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      基于組態與Modbus 協議的RS485在電磁流量計采集傳輸中的應用

      來源:作者:發表時間:2020-09-28 14:58:48

       摘要:文章介紹了泰安市自來水有限公司電磁流量計的數據采集及 485 通訊傳輸,介紹了 Modbus 協議的通信原理及應用。

       
      一、前言
      ModBus 協議是應用層報文傳輸協議(OSI模型第 7 層),它能夠應用在不同類型的總線或網絡。目前,Modbus 有下列三種通信方式:
      1. 以太網,對應的通信模式是 MODBUS TCP。
      2. 異步串行傳輸(各種介質如有線 RS-232-/422/485/;光纖、無線等),對應的通信模式是 MODBUS RTU 或 MODBUS ASCII。
      3. 高速令牌傳遞網絡,對應的通信模式是Modbus PLUS。
       
      泰安市自來水有限公司流量計中一部分采用 PLC 采集傳輸,數據精度要求高的采用RS485 通訊模式。
       
      二、PLC 采集傳輸
      公司瞬時流量數據采用施耐德 PLC 模擬量采集,累計流量采用頻率 / 脈沖方式。流量計有上海光華品牌和開封 L-mag 品牌,流量計都帶有 2 種傳輸方式,一種是 4-20ma 電流輸入輸出,需要 PLC 帶輸入模塊;另一種是MODBUS RTU, 需要 PLC 配 485 模塊。
       
      1. 流量計接線圖
      瞬時流量模擬量采集傳輸接線:AI 模塊,4-20mA 電流輸入,流量計 IOUT 接正端 +,ICOM 接負端 -。累計流量 DI 接線:頻率 / 脈沖輸入,POUT 接正端 +,PCOM 接負端 -。 
      (1)流量計電流輸出接線圖
      流量計電流輸出接線圖
      (2)流量計數字量電平輸出接法
      流量計數字量電平輸出接法
      其中,電源為24V,電阻為3~10KΩ之間。
       
      2. 施耐德 PLC 梯形圖
      根據流量計接線圖,編寫 PLC 程序。
       
      PLC 中模擬量有 2 種,一種是 0 ~ 10V模擬電壓,一種是 4 ~ 20MA 模擬電流,公司用的是 4 ~ 20MA 模 擬 電 流。PLC 梯 形圖中,%IM0.4.1 是 PLC 第四個模擬量模塊很好個模擬口,用于采集流量計的瞬時流量,數值 2000 是流量計量程。根據流量計的 4 ~ 20MA(在 PLC 中對應模擬數值 204-1023)線性關系,在 PLC 中采集的流量計瞬時流量與現場流量計的瞬時流量數據線性變化、數值一致。若有微小差距,可在 PLC 程序中微調比例,將 820 微調為 819 、816 等,使 PLC 采集模擬量與現場流量計瞬時流量數據線性變化、數值一致。
       
      3. 組態軟件應用
      公司使用組態軟件作為客戶端,組態根據規劃好的 IP 與 PLC 建立通訊連接,在組態軟件上建點 IO 設備組態 LL,再根據IO 設備組態依次建立瞬時流量 SSLL 和累計流量 LJLL。建立數值如下: %M226 是瞬時 流 量,32 位 IEEE 浮 點 數, 在 組 態 中 是SSLL 為 PV=LL:HRF227, %MD500 是累計流量,32 位無符號整數 , 在組態中 LJLL 為PV=LL:HRL501。
       
      三、RS485 通訊傳輸
      電磁流量計 RS 485 通訊數據傳輸接口為半雙工方式,標準速率大于 250kHz,通訊方向轉換時間為 3.5us,通常可接 16 路負載,也可擴展到 32 路,標準屏蔽雙絞線 1000m。采用主從式多機通訊。當多臺電磁流量計互連時,可以節省信號線,便于高速傳送。如下圖所示。
      多個流量計 485 串行通訊拓撲圖
      1. 協議結構
      Lmag-BV1(開封用的是標準 MODBUS,可以直接寫 MODBUS(RTU))協議遵從基本開放系統互連(OSI)參考模型,基本開放系統互連參照模型提供通訊系統基本結構和要素,但 Lmag-BV1 協議使用簡化的 OSI 參照模型,僅采用 1、2 和 7 層。
      基本開放系統互連參考模型
      2. 通訊標準
      國際標準 RS-485 通訊接口部件或國際標準 RS-232 通訊接口部件,不小于 11 Bytes 的 通 信 緩 沖 區(FIFO), 支 持 1200、2400、4800、9600 通訊波特率,支持半雙工通訊模式。通訊程序應允許 FIFO,從機要求主機 FIFO不小于 11Bytes。
       
      3. 流量計接線圖
      接線端子圖
      開關 K 定義:
      ON 為接 RS485 通訊終端電阻(標準配置電阻:120Ω);
      OFF 為不接。
       
      4. 電磁流量計寄存器地址定義
       
       
      5. 組態軟件應用
      根據規劃好的 IP 建立 IO 設備組態 LL(串口通訊不用 IP),再根據 IO 設備組態依次建立瞬時流量 SSLL 和累計流量 LJLL。建立數值:瞬時流量 SSLL 是 3 號功能碼4113,32 位 IEEE 浮點數在組態中是 SSLL 為PV=LL:HRF4113, 累計流量 LJLL 是 3 號功能碼 4121,32 位無符號整數 , 在組態中 LJLL 是PV=LL: HRL4121。
       
      四 . 結論
      (1)PLC 采集傳輸通用性強、可靠性高、抗干擾能力強、接口簡單、維護方便。但 plc模擬量需要量程計算,精度有誤差、有時延,需要足夠 PLC 模塊,在更換或維修流量計時,由于脈沖原因,現場累計流量和遠傳累計流量有很大誤差,不能實現實時數據同步。
      (2)RS-485 通訊具有良好的抗噪聲干擾性,長的傳輸距離和多站能力,不會因 PLC故障而影響現場和遠程數據同步一致。但流量計必須有 485 接口,支持 MODBUS RTU 協議。而且為保持穩定,多個流量計通訊時,很好使用同一廠家同一個品牌的流量計。RS485 是工業數據總線的一種,流量計具有 RS485 串口通訊使得數字通信替代了PLC 的模擬信號及普通開關量信號的傳輸,減少了 PLC 的模擬計算,實現了數據的精準采集傳輸。
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