 3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

啟動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)程序， 首先選擇相應的數(shù)據(jù)庫文件， 將會顯示對應的數(shù)據(jù)庫信息， 如圖3所示。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要包括兩種數(shù)據(jù)檢索方式： 方式1, 通過選定檢索日期進行檢索； 方式2, 設置卷號， 按卷號檢索。通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)， 可以很方便地實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的瀏覽與查詢。

圖3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

4. 4 PID調(diào)節(jié)儀表的讀寫數(shù)據(jù)系統(tǒng)

PID調(diào)節(jié)儀表的讀寫數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要包括三部分功能： 寫入儀表前的數(shù)據(jù)設置功能， 數(shù)據(jù)寫入儀表功能和讀取儀表數(shù)據(jù)功能。

圖4為數(shù)據(jù)寫入儀表程序主流程圖。其中數(shù)據(jù)設置功能主要通過兩個途徑實現(xiàn)： 途徑1, 添加系統(tǒng)的配置設置文件“MControlini”， 通過對配置設置文件中溫度和時間參數(shù)的設置與修改， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入儀表前的設置操作； 途徑2, 啟動讀寫數(shù)據(jù)系統(tǒng)程序， 選擇相應的數(shù)據(jù)庫文件， 系統(tǒng)程序會自動關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫文件中設置的分區(qū)儀表總數(shù)， 通過對每個分區(qū)各個曲線段溫度與時間參數(shù)的修改與設置， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入儀表前的設置操作。其中， 途徑2在設置數(shù)據(jù)時， 可以對輸入數(shù)據(jù)的格式及大小進行判斷， 而且重新設置的數(shù)據(jù)狀態(tài)變化將會實時對應地顯示在界面對應的曲線段中。

圖4 數(shù)據(jù)寫入儀表程序主流程圖

圖5為讀取儀表數(shù)據(jù)程序主流程圖。通過對系統(tǒng)讀取的儀表數(shù)據(jù)與系統(tǒng)配置文件中的參數(shù)作對比分析， 判斷儀表數(shù)據(jù)與系統(tǒng)配置文件數(shù)據(jù)是否一致。

圖5 讀取儀表數(shù)據(jù)程序主流程圖

若“是”， 表明系統(tǒng)設置的參數(shù)與儀表數(shù)據(jù)具有很好的一致性， 終止讀取程序； 若“否”， 則執(zhí)行程序的下一步操作：“配置文件數(shù)據(jù)寫入儀表”， 或者“配置文件數(shù)據(jù)更新為儀表數(shù)據(jù)”。通過讀取儀表數(shù)據(jù)程序， 系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了配置文件數(shù)據(jù)與儀表數(shù)據(jù)的一致性。

5 結(jié)束語

通過RS485總線構(gòu)成的分布式系統(tǒng)， 可以滿足多個PID調(diào)節(jié)儀表的組網(wǎng)需求?；赗S485 總線結(jié)構(gòu)， 通過Modbus協(xié)議， 采用Borland C + + Bu ilder6設計的監(jiān)控系統(tǒng)， 很好地實現(xiàn)了對生產(chǎn)線上各個分區(qū)儀表的實時監(jiān)測和遠程控制， 為相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)帶來了很好的實際效益， 節(jié)省了一定的人力資源和生產(chǎn)成本， 具有一定的現(xiàn)實意義。