阀门低温试验装置中的测控系统设计

1．引言

近年来，随着低温阀门市场需求的逐年上升和阀门低温试验装置的逐步完善，阀门低温试验装置的测控系统的经济性、实用性备受关注。RS—485因硬件设计简单、控制方便、性价比高等优点广泛应用于工控领域；Modb—us协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，已经成为一通用工业标准，可以使不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集中监控。

2．阀门低温试验测控系统

2．1 测控系统类型

阀门低温试验过程中需要对冷媒温度，阀体、阀盖、阀杆、填料、密封件温度，介质压力，泄漏量参数进行测控。测控系统可以根据用户的需求分为开环式和闭环式两种。开环式测控系统只对测量参数进行监测、报警；闭环式测控系统可以对测量参数进行监测、报警、PID调节。

2．2 测控系统组成

测控系统由测量单元、监视单元、控制单元(闭环系统具备)、上位机等四个单元组成。

测量单元有软式铠装铂电阻、高精度流量计、酒精计泡器、氦质谱检漏仪等，主要负责对试验参数的测量。

监视单元有智能显示仪、流量计算仪等，主要负责对试验参数的数据采集和监视。

控制单元有针型阀、酒精添加器等，主要负责在闭环系统中对试验参数的调节。特别是温度调节，采用液氮作为冷媒介质时，液氮的温度位在-196℃，需要通过加入一定比例的酒精来获得不同的温度位，从而达到阀门的工作温度。试验过程中人工添加酒精具有一定的危险，可以采用酒精添通过闭环测控系统实现温度自动调节。

上位机分为常规式和便携式两种。常规式可以采用工控机或工业级平板电脑，通过有源RS232/RS485转换器连接RS-485总线；便携式可以采用手提笔记本电脑，通过USB-RS485转换器连接RS-485总线，便携式上位机更适合专业检测机构的检测人员或工程项目监理人员进行现场检测。

3．RS-485总线结构

3．1RS一485总线简介

RS-485总线是在RS-422标准的基础上，开展的一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的总线标准。RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求：接收器的输入电阻RIN≥12kΩ、驱动器能输出±7V的共模电压、输入端的电容≤50pF、接收器的输入灵敏度为200mV、在节点数为32个，配置了120Q的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V。

因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线成本低的特性，使得RS—485成为工业应用中数据传输的首选标准。

3.2 RS-485的应用原则

RS-485支持半双工或全双工模式。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来。从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。在使用RS485接口时，对于特定的传输线径，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。实际上，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆。则取得的最大电缆长度是不相同的。

3.3 RS-485在阀门低温试验测控系统中的应用

根据阀门低温试验相关标准，试验过程需要对多个参数进行集中测控，为此采用现场总线式网络连接各个硬件设备。现场总线有很多种，具体的总线模式跟监视单元和控制单元的硬件设备选型有关。由于在满足阀门低温试验要求的前提下选用智能仪表，其性价比最高，而市面上大部分智能仪表都是利用串行口通信，所以选择RS-485总线网络非常合适。

图1是测控系统通讯网络图。在RS-485总线式通讯网络中上位机是主节点，各显示仪表是子节点，主节点通过RS-485总线定期发送查询信息到各个子节点，子节点经过数据处理，将回应信息通过RS-485总线传回主节点。整个通讯过程就是主节点提问、子节点回答的过程，而它们通讯的语言就是通讯协议。

4．MODBUS通讯协议

4．1 协议简介

Modbus协议是工业控制器的网络协议中的一种，从功能上看，可以认为是一种现场总线。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器如何请求访问其他设备，如何回应来自其他设备的请求，以及如何侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

4．2查询——回应周期

Modbus协议定义了消息域格式和内容的公共格式，使控制器能认识和使用消息结构，而无需考虑通信网络的拓扑结构，它描述了一个控制器访问其他设备的过程。当采用Modbus协议通信时，其数据通讯采用主一从方式，主机只能有1台，每个从机都有指定的地址，地址范围在0～247之间(其中O为广播地址)，只有主机具有主动权，从机只能对主机发送的命令作出响应。当主机端发出数据请求消息(查询)时，从机端接收到正确消息后就可以发送数据到主机端以响应请求；主机端也可以直接发消息修改从机端的数据，实现读和写。

4．3 信息格式(RUT 方式)

Modbus通讯时主机发出的指令字符串的通常格式如表1所示：

Modbus通讯时从机发出的指令字符串的通常格式如表2所示：

Modbus常用功能码如表3所示：

Modbus常用功能码与数据类型对应表4所示：

4．4 CRC校验

在数据存储和数据通讯领域，CRC无处不在：著名的通讯协议X.25的FCS(帧检错序列)采用的是CRC-CCITT，ARJ、LHA等压缩工具软件采用的是CRC32，磁盘驱动器的读写采用了CRCl6，通用的图像存储格式GIF、TIFF等也都用CRC作为检错手段。

CRC 校验的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的监督码(既CRC码)r位，并附在信息后边，构成一个新的二进制码序列数共(k+r)位，最后发送出去。在接收端，则根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。

CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新汁算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。

按位求CRC校验程序流程图如图2所示：CRC是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的8位字节和各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的8Bit数据对RC有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。CRC产生过程中，每个字符的8Bit数据都单独和寄存器内容做异或运算，结果向最低有效位方向移动，最高有效位以O填充。LSB被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为O，则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位(第8位)完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值做异或运算。最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。CRC添加到消息中时低字节先入，高字节后入。

CRC码有3种类型：美国二进制同步系统中采用的CRC—16、欧洲CCITT推荐的CRC—CCITT、CRC—32。具体采用哪种CRC码需要依据硬件设备的通讯设计要求。

CRC码的计算方法也有三种：按位求CRC法速度较慢，但占用最小的内存空间；按字节查表求CRC法速度较快，但占用较大的内存；按半字节查表求CRC法是前两者的均衡，即不会占用太多的内存，同时速度又不至于太慢。

4．5 Modbus协议在阀门低温试验测控系统中的应用

随着低温阀门生产厂商的增加和阀门低温试验装置的普及，势必要求阀门低温试验测控系统大众化甚至标准化，而专业检测机构的检测人员或工程项目监理人员，更希望自己的手提电脑在任何一台阀门低温试验装置前都可以进行正常的试验。这就要求测控系统中尽量使用一样的通讯协议，而Modbus协议已经是工业领域全球最流行的协议，此协议支持传统的RS—232、RS—422、RS—485和以太网设备，许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。

当上位机向某个显示仪表发出查询消息后，显示仪表根据查询消息的内容进行CRC校验，如果计算出来的CRC：码和接收到的查询消息中的CRC码一致，就按照查询消息进行数据处理，并将处理结果以回应消息的模式发送给上位机；上位机在得到回应消息后，根据回应消息的内容进行CRC校验，如果计算出来的CRC码和接收到的回应消息中的CRC码一致，就对回应消息进行数据处理，在组态界面显示相应数值。

5．上位机编程

上位机主要负责对监视单元提供的测量数据组态和控制单元的动作驱动。一般采用组态软件直接进行组态设计或者用编程语言另行开发组态界面。前者开发周期短，但是适用范围有一定局限性，适合持续运行的测控系统，在间断运行的测控系统中历史曲线很难满足现实需要；后者开发灵活性很大，兼容性高，扩展性强，访问后台大型数据库尤为方便，特别在间断运行的测控系统中以后台数据库存储历史曲线，再现某个试验过程数据曲线十分方便。

对于便携式上位机需要开发通讯协议设置模块和信号通道设置模块，以便适应更多的硬件需求和现场配置。

图3是由Delphi开发的测控系统组态界面。

6．结语

RS—485总线结构和Modbus协议是目前广泛应用的通讯网络和通讯协议，阀门低温试验测控系统是阀门低温试验装置中的重要组成部分，阀门低温试验测控系统的设计需要考虑通讯协议的兼容性、硬件设备的互换性、数据采集的准确性、数据传输的稳定性。

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