1．引言

近年來，隨著低溫閥門市場需求的逐年上升和閥門低溫試驗裝置的逐步完善，閥門低溫試驗裝置的測控系統的經濟性、實用性備受關注。RS—485因硬件設計簡單、控制方便、性價比高等優點廣泛應用于工控領域；Modb—us協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，已經成為一通用工業標準，可以使不同廠商生產的控制設備連成工業網絡，進行集中監控。

2．閥門低溫試驗測控系統

2．1 測控系統類型

閥門低溫試驗過程中需要對冷媒溫度，閥體、閥蓋、閥桿、填料、密封件溫度，介質壓力，泄漏量參數進行測控。測控系統可以根據用戶的需求分為開環式和閉環式兩種。開環式測控系統只對測量參數進行監測、報警；閉環式測控系統可以對測量參數進行監測、報警、PID調節。

2．2 測控系統組成

測控系統由測量單元、監視單元、控制單元(閉環系統具備)、上位機等四個單元組成。

測量單元有軟式鎧裝鉑電阻、高精度流量計、酒精計泡器、氦質譜檢漏儀等，主要負責對試驗參數的測量。

監視單元有智能顯示儀、流量計算儀等，主要負責對試驗參數的數據采集和監視。

控制單元有針型閥、酒精添加器等，主要負責在閉環系統中對試驗參數的調節。特別是溫度調節，采用液氮作為冷媒介質時，液氮的溫度位在-196℃，需要通過加入一定比例的酒精來獲得不同的溫度位，從而達到閥門的工作溫度。試驗過程中人工添加酒精具有一定的危險，可以采用酒精添通過閉環測控系統實現溫度自動調節。

上位機分為常規式和便攜式兩種。常規式可以采用工控機或工業級平板電腦，通過有源RS232/RS485轉換器連接RS-485總線；便攜式可以采用手提筆記本電腦，通過USB-RS485轉換器連接RS-485總線，便攜式上位機更適合專業檢測機構的檢測人員或工程項目監理人員進行現場檢測。

3．RS-485總線結構

3．1RS一485總線簡介

RS-485總線是在RS-422標準的基礎上，開展的一種支持多節點、遠距離和接收高靈敏度的總線標準。RS-485標準采有用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線，具體規格要求：接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ、驅動器能輸出±7V的共模電壓、輸入端的電容≤50pF、接收器的輸入靈敏度為200mV、在節點數為32個，配置了120Q的終端電阻的情況下，驅動器至少還能輸出電壓1.5V。

因為RS-485的遠距離、多節點(32個)以及傳輸線成本低的特性，使得RS—485成為工業應用中數據傳輸的首選標準。

3.2 RS-485的應用原則

RS-485支持半雙工或全雙工模式。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環形或星形網絡，最好采用一條總線將各個節點串接起來。從總線到每個節點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。在使用RS485接口時，對于特定的傳輸線徑，從發生器到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長度是數據信號速率的函數，這個長度數據主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。當數據信號速率降低到90Kbit/S以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV時，則電纜長度被限制在1200M。實際上，在實用時是完全可以取得比它大的電纜長度。當使用不同線徑的電纜。則取得的最大電纜長度是不相同的。

3.3 RS-485在閥門低溫試驗測控系統中的應用

根據閥門低溫試驗相關標準，試驗過程需要對多個參數進行集中測控，為此采用現場總線式網絡連接各個硬件設備。現場總線有很多種，具體的總線模式跟監視單元和控制單元的硬件設備選型有關。由于在滿足閥門低溫試驗要求的前提下選用智能儀表，其性價比最高，而市面上大部分智能儀表都是利用串行口通信，所以選擇RS-485總線網絡非常合適。

圖1是測控系統通訊網絡圖。在RS-485總線式通訊網絡中上位機是主節點，各顯示儀表是子節點，主節點通過RS-485總線定期發送查詢信息到各個子節點，子節點經過數據處理，將回應信息通過RS-485總線傳回主節點。整個通訊過程就是主節點提問、子節點回答的過程，而它們通訊的語言就是通訊協議。

4．MODBUS通訊協議

4．1 協議簡介

Modbus協議是工業控制器的網絡協議中的一種，從功能上看，可以認為是一種現場總線。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了控制器如何請求訪問其他設備，如何回應來自其他設備的請求，以及如何偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。

4．2查詢——回應周期

Modbus協議定義了消息域格式和內容的公共格式，使控制器能認識和使用消息結構，而無需考慮通信網絡的拓撲結構，它描述了一個控制器訪問其他設備的過程。當采用Modbus協議通信時，其數據通訊采用主一從方式，主機只能有1臺，每個從機都有指定的地址，地址范圍在0～247之間(其中O為廣播地址)，只有主機具有主動權，從機只能對主機發送的命令作出響應。當主機端發出數據請求消息(查詢)時，從機端接收到正確消息后就可以發送數據到主機端以響應請求；主機端也可以直接發消息修改從機端的數據，實現讀和寫。

4．3 信息格式(RUT 方式)

Modbus通訊時主機發出的指令字符串的通常格式如表1所示：

Modbus通訊時從機發出的指令字符串的通常格式如表2所示：

Modbus常用功能碼如表3所示：

Modbus常用功能碼與數據類型對應表4所示：

4．4 CRC校驗

在數據存儲和數據通訊領域，CRC無處不在：著名的通訊協議X.25的FCS(幀檢錯序列)采用的是CRC-CCITT，ARJ、LHA等壓縮工具軟件采用的是CRC32，磁盤驅動器的讀寫采用了CRCl6，通用的圖像存儲格式GIF、TIFF等也都用CRC作為檢錯手段。

CRC 校驗的基本思想是利用線性編碼理論，在發送端根據要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規則產生一個校驗用的監督碼(既CRC碼)r位，并附在信息后邊，構成一個新的二進制碼序列數共(k+r)位，最后發送出去。在接收端，則根據信息碼和CRC碼之間所遵循的規則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。

CRC域是兩個字節，包含一16位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。接收設備重新汁算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。

按位求CRC校驗程序流程圖如圖2所示：CRC是先調入一值是全“1”的16位寄存器，然后調用一過程將消息中連續的8位字節和各當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數據對RC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。CRC產生過程中，每個字符的8Bit數據都單獨和寄存器內容做異或運算，結果向最低有效位方向移動，最高有效位以O填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預置的值或一下，如果LSB為O，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位(第8位)完成后，下一個8位字節又單獨和寄存器的當前值做異或運算。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節都執行之后的CRC值。CRC添加到消息中時低字節先入，高字節后入。

CRC碼有3種類型：美國二進制同步系統中采用的CRC—16、歐洲CCITT推薦的CRC—CCITT、CRC—32。具體采用哪種CRC碼需要依據硬件設備的通訊設計要求。

CRC碼的計算方法也有三種：按位求CRC法速度較慢，但占用最小的內存空間；按字節查表求CRC法速度較快，但占用較大的內存；按半字節查表求CRC法是前兩者的均衡，即不會占用太多的內存，同時速度又不至于太慢。

4．5 Modbus協議在閥門低溫試驗測控系統中的應用

隨著低溫閥門生產廠商的增加和閥門低溫試驗裝置的普及，勢必要求閥門低溫試驗測控系統大眾化甚至標準化，而專業檢測機構的檢測人員或工程項目監理人員，更希望自己的手提電腦在任何一臺閥門低溫試驗裝置前都可以進行正常的試驗。這就要求測控系統中盡量使用一樣的通訊協議，而Modbus協議已經是工業領域全球最流行的協議，此協議支持傳統的RS—232、RS—422、RS—485和以太網設備，許多工業設備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協議作為他們之間的通訊標準。

當上位機向某個顯示儀表發出查詢消息后，顯示儀表根據查詢消息的內容進行CRC校驗，如果計算出來的CRC：碼和接收到的查詢消息中的CRC碼一致，就按照查詢消息進行數據處理，并將處理結果以回應消息的模式發送給上位機；上位機在得到回應消息后，根據回應消息的內容進行CRC校驗，如果計算出來的CRC碼和接收到的回應消息中的CRC碼一致，就對回應消息進行數據處理，在組態界面顯示相應數值。

5．上位機編程

上位機主要負責對監視單元提供的測量數據組態和控制單元的動作驅動。一般采用組態軟件直接進行組態設計或者用編程語言另行開發組態界面。前者開發周期短，但是適用范圍有一定局限性，適合持續運行的測控系統，在間斷運行的測控系統中歷史曲線很難滿足現實需要；后者開發靈活性很大，兼容性高，擴展性強，訪問后臺大型數據庫尤為方便，特別在間斷運行的測控系統中以后臺數據庫存儲歷史曲線，再現某個試驗過程數據曲線十分方便。

對于便攜式上位機需要開發通訊協議設置模塊和信號通道設置模塊，以便適應更多的硬件需求和現場配置。

圖3是由Delphi開發的測控系統組態界面。

6．結語

RS—485總線結構和Modbus協議是目前廣泛應用的通訊網絡和通訊協議，閥門低溫試驗測控系統是閥門低溫試驗裝置中的重要組成部分，閥門低溫試驗測控系統的設計需要考慮通訊協議的兼容性、硬件設備的互換性、數據采集的準確性、數據傳輸的穩定性。

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