1．引言

近年來，隨著低溫閥門市場需求的逐年上升和閥門低溫試驗裝置的逐步完善，閥門低溫試驗裝置的測控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、實用性備受關(guān)注。RS—485因硬件設(shè)計簡單、控制方便、性價比高等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域；Modb—us協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以使不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

2．閥門低溫試驗測控系統(tǒng)

2．1 測控系統(tǒng)類型

閥門低溫試驗過程中需要對冷媒溫度，閥體、閥蓋、閥桿、填料、密封件溫度，介質(zhì)壓力，泄漏量參數(shù)進(jìn)行測控。測控系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。開環(huán)式測控系統(tǒng)只對測量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、報警；閉環(huán)式測控系統(tǒng)可以對測量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、報警、PID調(diào)節(jié)。

2．2 測控系統(tǒng)組成

測控系統(tǒng)由測量單元、監(jiān)視單元、控制單元(閉環(huán)系統(tǒng)具備)、上位機(jī)等四個單元組成。

測量單元有軟式鎧裝鉑電阻、高精度流量計、酒精計泡器、氦質(zhì)譜檢漏儀等，主要負(fù)責(zé)對試驗參數(shù)的測量。

監(jiān)視單元有智能顯示儀、流量計算儀等，主要負(fù)責(zé)對試驗參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視。

控制單元有針型閥、酒精添加器等，主要負(fù)責(zé)在閉環(huán)系統(tǒng)中對試驗參數(shù)的調(diào)節(jié)。特別是溫度調(diào)節(jié)，采用液氮作為冷媒介質(zhì)時，液氮的溫度位在-196℃，需要通過加入一定比例的酒精來獲得不同的溫度位，從而達(dá)到閥門的工作溫度。試驗過程中人工添加酒精具有一定的危險，可以采用酒精添通過閉環(huán)測控系統(tǒng)實現(xiàn)溫度自動調(diào)節(jié)。

上位機(jī)分為常規(guī)式和便攜式兩種。常規(guī)式可以采用工控機(jī)或工業(yè)級平板電腦，通過有源RS232/RS485轉(zhuǎn)換器連接RS-485總線；便攜式可以采用手提筆記本電腦，通過USB-RS485轉(zhuǎn)換器連接RS-485總線，便攜式上位機(jī)更適合專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)的檢測人員或工程項目監(jiān)理人員進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

3．RS-485總線結(jié)構(gòu)

3．1RS一485總線簡介

RS-485總線是在RS-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，開展的一種支持多節(jié)點、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具體規(guī)格要求：接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ、驅(qū)動器能輸出±7V的共模電壓、輸入端的電容≤50pF、接收器的輸入靈敏度為200mV、在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120Q的終端電阻的情況下，驅(qū)動器至少還能輸出電壓1.5V。

因為RS-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(32個)以及傳輸線成本低的特性，使得RS—485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 RS-485的應(yīng)用原則

RS-485支持半雙工或全雙工模式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)，最好采用一條總線將各個節(jié)點串接起來。從總線到每個節(jié)點的引出線長度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。在使用RS485接口時，對于特定的傳輸線徑，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的最大電纜長度是數(shù)據(jù)信號速率的函數(shù)，這個長度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。當(dāng)數(shù)據(jù)信號速率降低到90Kbit/S以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV時，則電纜長度被限制在1200M。實際上，在實用時是完全可以取得比它大的電纜長度。當(dāng)使用不同線徑的電纜。則取得的最大電纜長度是不相同的。

3.3 RS-485在閥門低溫試驗測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)閥門低溫試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試驗過程需要對多個參數(shù)進(jìn)行集中測控，為此采用現(xiàn)場總線式網(wǎng)絡(luò)連接各個硬件設(shè)備?，F(xiàn)場總線有很多種，具體的總線模式跟監(jiān)視單元和控制單元的硬件設(shè)備選型有關(guān)。由于在滿足閥門低溫試驗要求的前提下選用智能儀表，其性價比最高，而市面上大部分智能儀表都是利用串行口通信，所以選擇RS-485總線網(wǎng)絡(luò)非常合適。

圖1是測控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)圖。在RS-485總線式通訊網(wǎng)絡(luò)中上位機(jī)是主節(jié)點，各顯示儀表是子節(jié)點，主節(jié)點通過RS-485總線定期發(fā)送查詢信息到各個子節(jié)點，子節(jié)點經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將回應(yīng)信息通過RS-485總線傳回主節(jié)點。整個通訊過程就是主節(jié)點提問、子節(jié)點回答的過程，而它們通訊的語言就是通訊協(xié)議。

4．MODBUS通訊協(xié)議

4．1 協(xié)議簡介

Modbus協(xié)議是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種，從功能上看，可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場總線。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器如何請求訪問其他設(shè)備，如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及如何偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

4．2查詢——回應(yīng)周期

Modbus協(xié)議定義了消息域格式和內(nèi)容的公共格式，使控制器能認(rèn)識和使用消息結(jié)構(gòu)，而無需考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它描述了一個控制器訪問其他設(shè)備的過程。當(dāng)采用Modbus協(xié)議通信時，其數(shù)據(jù)通訊采用主一從方式，主機(jī)只能有1臺，每個從機(jī)都有指定的地址，地址范圍在0～247之間(其中O為廣播地址)，只有主機(jī)具有主動權(quán)，從機(jī)只能對主機(jī)發(fā)送的命令作出響應(yīng)。當(dāng)主機(jī)端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息(查詢)時，從機(jī)端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)端以響應(yīng)請求；主機(jī)端也可以直接發(fā)消息修改從機(jī)端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)讀和寫。

4．3 信息格式(RUT 方式)

Modbus通訊時主機(jī)發(fā)出的指令字符串的通常格式如表1所示：

Modbus通訊時從機(jī)發(fā)出的指令字符串的通常格式如表2所示：

Modbus常用功能碼如表3所示：

Modbus常用功能碼與數(shù)據(jù)類型對應(yīng)表4所示：

4．4 CRC校驗

在數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域，CRC無處不在：著名的通訊協(xié)議X.25的FCS(幀檢錯序列)采用的是CRC-CCITT，ARJ、LHA等壓縮工具軟件采用的是CRC32，磁盤驅(qū)動器的讀寫采用了CRCl6，通用的圖像存儲格式GIF、TIFF等也都用CRC作為檢錯手段。

CRC 校驗的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的監(jiān)督碼(既CRC碼)r位，并附在信息后邊，構(gòu)成一個新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共(k+r)位，最后發(fā)送出去。在接收端，則根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗，以確定傳送中是否出錯。

CRC域是兩個字節(jié)，包含一16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)備重新汁算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。

按位求CRC校驗程序流程圖如圖2所示：CRC是先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)和各當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個字符中的8Bit數(shù)據(jù)對RC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。CRC產(chǎn)生過程中，每個字符的8Bit數(shù)據(jù)都單獨和寄存器內(nèi)容做異或運(yùn)算，結(jié)果向最低有效位方向移動，最高有效位以O(shè)填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預(yù)置的值或一下，如果LSB為O，則不進(jìn)行。整個過程要重復(fù)8次。在最后一位(第8位)完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當(dāng)前值做異或運(yùn)算。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。CRC添加到消息中時低字節(jié)先入，高字節(jié)后入。

CRC碼有3種類型：美國二進(jìn)制同步系統(tǒng)中采用的CRC—16、歐洲CCITT推薦的CRC—CCITT、CRC—32。具體采用哪種CRC碼需要依據(jù)硬件設(shè)備的通訊設(shè)計要求。

CRC碼的計算方法也有三種：按位求CRC法速度較慢，但占用最小的內(nèi)存空間；按字節(jié)查表求CRC法速度較快，但占用較大的內(nèi)存；按半字節(jié)查表求CRC法是前兩者的均衡，即不會占用太多的內(nèi)存，同時速度又不至于太慢。

4．5 Modbus協(xié)議在閥門低溫試驗測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著低溫閥門生產(chǎn)廠商的增加和閥門低溫試驗裝置的普及，勢必要求閥門低溫試驗測控系統(tǒng)大眾化甚至標(biāo)準(zhǔn)化，而專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)的檢測人員或工程項目監(jiān)理人員，更希望自己的手提電腦在任何一臺閥門低溫試驗裝置前都可以進(jìn)行正常的試驗。這就要求測控系統(tǒng)中盡量使用一樣的通訊協(xié)議，而Modbus協(xié)議已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議，此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS—232、RS—422、RS—485和以太網(wǎng)設(shè)備，許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)上位機(jī)向某個顯示儀表發(fā)出查詢消息后，顯示儀表根據(jù)查詢消息的內(nèi)容進(jìn)行CRC校驗，如果計算出來的CRC：碼和接收到的查詢消息中的CRC碼一致，就按照查詢消息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果以回應(yīng)消息的模式發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)在得到回應(yīng)消息后，根據(jù)回應(yīng)消息的內(nèi)容進(jìn)行CRC校驗，如果計算出來的CRC碼和接收到的回應(yīng)消息中的CRC碼一致，就對回應(yīng)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在組態(tài)界面顯示相應(yīng)數(shù)值。

5．上位機(jī)編程

上位機(jī)主要負(fù)責(zé)對監(jiān)視單元提供的測量數(shù)據(jù)組態(tài)和控制單元的動作驅(qū)動。一般采用組態(tài)軟件直接進(jìn)行組態(tài)設(shè)計或者用編程語言另行開發(fā)組態(tài)界面。前者開發(fā)周期短，但是適用范圍有一定局限性，適合持續(xù)運(yùn)行的測控系統(tǒng)，在間斷運(yùn)行的測控系統(tǒng)中歷史曲線很難滿足現(xiàn)實需要；后者開發(fā)靈活性很大，兼容性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，訪問后臺大型數(shù)據(jù)庫尤為方便，特別在間斷運(yùn)行的測控系統(tǒng)中以后臺數(shù)據(jù)庫存儲歷史曲線，再現(xiàn)某個試驗過程數(shù)據(jù)曲線十分方便。

對于便攜式上位機(jī)需要開發(fā)通訊協(xié)議設(shè)置模塊和信號通道設(shè)置模塊，以便適應(yīng)更多的硬件需求和現(xiàn)場配置。

圖3是由Delphi開發(fā)的測控系統(tǒng)組態(tài)界面。

6．結(jié)語

RS—485總線結(jié)構(gòu)和Modbus協(xié)議是目前廣泛應(yīng)用的通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議，閥門低溫試驗測控系統(tǒng)是閥門低溫試驗裝置中的重要組成部分，閥門低溫試驗測控系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮通訊協(xié)議的兼容性、硬件設(shè)備的互換性、數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

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