Modbus總線式本質(zhì)安全柵的研究與驗證

伍　城　趙懷林　王　林　杜　剛　王竹平

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院1，上?！?01418；上海辰竹儀表有限公司2，上?！?01612)

Modbus總線式本質(zhì)安全柵的研究與驗證

伍城1趙懷林1王林1杜剛2王竹平2

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院1，上海201418；上海辰竹儀表有限公司2，上海201612)

摘要：在石油、石化等具有潛在爆炸性環(huán)境的過程行業(yè)中，須采取高效的防爆措施，因此，對本質(zhì)安全柵的研究顯得尤為重要。對本安防爆技術(shù)、基于Modbus通信協(xié)議等作了詳細(xì)的研究，并給出設(shè)計本安產(chǎn)品參數(shù)值的計算方法。采用TI公司生產(chǎn)的ADS1247采樣芯片和MSP430F149單片機(jī)完成產(chǎn)品設(shè)計，解決了復(fù)合波雷電沖擊時儀表輸出數(shù)值的偏差大以及溫漂高于平均值等設(shè)計難點。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、操作性與可靠性。

關(guān)鍵詞：防爆本質(zhì)安全柵Modbus協(xié)議ADS1247MSP430F149智能儀表

0引言

本安型儀表即本質(zhì)安全型儀表，在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下，其電路系統(tǒng)產(chǎn)生的火花和達(dá)到的溫度都不會引燃爆炸性混合物。但它不能單獨使用，必須和本安關(guān)聯(lián)設(shè)備安全柵、外部配線一起組成本安電路，才能發(fā)揮防爆功能[1-2]。

本安防爆型安全柵是本安防爆系統(tǒng)的重要組成部分。為了保證電氣設(shè)備在正常工作或發(fā)生短接和元器件損壞等故障的情況下，所產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不至于引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸，安全柵利用限流和限壓原理，限制了從安全場所傳遞到危險場所的能量[3-4]。

在本安系統(tǒng)中，危險側(cè)的簡單設(shè)備雖然自身不產(chǎn)生超過標(biāo)準(zhǔn)要求的能量，但卻無法限制由于安全區(qū)的設(shè)備故障導(dǎo)致的大電流、高電壓輸入所產(chǎn)生的危險火花。因此，要保證現(xiàn)場的絕對安全，必須為其回路設(shè)置安全限能措施。本質(zhì)安全柵恰好能滿足上述要求，保證危險區(qū)現(xiàn)場本安儀表與安全區(qū)PLC/DCS系統(tǒng)的隔離傳輸，從而構(gòu)成本安系統(tǒng)[5-6]。

Modbus總線技術(shù)是應(yīng)用于控制器的一種通用高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]，可解決模擬量信號在工業(yè)設(shè)備之間傳輸時存在易受干擾和長距離傳輸時信號衰減的問題。本文研究并設(shè)計了帶Modbus總線通信的本質(zhì)安全柵智能儀表。

1本質(zhì)安全柵主體模塊

為使儀表傳輸精度不大于0.1%F·S，信號輸入模塊采用TI高精度24位ADS1247模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對現(xiàn)場儀表變送器進(jìn)行采樣處理?，F(xiàn)場信號通過TI的MSP430系列單片機(jī)處理后輸出PWM波，并按照Modbus-RTU協(xié)議，以RS-485電氣總線標(biāo)準(zhǔn)輸出4～20 mA電流信號。具體的硬件電路設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　硬件電路設(shè)計框圖

輸入電路采用多功能設(shè)計，連接電流源和二線制變送器。輸入部分包含信號采集、信號處理(轉(zhuǎn)換)等。輸入端口原理圖如圖2所示。

圖2　信號輸入模塊原理圖

由MSP430F系列單片機(jī)程序控制，調(diào)制輸出PWM電壓波形。實現(xiàn)方法是通過比較器對程序內(nèi)部標(biāo)定參考電壓值與輸入采樣的電壓值進(jìn)行比較判斷，最終得到期望的PWM波形信號。輸出的電壓信號串聯(lián)電阻和三極管，使三極管在開啟或關(guān)斷狀態(tài)下工作，從而得到穩(wěn)定的電壓輸出。改變輸入調(diào)制波和載波波形的脈沖寬度，可以得到理想占空比的PWM波形。PWM調(diào)制方式工作原理如圖3所示。

圖3　PWM調(diào)制方式工作原理圖

將基準(zhǔn)電壓與輸出端分壓電阻反饋的電壓差通過放大器放大，得到誤差放大信號，將其輸入到控制比較器，比較器的另一端輸入ADS1247采集到的鋸齒波信號。當(dāng)鋸齒波電壓大于誤差放大信號值時，比較器輸出高電平，功率晶體管被驅(qū)動導(dǎo)通；反之，功率晶體管被驅(qū)動關(guān)斷。

考慮到復(fù)雜的現(xiàn)場情況，各節(jié)點之間存在很高的共模電壓干擾。雖然RS-485接口采用差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾能力，但當(dāng)共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓，接收器就再也無法正常工作，嚴(yán)重時甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。對此，本硬件電路采用光電耦合器HCPL0501，實現(xiàn)信號隔離，徹底消除兩端共模電壓的干擾問題，提高電路的抗干擾性。

接收器的檢測靈敏度為±200 mV，即差分(UA-UB)≤-200 mV，輸出邏輯0；輸入端(UA-UB)≥+200 mV，輸出邏輯1；若A、B之間電位差的絕對值小于200 mV，輸出未知。如總線上所有發(fā)送器被禁止，接收器輸出邏輯0，這會被誤認(rèn)為是由于通信幀起始引起的工作失常。通過在電路中A、B輸出端接上拉、下拉電阻R6、R11，使A處電位高于B處，這樣RXD的電平在RS-485不發(fā)送期間呈現(xiàn)唯一高頻狀態(tài)，MCU就不會被中斷而接收到亂碼字符。

為了達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場本安要求，硬件電路在選擇參數(shù)時，計算方法如下。

①穩(wěn)壓管功率計算：

PZ=1.7×In×U0×1.5

(1)

②穩(wěn)壓管限流電阻功率計算：

方法一：

(2)

方法二：

PR2=(1.7×In)2×R2min×1.5=(1.7×In)2×[R2×(1+1%)]×1.5

(3)

③保險絲限流電阻功率：

PR2=(1.7×In)2×R1max×1.5=(1.7×In)2×[R2×(1+1%)]×1.5

(4)

2Modbus通信總線模塊

Modbus協(xié)議的通信采用應(yīng)答方式，由主機(jī)發(fā)起請求，從機(jī)執(zhí)行請求并應(yīng)答。通?；贛odbus協(xié)議的通信支持兩種傳輸模式：ASCII和RTU。其幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　通用Modbus幀格式

此處設(shè)備使用遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal uint，RTU)模式在Modbus串行鏈路通信，報文中每個字節(jié)包含有2個4位十六進(jìn)制字符。這種模式的主要優(yōu)點是在相同的波特率下具有較高的字符密度和比ASCII模式更高的吞吐率。其中，每個報文必須以連續(xù)的字符流傳輸[8]。

2.1Modbus部分功能碼

功能碼03(0x03)：讀一個或多個寄存器，即讀取從站的數(shù)據(jù)(字)寄存器值(最多可以有125個數(shù)據(jù)寄存器)。此功能碼是系統(tǒng)設(shè)計中主要的實現(xiàn)碼。具體定義如表1、表2所示。

表1　讀取保持寄存器(功能碼0x03)問詢幀

表2　讀取保持寄存器(功能碼0x03)應(yīng)答幀

2.2數(shù)據(jù)傳輸命令幀處理過程

PLC在本安防爆儀表數(shù)據(jù)傳輸中，命令幀處理程序包括解析命令幀、處理命令幀和發(fā)送回應(yīng)幀。命令幀程序處理流程如圖5所示。

圖5　命令幀程序處理流程圖

如從站地址與PLC相符，則對整幀進(jìn)行CRC 16計算并校驗Modbus數(shù)據(jù)幀最后2個CRC字節(jié)，如計算的CRC數(shù)值與Modbus數(shù)據(jù)幀的CRC不一致，則返回并等待PLC重新發(fā)送詢問幀。在處理中根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀功能碼，由PLC進(jìn)行相應(yīng)的處理，在此例中用到功能碼(如：0x03的讀取功能)。在隨即產(chǎn)生的Modbus應(yīng)答響應(yīng)幀中寫入功能碼所讀取的現(xiàn)場安全柵數(shù)據(jù)，一同發(fā)送給主機(jī)，實現(xiàn)PLC與儀表之間的數(shù)據(jù)交換。在本次發(fā)送結(jié)束后等待新命令的到來。

3試驗測試及分析

本次試驗嚴(yán)格按照測試要求，使用專業(yè)的設(shè)備器材進(jìn)行檢測、調(diào)試。由于試驗內(nèi)容較多，以下列舉浪涌沖擊試驗、輸出開路、短路試驗、電源電壓變換試驗、電快速脈沖群試驗、短時波動試驗等試驗數(shù)值。部分試驗測得的具體數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3　短時波動數(shù)據(jù)記錄

表4　電快速脈沖群測試數(shù)據(jù)

依據(jù)GB/T 18271.1-2000的試驗要求，測試所得的結(jié)果符合行業(yè)儀表設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

測試主要解決的問題包括：EMC測試中抗浪涌沖擊能力，儀表輸出開路和短路影響、儀表響應(yīng)時間等。

抗浪涌沖擊現(xiàn)象是指在進(jìn)行2 kV/1 kA的8/20 μs和1.5/20 μs復(fù)合波雷電沖擊時，儀表輸出數(shù)值發(fā)生了36%的偏差。這使得ADS1247轉(zhuǎn)換芯片出現(xiàn)編譯亂碼的現(xiàn)象，影響儀表的工作性能。

其解決方法有：①通過電路端口設(shè)計抗浪涌電路。采用氣體放電管泄放，以保護(hù)電路端口，防止來自外界的浪涌沖擊。②在PCB電路布線時，加大端口的布線寬度，以增強(qiáng)端口的過電流能力。③在A/D轉(zhuǎn)換部分采用中位值平均濾波和一階滯后濾波。

4PLC/儀表數(shù)據(jù)通信檢測程序

為測試本質(zhì)安全柵的通信性能，系統(tǒng)設(shè)計基于PLC的通信主站，采集從站(安全柵)的偏移量、阻尼系數(shù)等參數(shù)值，并將每個參數(shù)集合傳送到定義的數(shù)據(jù)地址塊中，形成一對一的映射關(guān)系。

試驗設(shè)計中，當(dāng)PLC多地址模塊同時段讀命令時，會出現(xiàn)SystemResourceMissing(讀取系統(tǒng)資源缺乏)和CommError中的TimeOut(功能塊在超時時間到期時停止工作)現(xiàn)象，常常導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)讀取失敗或通信中斷，出現(xiàn)系統(tǒng)通信可靠性較差、通用性不強(qiáng)等缺陷。

為此進(jìn)行程序優(yōu)化，在PLC發(fā)起給主程序讀址模塊上升沿觸發(fā)時，在后續(xù)讀址模塊前加入定時器觸發(fā)延時，以實現(xiàn)主機(jī)讀寫延遲操作，解決讀取數(shù)據(jù)堆棧時的擁堵問題[9]。試驗表明：同時掛接32臺儀表從站時，PLC能夠達(dá)到穩(wěn)定的運行工作狀態(tài)。

5結(jié)束語

本文詳細(xì)設(shè)計了基于Modbus現(xiàn)場總線的本質(zhì)安全柵智能儀表，主要從安全柵主體模塊和Modbus通信模塊兩部分進(jìn)行闡述。在主體硬件設(shè)計完成基礎(chǔ)上，對采集得到的數(shù)字A/D數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波處理，按照Modbus總線通信規(guī)范以及總線通信的特點與主站(PLC)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。與此同時，開發(fā)了一個配套的PLC通信檢測方案。試驗結(jié)果表明：樣機(jī)儀表具備響應(yīng)速度快、高精度轉(zhuǎn)換處理、無亂碼、穩(wěn)定性較高等特性。

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Research and Verification of the Intrinsic Safety Barrier Based on Modbus

Abstract：In the process industries of petroleum, petrochemical and others that are under potentially explosive environment, to take effective measures of explosion-proof, researching intrinsic safety barriers is particularly important. The intrinsic safety explosion-proof technology and the Modbus communication protocol are researched in detail, and the computing method of parameters for designing intrinsically safe products is given. The product design is completed by using ADS1247 sampling chip and MSP430F149 single chip computer from TI, the problem of deviation of instrument output when composite wave lightning shocks occur, and other design difficulties such as temperature drift is greater than the average value are resolved. The experimental results show that the system has good stability, operability and reliability.

Keywords:Explosion-proofIntrinsic safety barrierModbus protocolADS1247MSP430F149Intelligent instrument

中圖分類號：TH7;TP216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606006

通信地址定義ADDM：管理表。本程序在Addr參數(shù)中寫入“1.1”，定義PLC通信端口及從站儀表的設(shè)備地址。使用READ_VAR：連續(xù)讀取功能塊。從目標(biāo)設(shè)備的寄存器區(qū)讀取多個數(shù)據(jù)到功能塊的讀取數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，最多可讀取遠(yuǎn)程設(shè)備中的2 000個連續(xù)位，即125個寄存器。功能塊中命名數(shù)組(如receivebuffer1、receivebuffer2、receivebuffer3等)來存放讀取本安防爆儀表的內(nèi)存數(shù)值。

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：61104082)。

修改稿收到日期：2016-03-19。

第一作者伍城(1990-)：男，2015年畢業(yè)于上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)仿生裝備與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位；主要從事自動化檢測儀表設(shè)計以及伺服控制系統(tǒng)的研究。