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重鋼股份公司下屬的鐵前各工序，比如物運、焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵都是采用皮帶秤計量作為各工序成本核算的依據(jù)。為了保證計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時又基于硬件、軟件投資利潤率和性能價格比的考慮，對各工序皮帶秤計量建立了一個數(shù)據(jù)釆集網(wǎng)絡(luò)，通過Modbus通訊協(xié)議直接讀取各稱重儀表數(shù)據(jù)，完成各種物資重量數(shù)據(jù)釆集，生成計量報表。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)各工序原料、產(chǎn)量的準(zhǔn)確計量，滿足工序成本核算的需要,為優(yōu)化各工序生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。同時，對各工序皮帶秤要安裝視頻監(jiān)視，為計量數(shù)據(jù)提供視頻依據(jù)。
1網(wǎng)絡(luò)配置
鋼鐵生產(chǎn)線鐵前生產(chǎn)工藝包島物商儲運、焦化、燒結(jié)、球團(tuán)和煉鐵工序。礦石、原輔料的轉(zhuǎn)運和燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭、焦末等的轉(zhuǎn)運都要通過皮帶秤計量，核算各工序的生產(chǎn)成本。
由于各工序區(qū)域分散，皮帶秤安裝位置分散，要保證工作效率就需要建立一個計量數(shù)據(jù)釆集網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)釆用主從式點對點的通訊方式，由18臺皮帶秤稱重儀表（比如BW500）和1臺PC機(jī)構(gòu)成。根據(jù)皮帶秤安裝位置，將網(wǎng)絡(luò)上的18臺設(shè)備分成了3條RS485總線，每條RS485總線分別接入串口服務(wù)器，串口服務(wù)器的RJ45接口通過雙絞線與上位機(jī)網(wǎng)卡相連。上位機(jī)編程采用Modbus通訊協(xié)議直接讀取稱重儀表中的數(shù)據(jù)，釆集后將數(shù)據(jù)送入計量管理系統(tǒng)。同時，現(xiàn)場視頻通過數(shù)據(jù)光端機(jī)將視頻信號傳入視頻編碼器，遠(yuǎn)傳后，通過解碼器顯示出來。數(shù)據(jù)采集原理如圖1所示。皮帶秤計量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。

2系統(tǒng)功能
該系統(tǒng)針對鋼鐵行業(yè)鐵前工序皮帶秤建立了一套數(shù)據(jù)釆集網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)通過ModbusRTU協(xié)議讀取各條RS485總線上的皮帶秤稱重儀表中的計量數(shù)據(jù)，并及時將讀取的計量數(shù)據(jù)傳遞給計量管理系統(tǒng)，生成計量報表，同時，通過實時計量數(shù)據(jù)，可以對皮帶秤的運行狀況進(jìn)行有效監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及時處理，為計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了保障。該方式與傳統(tǒng)的皮帶秤計量統(tǒng)計方式相比，保證了計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)皮帶秤計量，其中一種方式是通過稱重儀表將重量信號轉(zhuǎn)換成電流信號送進(jìn)PLC模板，通過積分計算出腥數(shù)據(jù)；另一種方式麺過皮帶秤稱重儀表脈沖信號的累積計量數(shù)據(jù)。由于第一種方式?jīng)]有考慮補(bǔ)償因素，其誤差較大；第二種方式受稱重儀表到PLC距離的限制,距離太遠(yuǎn)時，傳遞的計量數(shù)據(jù)存在較大的誤差，而該系統(tǒng)通過直接讀取稱重儀表上的計量數(shù)據(jù)，可以保證計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
鐵前工序皮帶秤安裝位置分散，系統(tǒng)根據(jù)皮帶秤的分布情況，建立了3條RS485總線，分別接入串口服務(wù)器，完成串口在PC機(jī)中的映射，實現(xiàn)RS485到RS232的轉(zhuǎn)換。實際讀數(shù)時，對3個串口所掛設(shè)備分別讀數(shù)。在串行通訊中，主要是借助VB開發(fā)平臺下的MSComm,Timer控件來實現(xiàn)，計量畫面如圖3所示。

3Modbus通訊協(xié)議對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)
Modbus通訊協(xié)議采用主從工作方式，允許1臺主機(jī)和多臺從機(jī)通信。每臺從機(jī)地址由用戶設(shè)定，地址范圍為1~255.通信采用命令/應(yīng)答方式，每一種命令幀對應(yīng)一個應(yīng)答幀。命令幀由主機(jī)發(fā)出，所有從機(jī)都將收到報文，但只有被尋址的從機(jī)才會響應(yīng)相應(yīng)命令，返回相應(yīng)的應(yīng)答幀。
圖4是一個完整的主從査詢一回應(yīng)周期。如果報文中尋址地址為0,則被視為全局廣播，所有從機(jī)都把它當(dāng)一條命令執(zhí)行，不返回應(yīng)答幀。

3.1Modbus通訊協(xié)議
Modbus通訊協(xié)議有兩種傳送方式,RTU方式和ASCII方式。
ASCII模式：當(dāng)控制器或智能儀表在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII模式通信，在消息中的每八比特字節(jié)將作為2個ASCn字符被發(fā)送。這種傳送方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送時間間隔可達(dá)到1s,而不發(fā)生錯誤。
RTU模式：當(dāng)控制器或智能儀表在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU模式通信，在消息中的每八比特字節(jié)包含2個4bit的十六進(jìn)制字符。這種傳送方式的主要優(yōu)點是相對于ASCII模式，RTU模式表達(dá)相同的信息需要較少的位數(shù)，且在相同通訊速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量。在通常情況下，一般工業(yè)智能儀表都是釆用RTU模式的Modbus規(guī)約。本文所使用的稱重儀表BW500、ICS-300均支持ModbusRTU通訊模式。
3.2ModbusRTU消息幀格式
使用RTU模式時，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始（如圖5中的Tl—T2—T3—T4所示）。傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址,可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0~9,A~Fo網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，當(dāng)接收到第一個域（地址域）,每個設(shè)備都將進(jìn)行解碼，以判斷是否是發(fā)給自己的。在最后一個字符傳輸之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束，一個新的消息可在此停頓后開始，整個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3.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息，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)接著前一消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將會導(dǎo)致一個錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的。典型的RTU模式的消息結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3主機(jī)通訊軟件的設(shè)計
皮帶秤稱重儀表BW500、ICS-300都支持ModbusRTU協(xié)議，儀表中的信息包含動態(tài)信息、查詢信息和控制信息。該系統(tǒng)主要是完成對計量數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)信息的釆集,上位機(jī)釆集數(shù)據(jù)時，主要是釆用輪巡的方式，由于皮帶秤分布在鐵前物運、焦化、燒結(jié)和球團(tuán)各工序中，比較分散，如圖1所示，將18臺皮帶秤劃分成3條RS485總線，分別接入串口服務(wù)器，在PC機(jī)上安裝串口映射軟件后，針對使用的串口釆用周期性輪巡的方式采集稱重儀表的數(shù)據(jù)。
3.3.1MSComm控件與串行通信
從稱重儀表RS485接口傳輸?shù)男盘柾ㄟ^串口服務(wù)器后，完成了從RS485信號到RS232信號的轉(zhuǎn)換。通過主機(jī)上串口服務(wù)器端口映射軟件的串口映射，實質(zhì)上主機(jī)中的通訊軟件就是對RS232通訊端口進(jìn)行編程。使用多個通訊端口時，就需對每個端口進(jìn)行通訊編程。本文中使用了3個串口。
主機(jī)通信軟件釆用Windows環(huán)境下的VB6.0進(jìn)行編程。
VB6.0與Windows系統(tǒng)有著非常完美的接口，VB6.0提供了一個非常方便的MSComm通信控件。應(yīng)用程序嵌入MSComm通信控件，通過MSComm通信控件提供的事件驅(qū)動或查詢方式進(jìn)行串行通信管理。
3.3.2編程關(guān)鍵點
Modbus通訊協(xié)議規(guī)范：起始符+設(shè)備地址+功能代碼+數(shù)據(jù)+校驗和+結(jié)束符。通過協(xié)議規(guī)范不難看出，“校效和”在整個規(guī)范中非常重要。RS232通訊格式里的奇偶校驗方式并不能保證每個字符都正確，所以，需要把所有字符的值按照某種規(guī)律計算，將計算得到的字符（校驗和）傳給接收方。接收時，再把接收到的字符值按照某種規(guī)律計算，將得到的字符與發(fā)送方傳送過來的校驗和字符進(jìn)行比較——如果相等，就算接收正確了。
3.3.2.1實現(xiàn)校驗
ModbusRTU通訊方式的"校驗和”，即CRC校驗有兩種方法：計算法和查表法。計算法就是依據(jù)CRC校驗碼的產(chǎn)生原理來設(shè)計程序。其優(yōu)點是模塊代碼少、修改靈活、可移植性好;其缺點是計算量大。而査表法的優(yōu)缺點正好與計算法相反，因為對于固定字節(jié)CRC校驗計算的多項式因子，其CRC值是固定的，因而，釆用查表法可以簡化計算過程、節(jié)省應(yīng)答時間、提高通信效率。本文采用的是計算法，計算步驟如下：
參與CRC計算的是設(shè)備地址、功能代碼和數(shù)據(jù)。①設(shè)置CRC寄存器，并給其賦值FFFF（十六進(jìn)制）；②將參與校驗的第一個字節(jié)與16位CRC寄存器的低8位進(jìn)行異或，并把結(jié)果存入CRC寄存器；③CRC寄存器向右移1位，MSB補(bǔ)0,移出并檢査LSB；④如果LSB為0,重復(fù)上一步；如果LSB為1,CRC寄存器與多項式碼A001（十六進(jìn)制）相異或；⑤重復(fù)③和④，直到8次移位全部完成，此時第一個字節(jié)數(shù)據(jù)處理完畢;⑥重復(fù)②~⑤，直到所有字節(jié)數(shù)據(jù)全部處理完成；⑦）最終CRC寄存器的內(nèi)容即為CRC值；⑧發(fā)送時，先發(fā)CRC寄存器低字完成對計量數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)信息的釆集,上位機(jī)釆集數(shù)據(jù)時，主要是釆用輪巡的方式，由于皮帶秤分布在鐵前物運、焦化、燒結(jié)和球團(tuán)各工序中，比較分散，如圖1所示，將18臺皮帶秤劃分成3條RS485總線，分別接入串口服務(wù)器，在PC機(jī)上安裝串口映射軟件后，針對使用的串口釆用周期性輪巡的方式采集稱重儀表的數(shù)據(jù)。
3.3.1MSComm控件與串行通信
從稱重儀表RS485接口傳輸?shù)男盘柾ㄟ^串口服務(wù)器后，完成了從RS485信號到RS232信號的轉(zhuǎn)換。通過主機(jī)上串口服務(wù)器端口映射軟件的串口映射，實質(zhì)上主機(jī)中的通訊軟件就是對RS232通訊端口進(jìn)行編程。使用多個通訊端口時，就需對每個端口進(jìn)行通訊編程。本文中使用了3個串口。
主機(jī)通信軟件釆用Windows環(huán)境下的VB6.0進(jìn)行編程。
VB6.0與Windows系統(tǒng)有著非常完美的接口，VB6.0提供了一個非常方便的MSComm通信控件。應(yīng)用程序嵌入MSComm通信控件，通過MSComm通信控件提供的事件驅(qū)動或查詢方式進(jìn)行串行通信管理。
3.3.2編程關(guān)鍵點
Modbus通訊協(xié)議規(guī)范：起始符+設(shè)備地址+功能代碼+數(shù)據(jù)+校驗和+結(jié)束符。通過協(xié)議規(guī)范不難看出，“校效和”在整個規(guī)范中非常重要。RS232通訊格式里的奇偶校驗方式并不能保證每個字符都正確，所以，需要把所有字符的值按照某種規(guī)律計算，將計算得到的字符（校驗和）傳給接收方。接收時，再把接收到的字符值按照某種規(guī)律計算，將得到的字符與發(fā)送方傳送過來的校驗和字符進(jìn)行比較——如果相等，就算接收正確了。
3.3.2.1實現(xiàn)校驗
ModbusRTU通訊方式的"校驗和”，即CRC校驗有兩種方法：計算法和查表法。計算法就是依據(jù)CRC校驗碼的產(chǎn)生原理來設(shè)計程序。其優(yōu)點是模塊代碼少、修改靈活、可移植性好;其缺點是計算量大。而査表法的優(yōu)缺點正好與計算法相反，因為對于固定字節(jié)CRC校驗計算的多項式因子，其CRC值是固定的，因而，釆用查表法可以簡化計算過程、節(jié)省應(yīng)答時間、提高通信效率。本文采用的是計算法，計算步驟如下：
參與CRC計算的是設(shè)備地址、功能代碼和數(shù)據(jù)。①設(shè)置CRC寄存器，并給其賦值FFFF（十六進(jìn)制）；②將參與校驗的第一個字節(jié)與16位CRC寄存器的低8位進(jìn)行異或，并把結(jié)果存入CRC寄存器；③CRC寄存器向右移1位，MSB補(bǔ)0,移出并檢査LSB；④如果LSB為0,重復(fù)上一步；如果LSB為1,CRC寄存器與多項式碼A001（十六進(jìn)制）相異或；⑤重復(fù)③和④，直到8次移位全部完成，此時第一個字節(jié)數(shù)據(jù)處理完畢;⑥重復(fù)②~⑤，直到所有字節(jié)數(shù)據(jù)全部處理完成；⑦）最終CRC寄存器的內(nèi)容即為CRC值；⑧發(fā)送時，先發(fā)CRC寄存器低字節(jié)，后發(fā)CRC寄存器高字節(jié)。
MSB是MostSignificantBit的縮寫，意為最高有效位；LSB是LeastSignificantBit的縮寫，意為最低有效位。通常，MSB位于二進(jìn)制數(shù)的最左側(cè)，LSB位于二進(jìn)制數(shù)的最右側(cè)。
主機(jī)發(fā)送查詢命令或接收從機(jī)應(yīng)答數(shù)據(jù)時，校驗碼的計算是通過調(diào)用函數(shù)Chr_crc（）實現(xiàn)的，函數(shù)Chr_crc（）放在程序模塊中。
3.3.2.2實現(xiàn)周期性輪巡發(fā)送
為T保證主機(jī)不斷地將查詢命令下達(dá)到各個從機(jī)，對每條RS485總線即每個使用的COM串口，程序中使用1個定時器控件Timer1,將Timer控件的間隔屬性設(shè)置為100mso在定時器的Timer事件過程中寫入主機(jī)向1臺從機(jī)發(fā)送查詢信息。這樣，每隔100ms調(diào)用一次子程序，即主機(jī)向1臺從機(jī)完成一次命令發(fā)送。
如果主機(jī)是對各個從機(jī)的同一個數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢，那査詢信息幀的命令內(nèi)容是完全相同的，除了從機(jī)地址碼不同外，其格式基本相同。發(fā)送命令子程序流程圖如圖6所示。

具體代碼如下：
3.3.2.3判斷CommEvent事件實現(xiàn)循環(huán)接收
主機(jī)接收從機(jī)的響應(yīng)數(shù)據(jù)時，通過判斷CommEvent事件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)接收。對于固定信號的智能儀表或控制器，當(dāng)査詢信息確定后，返回的數(shù)據(jù)格式是固定的，為數(shù)據(jù)接收解析提供了固定方式。
具體代碼如下：

33.2.4窗體載入事件過程
窗體載入事件FormLoad在程序剛開始時被調(diào)用，負(fù)責(zé)設(shè)置通信端口參數(shù)，啟動定時器Timerl.主要程序代碼如下：

4結(jié)束語
在該數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)中，共18臺皮帶秤稱重儀表。根據(jù)皮帶秤的分布情況，將18臺設(shè)備分別掛在了3條RS485總線上，每條RS485總線分別接入串口服務(wù)器。通過串口映射，軟件中使用了3個串口COM1,COM2,COM3分別對3個串口編寫通訊程序讀取數(shù)據(jù)，所選用的傳輸波特率為9600bps,在PC機(jī)上每隔1s更新一次。在實際通訊過程中，可根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場具體情況調(diào)整傳輸波特率和輪巡周期。
本文中介紹的通信軟件已被應(yīng)用于皮帶秤計量系統(tǒng)中，實踐證明，該系統(tǒng)能夠正常運行，上位機(jī)與下位機(jī)的通信穩(wěn)定可靠，軟件使用方便，保證了計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了皮帶秤的遠(yuǎn)程無人值守計量，為公司各工序成本核算提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

作者：鄒劍峰

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