基于Modbus智能工业控制器监控系统设计

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1、基于Modbus的智能工业控制器监控系统的设计2008-7-3014:55:00　孙月平，赵德安，曹莉　供稿 收藏摘  要：本设计包括智能工业控制器下位机和应用组态王6.51软件编制的上位机监控程序，两者通过目前流行的Modbus协议通讯。前者应用智能专家PID控制算法，完成对温度，压力，液位等物理量的控制，后者用于对下位机参数读写，显示，报警，报表打印等，从而实现了一套完整可靠的工业监控系统。经厂家使用效果比较理想，有广阔的应用前景。关键词：智能工业控制器;组态王6.51;Modbus协议;智能专家PID;工业监控系

2、统引言　　随着现代工业的发展，对工业设备的控制逐步从单一独立系统向集散控制监控系统发展，因此，笔者设计了基于Modbus协议的智能工业控制器监控系统，利用智能专家PID控制算法，可对工业现场的温度，压力，液位，湿度等参数进行精确控制，并且可以利用上位组态软件实现现场参数的读写，显示，越限报警，打印报表等，实现了一个完整的工业监控系统。1 智能工业控制器的系统组成及工作原理　　1.1 硬件系统　　该智能工业控制器系统框图如图1所示，它采用了AT89C55WD单片机为CPU[1]，以四位半的双积分A/D转换器ICL7135

3、串行方式进行数据采集，ICL7135的Busy信号上升沿触发定时器T0开始计脉冲数，转换完毕时Busy信号下降沿触发INT0中断读取定时器T0的计数值，经过简单的换算就可以得出A/D转换值。模拟开关4051控制8路通道的通断状态,由CPU来配置信号处理电路和多路选择开关的选通情况。12级串行分频器CD4040的基准时钟信号采用AT89C55WD单片机的ALE信号，由于程序中没有使用MOVX指令，所以ALE输出频率固定为fosc/6，经过2级分频（fosc/24=250KHz）和11级分频（fosc/12288=500H

4、z）分别输入到ICL7135的CLK端和单片机的INT1端，作为ICL7135的时钟基准和单片机外部2ms的定时中断。P0，P2口及P1.3用于扫描4个按键和8个共阳LED显示。24C02是基于两线制IIC总线的256字节，非易失性的EEPROM存储器，用来存放重要系统参数。TOP221P是一宽电压输入（85～260V），低功耗（ 5W）的开关电源管理芯片，所以控制器可以直接使用220V市电。　　输入模块可选用：（1）热电偶和热电阻，如K、Pt100、Cu50等;（2）线性电压/电流：0～5V、4～20 mA等;（3）

5、其它：可由用户根据实际需要指定的传感器。　　输出模块可选用：（1）继电器触点开关输出;（2）可控硅无触点开关输出;（3）SSR电压输出;（4）可控硅触发输出;（5）线形电流输出;（6）电流变送输出。　　报警模块为：2路继电器开关输出（AL1和AL2）。图 1 系统框图　　1.2 软件系统　　系统程序框图如图2所示。该工业控制器启动时，先进入初始化程序，对系统进行自检。然后从EEPROM中读取相关系统设置参数到内部RAM中，读取输入规格参数SN，判断输入是否为热电偶或热电阻，若是，则依据对应的线形补偿表进行线形补偿;否则

6、输入为线形电流或电压，不需要补偿。程序再读取2ms外部定时中断服务程序经过去抖处理的键盘的键值，用状态分析法判断处理对应的参数及LED显示界面。读取A/D采样值，根据实际现场调节数字滤波设置参数DL，进行相关滤波处理，这样得出的测量数据PV比较平滑稳定。再读取设定值SV，与测量值PV值分别送LED显示。读取控制方式参数CTRL值，若为0则是基本的位式控制：通过判断测量值PV与设定值SV的关系来决定输出，回差DF用于避免测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁产生/解除，当SV-PV>DF时，输出为系统允许最大输出

7、OPH输出，否则以系统允许最小输出OPL输出;若CTRL为1则为智能专家PID控制。图 2 系统程序框图　　1.3 智能专家PID控制　　智能专家PID控制[2]是基于被控对象的控制规律的知识，以智能的方式利用这些知识来设计PID控制器。智能专家PID控制原理如图3所示。其中误差额e（k）=SV-PV（k）, 误差变化; U（k）为第k次控制器的输出。图 3 智能专家PID控制框图　　依据e（k）及□e（k）制定的专家规则如下：（其中A，B为设定误差界限，A>B; k1为增益放大系数， k1>1; k2为抑制系数，0<

8、k2<1; em（k）为误差e的第k个极值; ε为极小正实数。）　　　　当

9、e（k）

10、>A时，说明误差很大，要以系统允许的最大（或最小）输出;当e（k）□e（k）>0时，说明误差绝对值在朝增大的方向变化，此时依据

11、e（k）

12、值调整PID控制参数;当e（k）□e（k）<0时，在□e（k）□e（k-1）>0或e（k）=0时，说明误差绝