基于Modbus的空调控制系统

发布时间：2010-10-18 19:30 发布者：techshare

1 引言

Modbus 是工业通讯通用协议中的一种，已被众多的厂商所支持并广泛用于工业控制领域，并且也是诸多中国国家工业总线通讯gb标准之一。通过modbus协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间通信实现监控。modbus作为一种通用工业标准，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

早期的车间自动化设备基于硬接线plc组建控制系统，虽然硬接线方式具有可靠、稳定的优点，但对于大规模自动化系统布线成本偏高。若采用modbus协议等通用工业标准，可减少plc模件使用量，缩减电缆费用，从而降低工程造价。本文结合工程实际，介绍modbus协议在空调控制系统中的应用。

2 电厂空调系统案例

2.1 modbus通讯协议简介

modbus 通讯协议，是一种串行的、非同步的主从通讯协议，网络中只有一个设备能够建立协议，其它的设备只能通过提供数据响应主机的查询，或根据查询做出相应的动作。modbus协议定义了主机查询的格式，其包括：主从机的编址方法(或广播)，要求动作的功能代码，传输数据和错误校验等，或不能完成主机要求的动作，它将组织一个故障作为响应。modbus协议不需要特别的接口，典型的物理接口是rs485。在modbus通讯网络中，一般可提供ascii、 rtu、plus、tcp/ip等通讯模式。在实际应用中，可以使用rs232、rs485/422、modem加电话线、以及tcp/ip来联网。所以，modbus的传输介质种类较多，可以根据传输距离来选择。

2.2 工程背景

某电厂设计有4套集中空调系统，配置了触摸屏可就地控制，要求在暖通控制室远程监控。每套空调配有西门子小型plc程控装置，留有远程硬接线接口，该plc带有485接口，支持modbus协议，因此可通过通信方式实现机组的远程监控。

暖通控制室距空调机组大约200米，因此可组建简单方便、成本低的rs485/modbus网络。采用modbus的rtu形式，这种接线方式为总线式拓朴结构，在同一总线上最多可以挂接32个结点。

考虑辅助控制系统plc设备统一性，选用罗克韦尔的1763-l16bwa处理器作为该rs485/modbus通讯网络的主站，4个空调机组plc作从站，用一根对绞线电缆以总线方式把主站与从站连接起来，建立简单的rs485/modbus通信网络。1763-l16bwa带有以太网接口，通过交换机与操作员站连接，便可在上位机对空调机组进行监控。

2.3 控制系统实现

当一个modbus－rtu主站想要从一台从站得到数据的时候，这个主站会发送一条包含该设备地址、功能代码、所需要数据以及一个用于检测错误的求和校验码的信息。网络上的所有其它从站都可以看到这一条信息，但是只有地址被指定的设备才会作出反应。

设备地址是一个从0到247的数字，空调系统plc从站地址可在就地触摸屏进行设定。

功能代码定义了从设备应该执行的命令，例如读取数据、接受数据、报告状态等等。功能代码为从1到255的数字。

数据为读取功能定义了在设备存储器映射当中的地址，它包括被写入设备存储器的数据值，或是包括其它根据功能代码的要求需要被执行的信息。

错误检查是一个描述循环冗余校验(crc)的16-bit数值。循环冗余校验码(crc)由主设备产生，并且由接收设备进行检查。如果crc值不符，这个设备就会要求重新传送讯息。在有些系统里面，还要对数据进行奇偶校验。

当从设备执行了所要求的功能，它会返回一条讯息给主设备。这条返回的讯息包含了从设备的地址、所要求的功能代码、所要求的数据以及一个错误检查值。

读取和写入数据：modbus拥有最多255个功能代码，但是01(读取输出量)、02(读取离散输入)、03(读取保持寄存器)、04(读取输入寄存器)、05(写入单一离散量输出)以及06(写入单一寄存器)是最为常用的读写功能代码，这些代码被用来从modbus从设备采集数据和向从设备发出指令。

本系统中从站已定义了modibus地址所代表的信息，通讯波特率为9600，偶校验。这样可以很容易的通过读写命令获得空调机组状态信息和向其发出指令。

2.4 工业总线工程经验

在工程调试中我们会遇到各种各样的问题，在此结合本工程作简单的介绍。

(1) 要使用同一型号双绞线。在本工程施工中，施工人员接线时由于通讯电缆长度预估不足，在连接3、4号从站时使用了另一型号双绞线。在调试时发现不能读写数据，为排查问题做了大量工作，最后发现该问题，更换同一型号双绞线后问题此解决，这给调试带来额外的麻烦，既费时又费力。

(2) 双绞线与485母口焊接要规范。在空调控制系统调试时遇到了两芯线短路的现象，这可能也是广大工程人员经常遇到的问题，测量双绞线两芯线无电压，断定必然存在短路，到就地拆下各从站接口查看，发现有两个接口焊接不好，有外漏线芯连在一起造成短路，重新焊接后，检测线缆电压，在正常范围内。

(3) 信号地连接。大多情况下，连接rs-485总线时只是用一对双绞线将各个接口端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却留下了一定的隐患。

(4) 在构建手牵手总线型网络结构时，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，若通信距离较长或通信速率提高会造成信号质量下降。

以上几点问题是工程实际经常遇到的问题，也是影响控制系统稳定运行的重要因素，处理好这些问题，保证通信系统的稳定、可靠运行。

2.5 案例评估

下面对比通讯方式和硬接线方式实现空调系统的远程监控所需的设备材料(见表1)。

从表1我们可以看出硬接线方式的成本要比通讯方式高很多，可见通过通讯方式实现的远程监控，降低了成本。