Modbus数据通信总线在质量流量计量监测中的应用

中海沥青股份有限公司储运车间担负着向滨化集团环氧丙烷装置输送丙烯的任务，现场选用的是艾默生高准CMF300+1700AN质量流量计，利用其电流输出端口(1、2端口)，将HART数字信号加载到传统的(4～20)mA信号，操作员站的上位机安装了西门子SIMATICS7系统，实时采集质量流量计的瞬时流量信息。

实际工作中，为计量结算的需要，需要将质量流量计的瞬时流量、累积流量等信息通过CDMA网络远传到能源计量远程监控系统。为了防止系统冲突，生产车间不允许继续接流量计的电流输出端口(1、2端口)。最后我们利用RS485端口(5、6端口)，采用Mod-busRTU协议很好地解决了该问题。

一、Modbus数据通信网络结构
本案例充分利用了Modbus技术的优点来设计、开发系统，并满足了系统对可靠性和灵活性的要求。

该Modbus网络结构为RS485通信环网，通信介质为双绞线，通信协议为ModbusRTU，输送丙烯的瞬时流量、累积流量等信息通过流量计检测后，利用Mod-bus网络传递到宏电DTU，宏电DTU再将信号通过CD-MA网络与Internet网络传递到远程操作站。远程操作站软件选用的是国产软件组态王，总线结构安全、简洁，具有很高的可靠性和实用性。

在接DTU之前，需要用手操器修改RS485默认设置：将默认协议由HART修改为ModbusRTU，其余采用默认设置即可。

二、Modbus数据通信介绍
该系统采用的Modbus总线是一种串行总线结构，在串行通信中，不论数据类型如何，它们都以帧的形式进行传输。其基本数据帧格式如下：
地址码：8位地址码为通信传送的第一个字节。这个字节表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都具有唯一的地址码，并且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码表明回送的从机地址。
功能码：8位，是通信传送的第二个字节。Modbus通信规约定义功能码为1～127。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机执行什么动作。作为从机响应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。

数据区：N×8位，数据区包含需要从机执行什么动作或由从机采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等。例如，功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必须包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从机，地址和数据信息都不相同。

差错校验码：16位，主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。有时，由于电子噪声或其他一些干扰，信息在传输过程中会发生细微的变化，差错校验码保证主机或从机对传送过程中出错的信息不起作用。这样增加了系统的安全性和效率。错误校验所有位采用CRC-16进行计算。

当通信命令发送至上游设备时，符合相应地址码的设备接通信命令，并除去地址码，读取信息，如果没有出错，则执行相应的任务;然后把执行结果返送给发送者。返送的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及差错校验码。如果出错就不发送任何信息。

三、Modbus实现质量流量监测
系统采用国产软件“组态王6.52”为上位监控软件，宏电DTU设为虚拟设备KVCOM1，通过在组态王中配置完成Modbus的通信功能，实现数据交换。

具体配置如下：
1.由于艾默生质量流量计具有标准Modbus通信协议，在组态王中定义IO设备时，选择PLC→莫迪康→Modbus(RTU)→串行，并按如下参数配置：
波特率：1200bps∥数据位：8位∥校验位：1位(奇校验)∥停止位：1位
2.每台质量流量计配置唯一的设备地址，地址范围为1～32。
3.建立数据字典，定义通信数据的寄存器地址和数据类型。
组态王寄存器、数据类型说明如表1所示。
表1 组态王寄存器、数据类型

另外，在Modbus规约驱动中，SWAP寄存器用于改变浮点数的字节顺序，只有0、1、2、3等4种取值，且只对FLOAT数据类型起作用。例如，在通信时从0001地址读取的4个十六进制值为HV1、HV2、HV3、HV4，则
(1)当SWAP=0时，转换后浮点数对应的内存值为：HV4、HV3、HV2、HV1。
(2)当SWAP=1时，转换后浮点数对应的内存值为：HV3、HV4、HV1、HV2。
(3)当SWAP=2时，转换后浮点数对应的内存值为：HV1、HV2、HV3、HV4。
(4)当SWAP=3时，转换后浮点数对应的内存值为：HV2、HV1、HV4、HV3。
所定义的寄存器与设备参数的对应关系如表2所示。
表2 寄存器与设备参数的对应关系表

4.高准质量流量计主要参数寄存器地址
经查阅高准流量计Modbus的说明书《ModbusMappingAssignmentsforMicroMotionTransmittersIn-structionManual》，发现寄存器地址如表3所示。
表3 高准质量流量计主要参数寄存器地址表

5.生成组态王数据监测主画面
需监控质量流量计的主要参数在数据词典中的定义如表4所示。
表4 高准质量流量计的主要参数在数据词典中的定义表

经测试，SWAP必须取3，需在应用程序命令语言启动时定义。
配置完成，总线系统上电设备工作过程如下：初始化硬件;初始化Modbus驱动器、初始化串行通信口;等待流量计配制命令;初始化模块寄存器;打开驱动端口。以上工作完成后，上位PC就可与其节点进行实时通信，实现质量流量计量的监测。

四、结束语
该Modbus总线通信系统充分利用了数据通信网络技术，并已成功投入运行，其性能可靠、数据传输速率快，完全能满足工艺要求。该系统符合当前控制的需求，真正实现了“集中控制，分散风险”。