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Modbus电磁流量计在污水计量中应用
发布时间:2019-07-22

【摘要】本文深入分析了基于Modbus协议的电磁流量计通讯在污水计量中的应用,通过RS-485串口连接,进行相关的流量信息的读取,从而切实可靠的保证了数据稳定性、可靠性和精确性。
0引言
  随着中国城市经济的发展,无论是生活污水量还是工业污水量都出现了较快增长的态势,使得水环境污染和水环境质量下降的趋势也在不断加剧。因此,国家加强了对污水处理的投资,兴建和投运了大量的污水处理厂,从而改善我们所处的生态环境。如何保证污水处理的水质、水量达到国家排放标准,这就对计量检测仪表的配置和管理提出了新的要求。
  目前,污水处理厂对电磁流量计这种计量比较准确的仪表逐渐推广和普及。在传统的污水处理厂的自动化监控及信息集成系统中,电磁流量计采用4-20mA(传送模拟量信息)或24VDC(传送开关量信息)信号进行通讯传输,很多现场层流量计与控制器之间的连接是一对一(一个I/O点对设备的一个测控点)所谓I/O接线方式。但是这样的系统存在一些明显的缺点,那就是信息集成能力不强;系统不开放、可集成性差、专业性不强;可靠性不易保证;可维护性不高等。
如果现场层设备配有串行数据接口(如RS-232/485),控制器就可以按接口规定协议,通过串行通信方式(而不是I/O方式)完成对现场设备的监控。[1]如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议,控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接,完成对所有现场设备的监控,这就是所说的采用现场总线技术。
1Modbus协议在电磁流量计通讯中实现的简介
  目前,污水处理厂所用的电磁流量计大部分都配有串行数据接口(如RS-232/485),并且接口支持MODBUS总线协议。一般电磁流量转换器MODBUS通讯采用标准MODBUS通讯协议,MODBUS模块和上位机进行通讯的波特率为600–19200,波特率设备地址可以通过键盘进行设置。通讯由主机发起,主机首先发送消息帧,消息帧的发送间隔必须大于3.5个以上字符的发送时间。[2]消息帧发送的第一个字节是设备地址,从设备不断的侦测网络总线当接收到第一个字节,每一个设备都进行解码以判断是否是发往自己的消息帧;接收到一个字符之后,如果停顿时间超过3.5个以上字符的发送时间,标志着前一个消息帧发送结束,一个新的消息帧在此停顿后开始。字符间隔不能大于一个字符,否则认为是一条新的消息帧开始,老的消息帧结束。
消息帧定义如下:

  Modbus通讯协议规定了2种通讯方式。RTU(REMOTETERMINALUNIT)方式通讯采用8位字节的二进制数据通讯,数据校验采用CRC循环冗余校验,通讯速度较快;ASCII方式采用7位ASCII码进行通讯,数据校验采用LRC逻辑冗余校验,通讯速率较慢。针对MODBUS在电磁流量转换器上的应用,在MODBUS的功能码中,不同公司采用不同的方式实现,有的公司只用了3个功能码:03、04、06。03号功能码主要用来读取流量信息,包括瞬时流量、流速、流量百分比、电极电阻、正向累计、反向累计、仪表口径、报警状态等;04号功能码用来读取键盘参数,06号功能码用来设置键盘参数。
2基于Modbus协议的电磁流量计信息读取
  在污水处理厂和运行泵站中作为污水计量的仪表,电磁流量计信息的读取就显得异常重要。现场仪表的流量信息,由瞬时流量、流速、百分比、报警状态等参数进行反映,参数存放地址如下表:

  定义如下:读取流量信息时,主机发出功能编码03:读取输入寄存器值。参数存放首址对应输入寄存器首址的低字节。主机发送命令格式如下:
  从机地址(1Byte)+功能编码(1Byte)+输入寄存器首址(2Byte)+输入寄存器个数(2Byte)+CRC校验值(2Byte),从机地址值范围在1-99;
  输入寄存器高字节全部是0,低字节范围在01~09,对应上面表格中参数存放首址。输入寄存器个数高字节是0,低字节是3,从机回应格式如下:
  从机地址(1Byte)+功能编码(1Byte)+读出的字节个数(1Byte)+字节内容(6Byte)+CRC校验值(2Byte),返回的参数占6个字节,故字节个数是6。
  注:读取流量信息时,对瞬时流量、流速、百分比、报警状态等参数,用户可以分别读取,即一次只读取一个参数。用户也可以一次性读取所有的8个参数或一次读取其中的几个参数。读出的流量信息有两种表示方法:整形数表示法和浮点数表示法。如没有特殊声明,仪表一般采用整形数据进行传输。
详细信息结构定义如下:
1)瞬时流量信息定义
主机发送:
01H03H00H01H00H03H54H0BH
从机响应:
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高
  如果数据以整形数格式进行传输,则D0、D1代表瞬时流量整数部分的高4位(16进制),D2、D3代表瞬时流量整数部分的低4位(16进制),D4、D5代表瞬时流量小数部分值(16进制)。
2)流速信息定义
主机发送:
01H03H00H04H00H03H44H0AH
从机响应:
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高
  如果数据以整形数格式进行传输,则D0、D1代表流速整数部分的高4位(16进制),D2、D3代表流速整数部分的低4位(16进制),D4、D5代表流速小数部分值(16进制)。
3)正向总量信息定义
主机发送:
01H03H00H0DH00H03H94H08H
从机响应
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高
  如果数据以整形数格式进行传输,则将D0、D1由16进制转换成10进制X0X1X2X3,将D2、D3由16进制转换成10进制X4X5X6X7,将D4、D5由16进制转换成10进制X8X9X10X11,数据由X0X1X2X3X4X5X6X7X8X9组成,小数点位置和累计单位由X10X11决定。

举例说明如下:
如接收到的数据是
01H04H06H00H22H16430C84686B
则0022(16进制)=34(十进制)
则1643(16进制)=5699(十进制)
则0C84(16进制)=3204(十进制)
则数据可表示为34569932,04是小数点位数,查表为0.001m3,故实际数据为34569.932m3。
4)反向总量信息定义
主机发送:
01H03H00H10H00H03H04H0EH
从机响应:
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高
数据表示方法和正向总量一样。
5)报警状态信息定义
主机发送:
01H03H00H16H00H03HE4H0FH
从机响应:
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高
  如果数据以整形数格式进行传输,则D2、D3代表报警状态整数值(十六进制),D0、D1、D4、D5保留。
  报警状态的值范围不会超过1024,用二进制位表示为:Bit9Bit8Bit7Bit6Bit5Bit4BIT3bit2Bit1Bit0,分别定义如下:
位定义:Bitx=0无警状态;Bitx=1报警状态;

3基于Modbus协议的电磁流量计参数读取
基于Modbus协议的电磁流量计在进行参数读取时,可以先定义


现场仪表的各个参数,参数编号定义如下:
3.1语言选择
参数值=0:中文
参数值=1:英文
3.2流量量程设置:0~65535。
4电磁流量计Modbus通讯的安装与布线
电磁流量计按照RS-485串口方式进行布线和连接,按照下图方式进行连接:
电磁流量计Modbus通讯接线图
  工控机或PC机通过串口连接到RS232/RS485转换器,转换器的+A、+B分别连接到各个电磁流量计。
  如果是分体式电磁流量计,将RS232/RS485转换器的+A、+B分别和电磁流量计的A2、B2相连接,如果接线较长,连接的仪表较多,有必要在远端加一个100Ω-200Ω的匹配电阻。
  如果是一体式电磁流量计,将RS232/RS485转换器的+A、+B分别和电磁流量计的TRX+、TRX-相连接,如果接线较长,连接的仪表较多,有必要在远端加一个100Ω-200Ω的匹配电阻。
5电磁流量计的Modbus通讯测试
  如果用户需要和现场仪表进行MODBUS通讯,可以安装测试程序进行测试,利用测试应用程序MODBUSV1.0及通讯范例源程序(VB)进行通讯测试。
  用户在应用MODNUS之前应该仔细阅读电磁流量计MODBUS通讯协议,这样上位机才能正确的读、写电磁流量计的相关参数。测试时,打开测试应用程序MODBUSV1.0,如下图:
如果RS232/RS485转换器输出是与多台电磁流量计相连接,首先应该注意的是:
1)必须将每一台电磁流量计设置为不同的地址,地址范围是01-32。地址如果重复,通讯很容易出错。

2)记住每一台电磁流量计的通讯速度。通讯速度的波特率包括600、1200、2400、4800、9600、14400、19200。每一台电磁流量计的通讯速度应该尽量一致,这样操作方便,也减少了出错的几率。
连接完毕后,操作如下:
  如果连接的仪表中有一台仪表地址是02,通讯速度是19200,则首先在测试画面的左面,在通讯速度的列表框中选择19200,在设备地址的列表框中选择02;此时在右边的空白框中就会有数据显示。点击显示刷新按扭,会对右边的数据进行瞬间清屏。
如果要对02号仪表的键盘参数进行读、写,可点击左边的读/写参数按扭,弹出下图:
写参数时,可在下拉列表框中选择,或在文本框中输入参数。参数下面有提示,输入不能超过范围。

6结束语
  目前中国对于环境治理的重视程度日益增强,其中污水处理是重中之重。[3]在污水计量中起到关键作用的流量计就显得非常重要,为了保证计量数据的稳定性、可靠性和精确性,采用串口方式基于Modbus协议进行数据通讯的优势就尤为突出。这种串口通讯方式,必将在今后污水处理厂的自动化系统和信息集成系统中,应用的更加广泛。

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