摘 要：本設(shè)計(jì)包括智能工業(yè)控制器下位機(jī)和應(yīng)用組態(tài)王6.51軟件編制的上位機(jī)監(jiān)控程序，兩者通過目前流行的Modbus協(xié)議通訊。前者應(yīng)用智能專家PID控制算法，完成對(duì)溫度，壓力，液位等物理量的控制，后者用于對(duì)下位機(jī)參數(shù)讀寫，顯示，報(bào)警，報(bào)表打印等，從而實(shí)現(xiàn)了一套完整可靠的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)廠家使用效果比較理想，有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：智能工業(yè)控制器;組態(tài)王6.51;Modbus協(xié)議;智能專家PID;工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng) 引言 　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)設(shè)備的控制逐步從單一獨(dú)立系統(tǒng)向集散控制監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展，因此，筆者設(shè)計(jì)了基于Modbus協(xié)議的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)，利用智能專家PID控制算法，可對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度，壓力，液位，濕度等參數(shù)進(jìn)行精確控制，并且可以利用上位組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的讀寫，顯示，越限報(bào)警，打印報(bào)表等，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。 1 智能工業(yè)控制器的系統(tǒng)組成及工作原理 　　1.1 硬件系統(tǒng) 　　該智能工業(yè)控制器系統(tǒng)框圖如圖1所示，它采用了AT89C55WD單片機(jī)為CPU[1]，以四位半的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，ICL7135的Busy信號(hào)上升沿觸發(fā)定時(shí)器T0開始計(jì)脈沖數(shù)，轉(zhuǎn)換完畢時(shí)Busy信號(hào)下降沿觸發(fā)INT0中斷讀取定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)值，經(jīng)過簡(jiǎn)單的換算就可以得出A/D轉(zhuǎn)換值。模擬開關(guān)4051控制8路通道的通斷狀態(tài),由CPU來配置信號(hào)處理電路和多路選擇開關(guān)的選通情況。12級(jí)串行分頻器CD4040的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)采用AT89C55WD單片機(jī)的ALE信號(hào)，由于程序中沒有使用MOVX指令，所以ALE輸出頻率固定為fosc/6，經(jīng)過2級(jí)分頻（fosc/24=250KHz）和11級(jí)分頻（fosc/12288=500Hz）分別輸入到ICL7135的CLK端和單片機(jī)的INT1端，作為ICL7135的時(shí)鐘基準(zhǔn)和單片機(jī)外部2ms的定時(shí)中斷。P0，P2口及P1.3用于掃描4個(gè)按鍵和8個(gè)共陽(yáng)LED顯示。24C02是基于兩線制IIC總線的256字節(jié)，非易失性的EEPROM存儲(chǔ)器，用來存放重要系統(tǒng)參數(shù)。TOP221P是一寬電壓輸入（85～260V），低功耗（ 5W）的開關(guān)電源管理芯片，所以控制器可以直接使用220V市電。 　　輸入模塊可選用：（1）熱電偶和熱電阻，如K、Pt100、Cu50等;（2）線性電壓/電流：0～5V、4～20 mA等;（3）其它：可由用戶根據(jù)實(shí)際需要指定的傳感器。 　　輸出模塊可選用：（1）繼電器觸點(diǎn)開關(guān)輸出;（2）可控硅無觸點(diǎn)開關(guān)輸出;（3）SSR電壓輸出;（4）可控硅觸發(fā)輸出;（5）線形電流輸出;（6）電流變送輸出。 　　報(bào)警模塊為：2路繼電器開關(guān)輸出（AL1和AL2）。 [align=center] 圖 1 系統(tǒng)框圖[/align] 　　1.2 軟件系統(tǒng) 　　系統(tǒng)程序框圖如圖2所示。該工業(yè)控制器啟動(dòng)時(shí)，先進(jìn)入初始化程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢。然后從EEPROM中讀取相關(guān)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)到內(nèi)部RAM中，讀取輸入規(guī)格參數(shù)SN，判斷輸入是否為熱電偶或熱電阻，若是，則依據(jù)對(duì)應(yīng)的線形補(bǔ)償表進(jìn)行線形補(bǔ)償;否則輸入為線形電流或電壓，不需要補(bǔ)償。程序再讀取2ms外部定時(shí)中斷服務(wù)程序經(jīng)過去抖處理的鍵盤的鍵值，用狀態(tài)分析法判斷處理對(duì)應(yīng)的參數(shù)及LED顯示界面。讀取A/D采樣值，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)數(shù)字濾波設(shè)置參數(shù)DL，進(jìn)行相關(guān)濾波處理，這樣得出的測(cè)量數(shù)據(jù)PV比較平滑穩(wěn)定。再讀取設(shè)定值SV，與測(cè)量值PV值分別送LED顯示。讀取控制方式參數(shù)CTRL值，若為0則是基本的位式控制：通過判斷測(cè)量值PV與設(shè)定值SV的關(guān)系來決定輸出，回差DF用于避免測(cè)量輸入值波動(dòng)而導(dǎo)致位式調(diào)節(jié)頻繁通斷或報(bào)警頻繁產(chǎn)生/解除，當(dāng)SV-PV>DF時(shí)，輸出為系統(tǒng)允許最大輸出OPH輸出，否則以系統(tǒng)允許最小輸出OPL輸出;若CTRL為1則為智能專家PID控制。 [align=center] 圖 2 系統(tǒng)程序框圖[/align] 　　1.3 智能專家PID控制 　　智能專家PID控制[2]是基于被控對(duì)象的控制規(guī)律的知識(shí)，以智能的方式利用這些知識(shí)來設(shè)計(jì)PID控制器。智能專家PID控制原理如圖3所示。其中誤差額e（k）=SV-PV（k）, 誤差變化; U（k）為第k次控制器的輸出。 [align=center] 圖 3 智能專家PID控制框圖[/align] 　　依據(jù)e（k）及□e（k）制定的專家規(guī)則如下：（其中A，B為設(shè)定誤差界限，A>B; k[sub]1[/sub]為增益放大系數(shù)， k[sub]1[/sub]>1; k[sub]2[/sub]為抑制系數(shù)，0 　　當(dāng)|e（k）|>A時(shí)，說明誤差很大，要以系統(tǒng)允許的最大（或最?。┹敵?當(dāng)e（k）□e（k）>0時(shí)，說明誤差絕對(duì)值在朝增大的方向變化，此時(shí)依據(jù)|e（k）|值調(diào)整PID控制參數(shù);當(dāng)e（k）□e（k）<0時(shí)，在□e（k）□e（k-1）>0或e（k）=0時(shí)，說明誤差絕對(duì)值在朝減小的方向變化，此時(shí)可保持輸出不變，而在e（k）□e（k）<0時(shí)，依據(jù)|e（k）|值調(diào)整PID微分參數(shù);當(dāng)|e（k）|<ε時(shí)，說明誤差絕對(duì)值很小，此時(shí)調(diào)整PID積分參數(shù)，減小穩(wěn)態(tài)誤差。 　　該規(guī)則集中的各個(gè)常數(shù)均為正實(shí)數(shù)，可由仿真及實(shí)驗(yàn)整定后在控制器設(shè)定機(jī)構(gòu)上設(shè)定好這些參數(shù)。另外，這些參數(shù)也可以通過上位機(jī)進(jìn)行讀寫設(shè)定。在進(jìn)行控制時(shí)，由控制器依據(jù)專家規(guī)則，完成對(duì)被控對(duì)象的智能控制。經(jīng)驗(yàn)證，此時(shí)控制精度較高，效果較好。 　　系統(tǒng)程序根據(jù)輸出模塊類型，讀取其對(duì)應(yīng)的設(shè)置參數(shù)，根據(jù)前面計(jì)算值，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)輸出值，如電流，電壓等值送輸出模塊輸出。然后程序判斷上限、下限、正偏、負(fù)偏差、輸入越量程等報(bào)警參數(shù)，若有，則送報(bào)警輸出模塊輸出，否則不作反應(yīng)。系統(tǒng)再根據(jù)Modbus通信協(xié)議，對(duì)接受數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并作相應(yīng)處理，包括數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)打包，讀寫相關(guān)參數(shù)等。 2 Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議 　　一般基于Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線[3]的監(jiān)控系統(tǒng)采用主從查詢-回應(yīng)的交互方式來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)使用RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）模式，消息發(fā)送以大于3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓開始，主機(jī)發(fā)出要訪問的從機(jī)地址，每個(gè)從機(jī)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。功能代碼告之被選中的從機(jī)要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段包含了附加信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。從機(jī)在回應(yīng)消息中的設(shè)備地址為本機(jī)地址，功能代碼是對(duì)主機(jī)查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)，數(shù)據(jù)段包括了從機(jī)的寄存器信息。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼和數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼，錯(cuò)誤檢測(cè)域用于主機(jī)確認(rèn)從機(jī)的回應(yīng)消息是否可用。在最后一個(gè)傳輸字符之后，大于3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息幀的結(jié)束。整個(gè)消息幀必須以連續(xù)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)輸，如果在幀完成之前有超過1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將判數(shù)據(jù)超時(shí)不可用，刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)，這都將導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤。 3 基于Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線的監(jiān)控系統(tǒng) 　　3.1 智能工業(yè)控制器下位機(jī)通信模塊 　　3.1.1 硬件接口 　　Modbus協(xié)議的物理層一般都采用RS-485半雙工結(jié)構(gòu)作為通信接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用二線差分電平發(fā)送與接收,能有效克服共模干擾、抑制線路噪聲, 傳輸距離可長(zhǎng)達(dá)1.2km。由于要把單片機(jī)的邏輯電平經(jīng)過光耦6N137隔離后轉(zhuǎn)換成485差分信號(hào)在總線上傳輸,可采用TI公司的SN75LBC184 RS-485收發(fā)器,這是一種具有瞬變電壓抑制的收發(fā)器,可以防止因靜電放電（ESD）對(duì)收發(fā)器造成的損壞，另外SN75LBC184對(duì)傳輸信號(hào)變化沿限制斜率, 可減小電磁干擾，總線上至少可掛64個(gè)這樣的收發(fā)器,通信速率最高可達(dá)250kbps。Modbus通信模塊原理如圖4所示。 [align=center] 圖 4 通信模塊[/align] 　　3.1.2 軟件編程 　　Modbus通信數(shù)據(jù)解析處理程序[4]框圖如圖5所示，依據(jù)Modbus通信協(xié)議下位機(jī)程序檢測(cè)主機(jī)訪問的從機(jī)地址，若是本機(jī)則進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若正確則進(jìn)行功能碼解析程序，依據(jù)功能碼轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)打包和相應(yīng)參數(shù)處理，然后發(fā)送Modbus數(shù)據(jù)包。 [align=center] 圖 5 Modbus通信數(shù)據(jù)解析處理程序[/align] 　　3.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 　　由于組態(tài)王6.51軟件[5]中的Modicon Modbus（RTU）驅(qū)動(dòng)程序是基于Modbus通信協(xié)議編制的，因此應(yīng)用時(shí)只要參照組態(tài)王軟件的手冊(cè)進(jìn)行操作，通過編制監(jiān)控畫面，設(shè)置波特率，校驗(yàn)方式，通訊方式，下位機(jī)地址，進(jìn)行通訊用的I/O變量及類型，變量寄存器以及采樣頻率等來實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信。圖6是用組態(tài)王6.51軟件編制的連接10臺(tái)工業(yè)控制器的監(jiān)控系統(tǒng)畫面。設(shè)置波特率為4800，無校驗(yàn)，Modbus （RTU）unpack方式，地址1～10，數(shù)據(jù)采集頻率為400ms。由于實(shí)際監(jiān)控系統(tǒng)上只掛了第一臺(tái)工業(yè)控制器，其余的畫面上顯示出了“???”號(hào)。該上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)讀寫顯示，歷史數(shù)據(jù)保存查詢，報(bào)警，報(bào)表打印等功能，從而實(shí)現(xiàn)了基于Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線的智能工業(yè)控制器上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 [align=center] 圖 6 監(jiān)控畫面[/align] 4 結(jié)束語 　　基于Modbus協(xié)議的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)至少可以連接64臺(tái)智能工業(yè)控制器下位機(jī)，而組態(tài)王上位機(jī)監(jiān)控程序只要根據(jù)實(shí)際的需要作相應(yīng)的調(diào)整即可使用。而且該智能工業(yè)控制器程序經(jīng)過適當(dāng)?shù)母膭?dòng)還可以用來作為二十段可編程工藝曲線控制器，合理選擇傳感器輸入模塊即可滿足多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的控制要求。本監(jiān)控系統(tǒng)成本低，性能優(yōu)，使用方便，經(jīng)過廠家實(shí)際使用驗(yàn)證效果比較理想，具有廣闊的應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益100余萬元。 參考文獻(xiàn) 　　1 趙德安.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004 　　2 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真.北京：電子工業(yè)出版社，2003.1 　　3 MODICON INC.Industrial Automation Systems《Modicon Modbus Protocol Reference Guide》，June 1996 　　4 朱懿,蔣念平.Modbus協(xié)議在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.微計(jì)算機(jī)信息，2006，10：118-120. 　　5 北京亞控科技發(fā)展有限公司.《組態(tài)王6.51使用手冊(cè)》，2006. 　　基于Modbus的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)