基于PLC和modbus的流量计数据采集及处理系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

流量计是工业测量中最重要的仪表之一。在传统自动化监控过程中，流量计采用4-20ma（传送模拟量信息）或24vdc（传送开关量信息）信号进行通讯传输，很多现场层流量计与控制器之间的连接是一对一（一个i/o点对设备的一个测控点）的i/o接线方式，但是这样的系统存在一些明显的缺点，那就是信息集成能力不强，传输距离较短，不适用于某些特殊环境下的流量监测。如果现场层设备配有串行数据接口（如rs232/485），控制器就可以按接口规定协议，通过串行通信方式而不是i/o方式完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控[2]。

可编程逻辑控制器(plc)的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，plc在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。plc逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的dcs系统。plc作为一种通用的工业控制器，具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。因此基于plc技术研究、设计较为通用的流量计数据采集和处理系统具有重要意义。

modbus协议由modicon公司在1978年发明，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，modbus具有开放，简单的重要特性，用户可以免费、放心地使用modbus协议，不用交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。modbus帧格式简单、紧凑，用户使用容易，厂商开发便利。随着仪表和通信技术的发展，modbus协议正向网络化发展，目前其于modbustcp/ip的通信正在工业以太网领域得到用户青睐。modbus由于得到众多仪表厂家的支持，在plc、智能仪表上的成功应用，使其成为工业自动化领域的实施标准。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

以流量计数据为采集对象，以PLC为处理器，采用Modbus标准通信协议，将流量计数据传输给PLC；运用PLC梯形图编程语言进行编程，使之能够对流量计数据进行运算处理，处理结果传给上位机，上位机通过组态软件编写用户界面，对处理结果进行实时显示，实现流量数据的自动监控和采集。

2.2研究目标

1、实现流量计与PLC的正常通信，完成数据采集功能；

2、实现PLC与PC的正常通信，完成数据处理及显示功能；

3、总体调试后，实现基于PLC和Modbus的流量计数据采集和处理系统设计和仿真。

2.3技术方案

本次设计的数据采集系统总体分为三大部分：流量计、PLC、上位机，如下图1所示。

图1系统结构图

其中流量计用于检测流体流量信号，经由流量计转换器转换为数字信号输出；PLC主要用于读取流量计信号，进行采集和运算；上位机（计算机）则是用来对PLC处理好的数据进行显示。以下根据本系统设计做出各部分方案论证。

2.3.1流量计的选型及性能评估

本系统设计选用L-mag电磁流量计作为研究对象。

L-mag电磁流量计具有标准的MODBUS通讯接口，支持波特率1200，2400，4800，9600，19200。通过MODBUS通讯网络，主站可以采集瞬时流量，瞬时流速，累积流量等参数。

L-mag电磁流量计采用的串口参数：1位起始位8位数据位1位停止位,无校验。

L-mag电磁流量计的MODBUS通讯接口在物理结构上采用电气隔离方式，隔离电压1500伏,并具有ESD保护，能够克服工业现场的各种干扰，保证通讯网络的可靠运行。

根据目前资源流量计型号选择LWD-S系列磁电流量计中的一种。技术参数如下表1：

表1流量计技术参数表

2.3.2Modbus通信协议

（1）Modbus通信协议支持的通讯接口有:RS232和RS485等；

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口，在一般工业现场用的比较多。在RS232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质。为使本系统具有较强的扩展性，流量计与PLC之间采用RS485物理接口作为通讯介质。

同时，由于上位机自带有RS232接口，为避免增加转接模块，PLC与上位机之间的通信采用RS232接口。

以上流量计与PLC、PLC与上位机之间的通讯协议均采用MODBUS协议。

（2）Modbus通信协议有2种传输模式：ASCII模式和RTU模式；

ASCII模式的数据通信格式为1个起始位，7个数据位，最小的有效位先发送；1个奇偶校验位，无校验则无；1个停止位(有校验时)，2个Bit(无校验时)；错误校验方式为LRC(纵向冗长检测)。当控制器设为在Modbus网络上以ASCII(美国标准信息交换代码)模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为一个ASCII码(两个十六进制字符)发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

RTU模式的数据通信格式为1个起始位，8个数据位，一个奇偶校验位，一个停止位（有校验）或2个停止位（无校验），其错误校验方式为CRC校验（循环冗长检测）。当控制器设为以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每8位的字节包含两个4位的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据，因而一般工业智能仪表仪器都是采用RTU模式，本设计基于此也选用RTU模式。

2.3.3编程语言

方案一：梯形图(LadderDiagram)程序设计语言

梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。

梯形图程序设计语言的特点是:

·与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;

·与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习;

·与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：梯形图中的能流(PowerFLow)不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待;

方案二：功能表图(SepuentialFunctionChart)程序设计语言

功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。

功能表图程序设计语言的特点是:

·以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通;

·对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计、调试时间;

·常用于系统规模校大、程序关系较复杂的场合;

·只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要短得多。

通过比较，鉴于本系统功能设计并不复杂，系统规模较小，为使设计更加方便易行，采用梯形图语言进行PLC编程。

2.3.4上位机用户界面

方案一：组态软件

通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术(甚至不需要编程技术)，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。

每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备(PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等)的VODriver、开放式的数据库和界面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。

方案二：VB语言

VisualBasic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面(GUI)和快速应用程序开发(RAD)系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。

组态软件具有简便易懂，对于用户要求不高，出于提高设计效率的目的，本设计采用组态软件进行上位机用户界面编写。

2.4技术路线与措施

2.4.1技术路线

基于本系统设计，目前拟采用的技术路线如下图2所示。

图2技术路线图

2.4.2技术措施

(1)流量计选型：

流量计选型主要是要支持Modbus协议，同时具备RS485接口，通过查阅《产品选型样本》手册选择了LWD-S系列磁电流量计。

(2)PLC选型及编程：

PLC分为大型、中型、小型PLC，主要是可以处理的点数不同，输入输出口数量不同，由于本系统结构并不复杂，选取小型PLC即可，小型PLC又有西门子S7-200系列PLC和台达PLC两种可选，台达PLC学习使用较为简单，技术难度相较西门子PLC小，因此选择台达PLC。PLC的编程首先要搭建PLC编程环境，使用台达PLC配套的编程软件进行编程。并按照Modbus协议RTU模式的标准消息帧格式设置相应参数，连接流量计与PLC，实现二者之间的正常通信。

(3)设计PC端用户界面：

采用组态王软件设计用户界面，根据所采集的流量计信号设计相应的显示模块，如瞬时流量采用数字框显示，同时在以时间为横轴的坐标图中实时显示，以便直观显示流量变化趋势。

PLC编程：针对PC与PLC的通信进行PLC编程，通过RS232串口连接PC与PLC，对程序进行调试，实现PC与PLC之间正常收发数据。

(4)联合调试：

将两次PLC编程的程序进行结合，同时连接流量计、PLC和PC，进行整个系统工作状态的调试，根据出现的问题找出不合理之处加以修正，直至系统能够按照设计要求运行。

3. 研究计划与安排

2.23—3.12：了解plc通讯原理、modbus通讯协议及8421bcd码，完成开题报告。

3.13—3.20：翻译外文文献。

3.21—4.5：流量计的选型及性能评估，选型，完成系统硬件配置和设计。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘大千,黄鹤,雷振伍,李超.modbus的主/从站设计[j].工业控制计算机.2013(11)

[2]邓志君,梁松峰.基于rs485接口modbus协议的plc与多机通讯[j].微计算机信息.2010(08)

[3]公建宁,张胜.基于modbus协议的质量流量计与plc的通信实现[j].国内外机电一体化技术.2010(03)