摘 要：本設計包括智能工業(yè)控制器下位機和應用組態(tài)王6.51軟件編制的上位機監(jiān)控程序，兩者通過目前流行的Modbus協(xié)議通訊。前者應用智能專家PID控制算法，完成對溫度，壓力，液位等物理量的控制，后者用于對下位機參數(shù)讀寫，顯示，報警，報表打印等，從而實現(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，有廣闊的應用前景。 關鍵詞：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，對工業(yè)設備的控制逐步從單一獨立系統(tǒng)向集散控制監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展，因此，筆者設計了基于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，可對工業(yè)現(xiàn)場的溫度，壓力，液位，濕度等參數(shù)進行精確控制，并且可以利用上位組態(tài)軟件實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的讀寫，顯示，越限報警，打印報表等，實現(xiàn)了一個完整的工業(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單片機為CPU[1]，以四位半的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135串行方式進行數(shù)據(jù)采集，ICL7135的Busy信號上升沿觸發(fā)定時器T0開始計脈沖數(shù)，轉(zhuǎn)換完畢時Busy信號下降沿觸發(fā)INT0中斷讀取定時器T0的計數(shù)值，經(jīng)過簡單的換算就可以得出A/D轉(zhuǎn)換值。模擬開關4051控制8路通道的通斷狀態(tài),由CPU來配置信號處理電路和多路選擇開關的選通情況。12級串行分頻器CD4040的基準時鐘信號采用AT89C55WD單片機的ALE信號，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級分頻（fosc/24=250KHz）和11級分頻（fosc/12288=500Hz）分別輸入到ICL7135的CLK端和單片機的INT1端，作為ICL7135的時鐘基準和單片機外部2ms的定時中斷。P0，P2口及P1.3用于掃描4個按鍵和8個共陽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)實際需要指定的傳感器。 　　輸出模塊可選用：（1）繼電器觸點開關輸出;（2）可控硅無觸點開關輸出;（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。 　　報警模塊為：2路繼電器開關輸出（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)控制器啟動時，先進入初始化程序，對系統(tǒng)進行自檢。然后從EEPROM中讀取相關系統(tǒng)設置參數(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)對應的線形補償表進行線形補償;否則輸入為線形電流或電壓，不需要補償。程序再讀取2ms外部定時中斷服務程序經(jīng)過去抖處理的鍵盤的鍵值，用狀態(tài)分析法判斷處理對應的參數(shù)及LED顯示界面。讀取A/D采樣值，根據(jù)實際現(xiàn)場調(diào)節(jié)數(shù)字濾波設置參數(shù)DL，進行相關濾波處理，這樣得出的測量數(shù)據(jù)PV比較平滑穩(wěn)定。再讀取設定值SV，與測量值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：通過判斷測量值PV與設定值SV的關系來決定輸出，回差DF用于避免測量輸入值波動而導致位式調(diào)節(jié)頻繁通斷或報警頻繁產(chǎn)生/解除，當SV-PV>DF時，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]是基于被控對象的控制規(guī)律的知識，以智能的方式利用這些知識來設計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|e（k）|>A時，說明誤差很大，要以系統(tǒng)允許的最大（或最?。┹敵?當e（k）□e（k）>0時，說明誤差絕對值在朝增大的方向變化，此時依據(jù)|e（k）|值調(diào)整PID控制參數(shù);當e（k）□e（k）<0時，在□e（k）□e（k-1）>0或e（k）=0時，說明誤差絕對值在朝減小的方向變化，此時可保持輸出不變，而在e（k）□e（k）<0時，依據(jù)|e（k）|值調(diào)整PID微分參數(shù);當|e（k）|<ε時，說明誤差絕對值很小，此時調(diào)整PID積分參數(shù)，減小穩(wěn)態(tài)誤差。 　　該規(guī)則集中的各個常數(shù)均為正實數(shù)，可由仿真及實驗整定后在控制器設定機構上設定好這些參數(shù)。另外，這些參數(shù)也可以通過上位機進行讀寫設定。在進行控制時，由控制器依據(jù)專家規(guī)則，完成對被控對象的智能控制。經(jīng)驗證，此時控制精度較高，效果較好。 　　系統(tǒng)程序根據(jù)輸出模塊類型，讀取其對應的設置參數(shù)，根據(jù)前面計算值，轉(zhuǎn)換成對應輸出值，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、負偏差、輸入越量程等報警參數(shù)，若有，則送報警輸出模塊輸出，否則不作反應。系統(tǒng)再根據(jù)Modbus通信協(xié)議，對接受數(shù)據(jù)進行解析并作相應處理，包括數(shù)據(jù)CRC校驗，數(shù)據(jù)打包，讀寫相關參數(shù)等。 2 Modbus現(xiàn)場總線通信協(xié)議 　　一般基于Modbus現(xiàn)場總線[3]的監(jiān)控系統(tǒng)采用主從查詢-回應的交互方式來實現(xiàn)。本系統(tǒng)使用RTU（遠程終端設備）模式，消息發(fā)送以大于3.5個字符時間的停頓開始，主機發(fā)出要訪問的從機地址，每個從機設備都進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。從機在回應消息中的設備地址為本機地址，功能代碼是對主機查詢消息中的功能代碼的回應，數(shù)據(jù)段包括了從機的寄存器信息。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼和數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼，錯誤檢測域用于主機確認從機的回應消息是否可用。在最后一個傳輸字符之后，大于3.5個字符時間的停頓標定了消息幀的結束。整個消息幀必須以連續(xù)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)輸，如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將判數(shù)據(jù)超時不可用，刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)，這都將導致CRC校驗錯誤。 3 基于Modbus現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng) 　　3.1 智能工業(yè)控制器下位機通信模塊 　　3.1.1 硬件接口 　　Modbus協(xié)議的物理層一般都采用RS-485半雙工結構作為通信接口標準。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, 傳輸距離可長達1.2km。由于要把單片機的邏輯電平經(jīng)過光耦6N137隔離后轉(zhuǎn)換成485差分信號在總線上傳輸,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）對收發(fā)器造成的損壞，另外SN75LBC184對傳輸信號變化沿限制斜率, 可減小電磁干擾，總線上至少可掛64個這樣的收發(fā)器,通信速率最高可達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)議下位機程序檢測主機訪問的從機地址，若是本機則進行CRC校驗，若正確則進行功能碼解析程序，依據(jù)功能碼轉(zhuǎn)入相應子程序，進行數(shù)據(jù)打包和相應參數(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)動程序是基于Modbus通信協(xié)議編制的，因此應用時只要參照組態(tài)王軟件的手冊進行操作，通過編制監(jiān)控畫面，設置波特率，校驗方式，通訊方式，下位機地址，進行通訊用的I/O變量及類型，變量寄存器以及采樣頻率等來實現(xiàn)與下位機的通信。圖6是用組態(tài)王6.51軟件編制的連接10臺工業(yè)控制器的監(jiān)控系統(tǒng)畫面。設置波特率為4800，無校驗，Modbus （RTU）unpack方式，地址1～10，數(shù)據(jù)采集頻率為400ms。由于實際監(jiān)控系統(tǒng)上只掛了第一臺工業(yè)控制器，其余的畫面上顯示出了“???”號。該上位機監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對下位機數(shù)據(jù)讀寫顯示，歷史數(shù)據(jù)保存查詢，報警，報表打印等功能，從而實現(xiàn)了基于Modbus現(xiàn)場總線的智能工業(yè)控制器上位監(jiān)控系統(tǒng)的設計。 [align=center] 圖 6 監(jiān)控畫面[/align] 4 結束語 　　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臺智能工業(yè)控制器下位機，而組態(tài)王上位機監(jiān)控程序只要根據(jù)實際的需要作相應的調(diào)整即可使用。而且該智能工業(yè)控制器程序經(jīng)過適當?shù)母膭舆€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)過廠家實際使用驗證效果比較理想，具有廣闊的應用前景，預計經(jīng)濟效益100余萬元。 參考文獻 　　1 趙德安.單片機原理及應用.北京：機械工業(yè)出版社,2004 　　2 劉金琨.先進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)中的應用.微計算機信息，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》，2006. 　　基于Modbus的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)的設計