基于 Modbus的電磁流量計通訊在污水計量中的應用研究
基于 Modbus的電磁流量計通訊在污水計量中的應用研究
【摘要】本文深入分析了基于 Modbus協(xié)議的電磁流量計通訊在污水計量中的應用，通過 RS-485串口連接，進行相關(guān)的流量信息的讀
取，從而切實可靠的保證了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、可靠性和精確性。
【關(guān)鍵詞】Modbus協(xié)議；串口；信息幀
0引言
隨著中國城市經(jīng)濟的發(fā)展，無論是生活污水量還是工業(yè)污水量都出現(xiàn)了較快增長的態(tài)勢，使得水環(huán)境污染和水環(huán)境質(zhì)量下降的趨勢也在不斷加劇。因此，國家加強了對污水處理的投資，興建和投運了大量的污水處理廠，從而改善我們所處的生態(tài)環(huán)境。如何保證污水處理的水質(zhì)、水量達到國家排放標準，這就對計量檢測儀表的配置和管理提出了新的要求。
目前，污水處理廠對電磁流量計這種計量比較準確的儀表逐漸推廣和普及。在傳統(tǒng)的污水處理廠的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)中，電磁流量計采用 4-20mA（傳送模擬量信息）或 24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號進行通訊傳輸，很多現(xiàn)場層流量計與控制器之間的連接是一對一（一個 I/O點對設(shè)備的一個測控點）所謂 I/O接線方式。但是這樣的系統(tǒng)存在一些明顯的缺點，那就是信息集成能力不強；系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強；可靠性不易保證；可維護性不高等。
如果現(xiàn)場層設(shè)備配有串行數(shù)據(jù)接口（如 RS-232/485），控制器就可以按接口規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是 I/O方式）完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。 [1]如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接，完成對所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，這就是所說的采用現(xiàn)場總線技術(shù)。
1 Modbus協(xié)議在電磁流量計通訊中實現(xiàn)的簡介
目前，污水處理廠所用的電磁流量計大部分都配有串行數(shù)據(jù)接口（如 RS-232/485），并且接口支持 MODBUS總線協(xié)議。一般電磁流量轉(zhuǎn)換器 MODBUS通訊采用標準 MODBUS通訊協(xié)議，MODBUS模塊和上位機進行通訊的波特率為 600 – 19200，波特率設(shè)備地址可以通過鍵盤進行設(shè)置。通訊由主機發(fā)起，主機首先發(fā)送消息幀，消息幀的發(fā)送間隔必須大于 3.5個以上字符的發(fā)送時間。 [2]消息幀發(fā)送的個字節(jié)是設(shè)備地址，從設(shè)備不斷的偵測網(wǎng)絡總線當接收到個字節(jié)，每一個設(shè)備都進行解碼以判斷是否是發(fā)往自己的消息幀；接收到一個字符之后，如果停頓時間超過 3.5個以上字符的發(fā)送時間，標志著前一個消息幀發(fā)送結(jié)束，一個新的消息幀在此停頓后開始。字符間隔不能大于一個字符，否則認為是一條新的消息幀開始，老的消息幀結(jié)束。
消息幀定義如下：
0 1 2 3 4 5 6 7設(shè)備地址功能編碼地址高字節(jié)地址低字節(jié)數(shù)據(jù)高字節(jié)數(shù)據(jù)低字節(jié) CRC低字節(jié) CRC高字節(jié) 8位字節(jié) 8位字節(jié) 8位字節(jié) 8位字節(jié) 8位字節(jié) 8位字節(jié) 8位字節(jié) 8位字節(jié)
Modbus通訊協(xié)議規(guī)定了 2種通訊方式。 RTU (REMOTE TERMINAL UNIT)方式通訊采用 8位字節(jié)的二進制數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)校驗采用 CRC循環(huán)冗余校驗，通訊速度較快；ASCII方式采用 7位 ASCII碼進行通訊，數(shù)據(jù)校驗采用 LRC邏輯冗余校驗，通訊速率較慢。針對 MODBUS在電磁流量轉(zhuǎn)換器上的應用，在 MODBUS的功能碼中，不同公司采用不同的方式實現(xiàn)，有的公司只用了 3個功能碼：03、
04、06。 03號功能碼主要用來讀取流量信息，包括瞬時流量、流速、流量百分比、電極電阻、正向累計、反向累計、儀表口徑、報警狀態(tài)等；04號功能碼用來讀取鍵盤參數(shù)，06號功能碼用來設(shè)置鍵盤參數(shù)。
2基于 Modbus協(xié)議的電磁流量計信息讀取
在污水處理廠和運行泵站中作為污水計量的儀表，智能電磁流量計信息的讀取就顯得異常重要。現(xiàn)場儀表的流量信息，由瞬時流量、流速、百分比、報警狀態(tài)等參數(shù)進行反映，參數(shù)存放地址如下表：
參數(shù)存放首址參數(shù)定義數(shù)據(jù)長度 01瞬時流量 3 04流速 3 07百分比 3 10空管電阻 3 13正向累計 3 16反向累計 3 19儀表口徑 3 22報警狀態(tài) 3
定義如下：讀取流量信息時，主機發(fā)出功能編碼 03：讀取輸入寄存器值。參數(shù)存放首址對應輸入寄存器首址的低字節(jié)。主機發(fā)送命令格式如下：
從機地址 (1Byte) +功能編碼 (1Byte) +輸入寄存器首址 (2Byte) +輸入寄存器個數(shù) (2Byte) + CRC校驗值 (2Byte),從機地址值范圍在 199；
輸入寄存器高字節(jié)全部是 0，低字節(jié)范圍在 01~09，對應上面表格中參數(shù)存放首址。輸入寄存器個數(shù)高字節(jié)是 0，低字節(jié)是 3,從機回應格式如下：
從機地址 (1Byte) +功能編碼 (1Byte) +讀出的字節(jié)個數(shù)(1Byte) +字節(jié)內(nèi)容 (6Byte) + CRC校驗值 (2Byte),返回的參數(shù)占 6個字節(jié)，故字節(jié)個數(shù)是 6。
注：讀取流量信息時，對瞬時流量、流速、百分比、報警狀態(tài)等參數(shù)，用戶可以分別讀取，即一次只讀取一個參數(shù)。用戶也可以一次性讀取所有的 8個參數(shù)或一次讀取其中的幾個參數(shù)。讀出的流量信息有兩種表示方法：整形數(shù)表示法和浮點數(shù)表示法。如沒有特殊聲明，儀表一般采用整形數(shù)據(jù)進行傳輸。
詳細信息結(jié)構(gòu)定義如下：
1）瞬時流量信息定義主機發(fā)送：01H03H00H01H00H03H54H0BH從機響應：
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高431
如果數(shù)據(jù)以整形數(shù)格式進行傳輸，則 D0、D1代表瞬時流量整數(shù)部分的高 4位（16進制）， D2、D3代表瞬時流量整數(shù)部分的低 4位（16進制）， D4、D5代表瞬時流量小數(shù)部分值（16進制）。
2）流速信息定義主機發(fā)送：01H03H00H04H00H03H44H0AH從機響應：
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高如果數(shù)據(jù)以整形數(shù)格式進行傳輸，則 D0、D1代表流速整數(shù)部分的高 4位（16進制）， D2、D3代表流速整數(shù)部分的低 4位（16進制）， D4、D5代表流速小數(shù)部分值（16進制）。
3）正向總量信息定義主機發(fā)送：01H03H00H0DH00H03H94H08H從機響應：
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高如果數(shù)據(jù)以整形數(shù)格式進行傳輸，則將 D0、D1由 16進制轉(zhuǎn)換成 10進制 X0X1X2X3，將 D2、D3由 16進制轉(zhuǎn)換成 10進制 X4X5X6X7，將 D4、D5由 16進制轉(zhuǎn)換成 10進制 X8X9X10X11，數(shù)據(jù)由 X0X1X2X3X4X5X6X7X8X9組成，小數(shù)點位置和累計單位由 X10X11決定。
列表如下：
X10X11 0 1 2 3 4 5 6 7單位 0.001L 0.01L 0.1L 1L 0.001m3 0.01m3 0.1m3 1m3 X10X11 8 9 10 11 12 13 14 15單位 0.001USgal 0.01USgal 0.1USgal 1USgal 0.001igal 0.01igal 0.1igal 1igal X10X11 16 17 18 19 20 21 22 23單位 0.001kg 0.01kg 0.1kg 1kg 0.001t 0.01t 0.1t 1t
舉例說明如下：
如接收到的數(shù)據(jù)是
01H04H06H00H22H16430C84686B則 0022（16進制）=34（十進制）
則 1643（16進制）=5699（十進制）
則 0C84（16進制）=3204（十進制）
則數(shù)據(jù)可表示為 34569932，04是小數(shù)點位數(shù)，查表為 0.001m3，故實際數(shù)據(jù)為 34569.932m3。
4）反向總量信息定義
主機發(fā)送：01H03H00H10H00H03H04H0EH從機響應：
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高數(shù)據(jù)表示方法和正向總量一樣。
5）報警狀態(tài)信息定義主機發(fā)送：01H03H00H16H00H03HE4H0FH從機響應：
01H03H06HD0D1D2D3D4D5CRC16低CRC16高432
如果數(shù)據(jù)以整形數(shù)格式進行傳輸，則 D2、D3代表報警狀態(tài)整數(shù)值(十六進制 )，D0、D1、D4、D5保留。報警狀態(tài)的值范圍不會超過 1024，用二進制位表示為：Bit9 Bit8 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 BIT3 bit2 Bit1 Bit0，分別定義如下：位定義：Bitx= 0無警狀態(tài)；Bitx= 1報警狀態(tài)；
ALAM位 Bit0 Bit1 Bit2 Bit3 Bit4報警定義保留勵磁報警電極報警空管報警上限報警 ALAM位 Bit5 Bit6 Bit7 Bit8 Bit9報警定義下限報警保留保留保留保留
3 基于 Modbus協(xié)議的電磁流量計參數(shù)讀取
基于 Modbus協(xié)議的電磁流量計在進行參數(shù)讀取時，可以先定義
參數(shù)編號顯示文字設(shè)置方式默認值 1語言選擇選擇中文 2測量管道口徑選擇 100 3流量量程單位選擇 m3/h 4流量量程倍率選擇 -2 5流量量程設(shè)定設(shè)置 28274 6量程自動切換選擇禁止 7測量阻尼時間選擇 4.0S 8流量方向選擇選擇正向 9流量零點修正設(shè)置 +0.000 10小信號切除點設(shè)置 0.5% 11切除允許選擇選擇允許 12變化率限制值設(shè)置 00% 13不敏感時間值設(shè)置 00S 14流量積算單位選擇 1.0m3 15脈沖輸出方式選擇頻率 16脈沖當量選擇設(shè)置 10 17脈沖當量單位選擇 0 18頻率輸出滿度設(shè)置 2000 19空管報警允許選擇 0 20電極報警閥值設(shè)置 200.0K 21上限報警允許選擇禁止 22上限報警閥值設(shè)置 90.0% 23下限報警允許選擇禁止 24下限報警閥值設(shè)置 15.0% 25反向測量允許選擇禁止 26傳感器系數(shù)值設(shè)置 1.0000 27勵磁方式選擇選擇方式一 28儀表標定系數(shù)設(shè)置 1.0000 29電流零點修正設(shè)置 1.0000 30電流滿度修正設(shè)置 1.0000 31出廠標定系數(shù)設(shè)置 1.0000
現(xiàn)場儀表的各個參數(shù)，參數(shù)編號定義如下：
3．1 語言選擇參數(shù)值 =0：中文參數(shù)值 =1：英文3．2流量量程設(shè)置 :0～65535。 4電磁流量計
Modbus通訊的安裝與布線
電磁流量計按照 RS-485串口方式進行布線和連接，按照下圖方式進行連接：
電磁流量計 MODBUS通訊接線圖
工控機或 PC機通過串口連接到 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的+A、+B分別連接到各個電磁流量計。
如果是分體式電磁流量計，將 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器的 +A、+B分別和電磁流量計的 A2、B2相連接，如果接線較長，連接的儀表較多，有必要在遠端加一個 100Ω-200Ω的匹配電阻。
如果是一體式電磁流量計，將 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器的 +A、+B分別和電磁流量計的 TRX+、TRX-相連接，如果接線較長，連接的儀表較多，有必要在遠端加一個 100Ω-200Ω的匹配電阻。
5電磁流量計的 Modbus通訊測試
如果用戶需要和現(xiàn)場儀表進行 MODBUS通訊，可以安裝測試程序進行測試，利用測試應用程序 MODBUSV1.0及通訊范例源程序（VB）進行通訊測試。
用戶在應用 MODNUS之前應該仔細閱讀電磁流量計 MODBUS通訊協(xié)議，這樣上位機才能正確的讀、寫電磁流量計的相關(guān)參數(shù)。測試時，打開測試應用程序 MODBUSV1.0，如下圖：
如果 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器輸出是與多臺電磁流量計相連接，首先應該注意的是：
1）必須將每一臺電磁流量計設(shè)置為不同的地址，地址范圍是 0132。地址如果重復，通訊很容易出錯。 2）記住每一臺電磁流量計的通訊速度。通訊速度的波特率包括 600、1200、2400、4800、9600、14400、19200。每一臺電磁流量計的通訊速度應該盡量一致，這樣操作方便，也減少了出錯的幾率。連接完畢后，操作如下：
●
如果連接的儀表中有一臺儀表地址是 02，通訊速度是 19200，則首先在測試畫面的左面，在通訊速度的列表框中選擇 19200，在設(shè)備地址的列表框中選擇 02；此時在右邊的空白框中就會有數(shù)據(jù)顯示。點擊顯示刷新按扭，會對右邊的數(shù)據(jù)進行瞬間清屏。
如果要對 02號儀表的鍵盤參數(shù)進行讀、寫，可點擊左邊的讀 /寫參數(shù)按扭，彈出下圖：
寫參數(shù)時，可在下拉列表框中選擇，或在文本框中輸入?yún)?shù)。參數(shù)下面有提示，輸入不能超過范圍。
6結(jié)束語
目前中國對于環(huán)境治理的重視程度日益增強，其中污水處理是重中之重。 [3]在污水計量中起到關(guān)鍵作用的流量計就顯得非常重要，為了保證計量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性和精確性，采用串口方式基于 Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊的優(yōu)勢就尤為突出。這種串口通訊方式，必將在今
后污水處理廠的自動化系統(tǒng)和信息集成系統(tǒng)中，應用的更加廣泛。--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：
