基于USB與RS485總線的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為了有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線上各個(gè)分區(qū)儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制，采用BorlandC++Builder6,通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)了PID調(diào)節(jié)儀表在線集中監(jiān)控系統(tǒng)。主要包括：鋼制品生產(chǎn)線上罩式爐設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以及PID調(diào)節(jié)儀表的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

　　2監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)控系統(tǒng)采用RS485總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PID調(diào)節(jié)儀表的網(wǎng)絡(luò)通信。RS485總線的特點(diǎn)是實(shí)施簡(jiǎn)單方便，通過(guò)RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許較多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器，完全可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配備多個(gè)PID調(diào)節(jié)儀表的組網(wǎng)需要。

圖1監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　3監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1自整定專(zhuān)家PID調(diào)節(jié)儀表

　　自整定專(zhuān)家PID調(diào)節(jié)儀表具備100~240VAC寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源，輸入采用數(shù)字校正及自校準(zhǔn)技術(shù)，測(cè)量精確穩(wěn)定，消除溫漂和時(shí)漂引起的測(cè)量誤差。儀表全面采用表面貼裝工藝，并采用多重保護(hù)和隔離設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。

　　儀表采用先進(jìn)的專(zhuān)家PID智能調(diào)節(jié)算法，控制精確穩(wěn)定，無(wú)超調(diào)，具備高精度的自整定(AT)功能。

　　儀表輸出采用模塊化硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過(guò)更換不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)多種控制方式。PID控制輸出可選擇4mA~20mA電流、(1V~5V電壓)、SSR驅(qū)動(dòng)、單相/三相SCR過(guò)零觸發(fā)和單相SCR移相觸發(fā)等多種方式，另有兩路報(bào)警輸出功能，還可選配變送輸出，或標(biāo)準(zhǔn)通訊接口(RS485或RS232)。

　　儀表具有多類(lèi)型輸入功能，一臺(tái)儀表可以配接不同的輸入信號(hào)(熱電偶/熱電阻/線性電壓/線性電流/線性電阻)，大大減少了備表的數(shù)量。其適用范圍非常廣泛，可與各類(lèi)傳感器、變送器配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測(cè)量和顯示，并配合各種執(zhí)行器對(duì)電加熱設(shè)備和電磁、電動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和控制、報(bào)警控制、數(shù)據(jù)采集和記錄。

　　3.2USB轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器

　　USB轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器是一款即插即用型的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，完全兼容USB(UniversalSerialBus)Rev:2.0;支持任何波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間間隔等參數(shù)，是一款自適應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

　　支持RS-232/485界面，2Mbps以上數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　支持自動(dòng)握手協(xié)議;支持遠(yuǎn)程喚醒和電源管理;支持USB總線直接取電，無(wú)需外接電源(DC5V);驅(qū)動(dòng)程序分二次確認(rèn)，第一次為芯片驅(qū)動(dòng)，第二次為I/O端口驅(qū)動(dòng)，為同一目錄下的驅(qū)動(dòng)程序即可完成。

　　4監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用BorlandC++Builder6設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，通過(guò)其功能強(qiáng)大的圖形化控制界面，及SPComm控件在串行口下編程，采用Modbus協(xié)議，通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器，很好地實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與PID調(diào)節(jié)儀表的通訊功能，從而可以方便的通過(guò)對(duì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線上各個(gè)分區(qū)儀表的參數(shù)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程操作控制。

　　該軟件系統(tǒng)主要包括三部分：鋼制品生產(chǎn)線上罩式爐設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以及PID調(diào)節(jié)儀表的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

　　4.1Modbus通信

　　標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用與RS-232C兼容的串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)。控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。

　　控制器通信使用主-從技術(shù)，即主設(shè)備能初始化傳輸(查詢(xún))。從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢(xún)提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。無(wú)論主設(shè)備查詢(xún)還是從設(shè)備響應(yīng)，每個(gè)Modbus幀都包括地址域、功能域、數(shù)據(jù)域、錯(cuò)誤檢測(cè)域。Modbus通信有兩種模式：ASCII模式和RTU模式。相對(duì)于ASCII模式，RTU模式在同樣的波特率下，可比ASCII模式傳送更多的數(shù)據(jù)。

　　使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始。整個(gè)消息幀必須作為連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過(guò)1.5個(gè)字符的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一個(gè)字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣的，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(kāi)始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一個(gè)消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谳^后的CRC域的值不可能是正確的。一個(gè)典型的消息幀如表1所示。

　　表1RTU消息幀

　　PID調(diào)節(jié)儀表采用Modbus-RTU模式進(jìn)行上位機(jī)通訊，協(xié)議格式為：8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無(wú)校驗(yàn)位，發(fā)送接收數(shù)據(jù)都是以十六進(jìn)制格式進(jìn)行。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表2所示。

　　表2發(fā)送數(shù)據(jù)格式

　　其中，參數(shù)的通訊地址用一個(gè)字節(jié)表示時(shí)，對(duì)應(yīng)A2位置，A1默認(rèn)為00H;03、04指令均為讀命令，其中04對(duì)應(yīng)讀取的數(shù)據(jù)不可寫(xiě)入，03與06指令對(duì)應(yīng)參數(shù)地址，一個(gè)讀取、一個(gè)寫(xiě)入;A1、A2與A3、A4組成兩個(gè)雙字節(jié)的數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)碼是一個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都是高位在前，低位在后;03、04指令讀取數(shù)據(jù)時(shí)，A1、A2為開(kāi)始讀取的地址，A3、A4為連續(xù)讀取數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù);06指令中，A1、A2需要寫(xiě)入數(shù)據(jù)的地址，A3、A4表示要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。

　　返回?cái)?shù)據(jù)格式，06指令寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送與返回的數(shù)據(jù)一致;03、04指令返回?cái)?shù)據(jù)格式如表3所示，其中返回?cái)?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為：N×2。

　　表3返回?cái)?shù)據(jù)格式

　　4.2溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用BorlandC++Builder6設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要涉及Chart、Timer、SPComm、MainMenu等控件的使用。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括：采樣程序，數(shù)據(jù)保存程序，備份歷史數(shù)據(jù)程序等。溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要流程如圖2所示。

圖2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要流程圖

　　4.3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

　　啟動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)程序，首先選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，將會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息，如圖3所示。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要包括兩種數(shù)據(jù)檢索方式：方式1,通過(guò)選定檢索日期進(jìn)行檢索;方式2,設(shè)置卷號(hào)，按卷號(hào)檢索。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的瀏覽與查詢(xún)。

圖3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

　　4.4PID調(diào)節(jié)儀表的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)系統(tǒng)

　　PID調(diào)節(jié)儀表的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要包括三部分功能：寫(xiě)入儀表前的數(shù)據(jù)設(shè)置功能，數(shù)據(jù)寫(xiě)入儀表功能和讀取儀表數(shù)據(jù)功能。

　　圖4為數(shù)據(jù)寫(xiě)入儀表程序主流程圖。其中數(shù)據(jù)設(shè)置功能主要通過(guò)兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：途徑1,添加系統(tǒng)的配置設(shè)置文件“MControlini”，通過(guò)對(duì)配置設(shè)置文件中溫度和時(shí)間參數(shù)的設(shè)置與修改，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入儀表前的設(shè)置操作;途徑2,啟動(dòng)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)系統(tǒng)程序，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，系統(tǒng)程序會(huì)自動(dòng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中設(shè)置的分區(qū)儀表總數(shù)，通過(guò)對(duì)每個(gè)分區(qū)各個(gè)曲線段溫度與時(shí)間參數(shù)的修改與設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入儀表前的設(shè)置操作。其中，途徑2在設(shè)置數(shù)據(jù)時(shí)，可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)的格式及大小進(jìn)行判斷，而且重新設(shè)置的數(shù)據(jù)狀態(tài)變化將會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)地顯示在界面對(duì)應(yīng)的曲線段中。

圖4數(shù)據(jù)寫(xiě)入儀表程序主流程圖

　　圖5為讀取儀表數(shù)據(jù)程序主流程圖。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)讀取的儀表數(shù)據(jù)與系統(tǒng)配置文件中的參數(shù)作對(duì)比分析，判斷儀表數(shù)據(jù)與系統(tǒng)配置文件數(shù)據(jù)是否一致。

圖5讀取儀表數(shù)據(jù)程序主流程圖

　　若“是”，表明系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)與儀表數(shù)據(jù)具有很好的一致性，終止讀取程序;若“否”，則執(zhí)行程序的下一步操作：“配置文件數(shù)據(jù)寫(xiě)入儀表”，或者“配置文件數(shù)據(jù)更新為儀表數(shù)據(jù)”。通過(guò)讀取儀表數(shù)據(jù)程序，系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了配置文件數(shù)據(jù)與儀表數(shù)據(jù)的一致性。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　基于RS485總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)Modbus協(xié)議，采用BorlandC++Builder6設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)線上各個(gè)分區(qū)儀表的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

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