Modbus協(xié)議在消防泵房自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Modbus協(xié)議在消防泵房自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Summary：為了提高消防泵房設(shè)備控制水平，選取Modbus通訊協(xié)議，設(shè)計(jì)泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防泵房設(shè)備進(jìn)行操控。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能達(dá)到了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)消防泵房自動(dòng)控制工作的開展有所幫助。Keys：消防泵房；Modbus通訊協(xié)議；自動(dòng)控制消防泵房設(shè)備控制模式較為落后，以手動(dòng)控制為主，消防員判斷火勢(shì)情況后需要來到泵房調(diào)節(jié)各個(gè)閥門的作業(yè)狀態(tài)及設(shè)備作業(yè)狀態(tài)，才能夠完成一次消防作業(yè)，大大降低了消防效率[1]。而消防作業(yè)效率在很大程度上決定了人身安全及財(cái)產(chǎn)保護(hù)的保障程度。所以，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化的消防泵房控制系統(tǒng)顯得尤為重要。通信模塊作為系統(tǒng)開發(fā)的核心部分，對(duì)自動(dòng)控制效果影響較大[2]。目前，開發(fā)的系統(tǒng)當(dāng)中通信功能模塊不夠完善，容易受消防環(huán)境影響[3]。本文嘗試選擇Modbus通訊協(xié)議作為研究工具，提出新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究。1系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)消防泵房的控制由兩部分組成，其中一部分為取水泵控制模塊，另外一部分為加壓泵房控制模塊。如圖1所示為系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)方案。圖1系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)該框架中，利用以太網(wǎng)建立中控室PC機(jī)與交換機(jī)、交換機(jī)與工控機(jī)的通信連接，在工控機(jī)的控制下，分別控制壓力傳感器、液位傳感器、無線收發(fā)模塊、智能儀表的作業(yè)狀態(tài)。其中，工控機(jī)與設(shè)備之間的通信采用RS-232建立。在PC機(jī)的控制下，各類傳感器采集數(shù)據(jù)，將其傳輸至中控室，而后根據(jù)設(shè)定的水泵控制方案，下達(dá)取水泵房和加壓泵房的作業(yè)命令，從而實(shí)現(xiàn)消防泵房自動(dòng)化控制[4]。2系統(tǒng)作業(yè)初始化2.1信號(hào)輸入作業(yè)初始化系統(tǒng)中以LM3310作為信號(hào)輸入端，根據(jù)信號(hào)采集需求，設(shè)置4路模擬量，分別作業(yè)于兩種傳感器。其中，一種為壓力傳感器，另外一種為液位傳感器。兩種傳感器的作業(yè)信號(hào)均為電流信號(hào)，控制電流范圍4～20mA，采用十六進(jìn)制，對(duì)此部分信號(hào)進(jìn)行編碼，記為0x0000～0xFFFF[5]。考慮到部分模擬量采集結(jié)果精度不高，為了彌補(bǔ)這個(gè)不足，在系統(tǒng)初始化階段，對(duì)輸入信號(hào)采取RC濾波處理。其中，參數(shù)Filter_Factor設(shè)置為2，持續(xù)80ms濾波，得到較為可靠的電流信號(hào)。2.2串口通信作業(yè)初始化本設(shè)計(jì)方案選取RS-232作為串口通信工具，在各個(gè)通信設(shè)備之間建立通信渠道。例如，無線收發(fā)模塊與系統(tǒng)工控機(jī)的連接[6]。其中，采用的通信協(xié)議為Modbus-RTU。通過運(yùn)行PowerPro軟件，完成串口通信初始化處理。奇偶校驗(yàn)DataParity設(shè)置為8位，不存在校驗(yàn)位，波特率BaudRate參數(shù)設(shè)置為38400bps，從站地址SlaveStation設(shè)置為51，停止位Stopbit設(shè)置為1位，以%IIB12開始寫入地址。2.3上位機(jī)交互通信初始化上位機(jī)交互通信指的是Windows系統(tǒng)與PLC交互的通信連接，以LM3109作為信息傳輸通道，借助RS-232接口收發(fā)信息。第一，采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至PLC，而后進(jìn)入Windows系統(tǒng)。第二，將控制中心下發(fā)的命令傳輸至泵房工控機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這兩部分通信功能，利用Set_COMM_PRMT模塊，發(fā)送通信協(xié)議，即運(yùn)用Modbus協(xié)議控制通信信息。其中，通信模塊無校驗(yàn)位，設(shè)置8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸波特率為常規(guī)，即38400bps。3系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)3.1基于Modbus的系統(tǒng)通訊協(xié)議設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選取Modbus作為通信協(xié)議，應(yīng)用在網(wǎng)口連接處，即消防泵房設(shè)備之間的通信?？紤]到PLC設(shè)備自身帶有通信串口，所以在第一層設(shè)置EIA/TLA_232，第二設(shè)置Modbus協(xié)議。以Modbus-RTU模式用來傳輸報(bào)文幀，其中功能碼占據(jù)1個(gè)字節(jié)，從站地址占據(jù)1個(gè)字節(jié)，CRC占據(jù)2個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)占據(jù)0～252個(gè)字節(jié)。3.2系統(tǒng)通信功能實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)采用C#作為程序開發(fā)工具，按照Modbus協(xié)議要求，編寫系統(tǒng)通信功能實(shí)現(xiàn)核心程序代碼。3.2.1串口通信數(shù)據(jù)設(shè)置此部分功能的開發(fā)，通過引用命令空間，在此空間內(nèi)設(shè)置參數(shù)初始化數(shù)值，從而完成串口的初始化處理。核心程序如下：SerialPortmySerialPort=newSerialPort(“COM6”)

//選擇COM6串口作為連接端mySerialPort.BaudRate=38400

//設(shè)置波特率mySerialPort.Parity=Parity.None

//設(shè)置串口奇偶校驗(yàn)：無mySerialPort.StopBits=StopBits.One

//設(shè)置端口停止位1位mySerialPort.DataBits=8

//設(shè)置端口數(shù)據(jù)位8位mySerialPort.Handshake=Handshake.None

//端口握手連接設(shè)置：無mySerialPort.RtsEnable=true

//開啟串口作業(yè)模式按照上述程序，對(duì)串口初始化作業(yè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，開啟串口作業(yè)模式，接下來注冊(cè)通信事件，對(duì)新的通信事件加以控制。3.2.2數(shù)據(jù)發(fā)送程序本系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送采用Write方法，將數(shù)據(jù)寫入串行端口，在Modbus命令碼的控制下發(fā)送此條命令，使得信號(hào)得以進(jìn)入緩沖區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。以下為此項(xiàng)功能的核心程序：mySerialPort.Write(message_DI,0,8)

//將數(shù)據(jù)寫入數(shù)組中進(jìn)入緩沖區(qū)其中，message_DI數(shù)組支持多數(shù)據(jù)的存放，包括寄存器地址、地址碼、字節(jié)數(shù)量等。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送字節(jié)為8個(gè)，起點(diǎn)為[0]。3.2.3數(shù)據(jù)接收程序采用Read方法讀取串口信息，通過調(diào)用sp_DataReceived函數(shù)接收相關(guān)數(shù)據(jù)。考慮到可能存在接收數(shù)據(jù)不完整情況，此時(shí)設(shè)定本次接收數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。以下為數(shù)據(jù)接收程序核心代碼：privatevoidport_DataReceived(objectsender,SerialDataReceivedEventArgse)//創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)接收端口，設(shè)置接收信號(hào)屬性

System.Threading.Thread.Sleep(1)

//對(duì)于數(shù)據(jù)接收不全面問題，休眠1msserialPort.Read(buf,0,buf.Length)

//讀取緩沖池內(nèi)相關(guān)參數(shù)數(shù)值而后調(diào)用其他程序處理未能全面接收的數(shù)據(jù)。4系統(tǒng)通信功能測(cè)試為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中通信功能開發(fā)可靠性，即Modbus通訊協(xié)議應(yīng)用方案是否可靠，本研究以取水泵房設(shè)備控制、加壓泵房設(shè)備控制、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度98%以上、RS-232通信、以太網(wǎng)通信、消防泵房自動(dòng)控制作為測(cè)試內(nèi)容，設(shè)置3組測(cè)試實(shí)驗(yàn)，記錄測(cè)試結(jié)果，如表1所示。表1系統(tǒng)通信功能測(cè)試結(jié)果實(shí)驗(yàn)組測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試結(jié)果取水泵房設(shè)備控制加壓泵房設(shè)備控制數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度98%以上RS-232通信以太網(wǎng)通信消防泵房自動(dòng)控制1通過通過通過通過通過通過2通過通過通過通過通過通過3通過通過通過通過通過通過測(cè)試結(jié)果顯示，3組測(cè)試中所有測(cè)試項(xiàng)目均達(dá)到了系統(tǒng)功能開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，通過了系統(tǒng)測(cè)試。其中，取水泵房設(shè)備與加壓泵房設(shè)備能夠根據(jù)消防需求，開啟自動(dòng)化控制模式，對(duì)各類設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行有效控制，從而為消防工作的開展提供了有效幫助，大大提高了操控效率及精準(zhǔn)度，操控精度在98%以上。5總結(jié)本文圍繞消防泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法展開探究，該設(shè)計(jì)方法以通信功能開發(fā)為主，引入Modbus通訊協(xié)議，搭建系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，以RS-232串口和以太網(wǎng)作為通信渠道，為數(shù)據(jù)傳輸搭建橋梁。按照此項(xiàng)通信協(xié)議要求，開發(fā)系統(tǒng)通信功能運(yùn)行程序。測(cè)試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，可以根據(jù)消防需求，下達(dá)取水泵房設(shè)備與加壓泵房設(shè)備作業(yè)命令，控制精度超過98%，可以作為消防泵房控制輔助工具。Reference[1]歐陽富.模糊-PI控制在高壓消防給水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù),2021,40(3):369-371.[2]王堃,馮敬宇.Modbus通訊協(xié)議在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽,2019,36(3):80-84.[3]孫立宇,高劍,李繼曉,張師君.冷庫水消防設(shè)計(jì)與自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的應(yīng)用[J].給水排水,2020,56(12):80-83.[4]羅靜,謝波,劉