摘要:針對(duì)水庫底部涵管洩(xie)水的流量計 量問(wen)題，讨論了一種電(dian)磁流量計及其數(shù)據遠傳的Modbus協議和(hé)方法,詳細解析了(le)流量計存儲器數(shù)據格式🤟、浮點數據(ju)轉換以及CRC校驗等(děng)問題。系統設計的(de)抗幹擾浪湧吸收(shou)電路改善了戶外(wai)現場儀表數據傳(chuan)輸的可靠性🔱。經運(yun)行實踐證明，給出(chū)的系統結構和方(fang)法能夠适應電磁(ci)流量計 數據的遠(yuǎn)程傳輸。
　　在水庫工(gōng)程管理中，特别是(shì)那些擔負供水任(rèn)務的❄️水🔱庫,統計每(mei)天經底部涵管所(suo)洩放的水量是一(yi)件十分重要的工(gong)作,它不僅是供水(shui)方與用水方結算(suàn)的依據,而且也能(neng)夠對水庫的防洪(hóng)調度提供重要參(can)考。
　　欲實現水庫涵(han)管流量的測量與(yǔ)采集，首先需要根(gen)據現場㊙️環👄境和條(tiao)件選擇合适的現(xian)場測量儀表,其次(ci)是要實現現場到(dào)中心監控室數據(jù)的穩定傳輸。底部(bù)涵管現場離水庫(kù)監控室往往有好(hǎo)幾百米的距離,因(yīn)此☎️如何克服信号(hao)長距離傳輸過程(cheng)中的衰減及受到(dao)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻幹擾,特别是🧡在(zài)極端天氣情況下(xià)的雷✂️電幹擾,就構(gòu)🌏成🍉水庫涵管流量(liang)測量系統設計的(de)主要内容。
1電磁流(liú)量計
　　本系統選用(yong)了插入式、 分體型(xing)電磁流量計 ,型号(hào)爲XKD99ZC"。由于水庫放水(shuǐ)涵管的直徑很大(dà),可達500~1000mm,選用插✔️人型(xing)式可以避免開挖(wā)溝槽安裝法蘭、配(pèi)接下遊導流直管(guǎn)等工作,而分體👉式(shi)傳感器安裝于工(gong)藝管道上,其二次(ci)變送單元可以安(ān)裝在環境較好的(de)室内,這種安裝形(xíng)式使得二次變送(sòng)單元遠🐇離現場惡(e)劣環境條件,使電(diàn)子部件檢查、儀表(biǎo)設定、調整都比💛較(jiào)方便,無須采取專(zhuān)門措施來防雨、防(fáng)潮，溫度🎯敏感💛性也(yě)大爲降低。
　　該電磁(ci)流量計采用的通(tong)信協議是Modbus協議，它(ta)是一種串行通🈚信(xin)😍協議,使用雙絞線(xian)作爲傳輸的物理(lǐ)介質💰。流量計内部(bu)有多個參數可以(yǐ)進行設置,如波特(te)率、設備地址、流量(liang)單位等🌐。水庫涵管(guǎn)的瞬時流量和累(lèi)積流量值通過雙(shuang)絞線-→防雷裝置+RS485/RS232協(xie)議轉換-+.上位計算(suàn)機完成數據傳送(sòng),在上位計算機應(yīng)用軟件的管理下(xià),完成水庫涵管流(liú)量數據的顯示與(yǔ)統計。
2系統結構方(fāng)案
　　在水庫工程管(guan)理中,現場參數除(chu)了底部涵管流量(liang)之🈚外🔴,還有水庫壩(ba)體的滲漏流量、水(shui)庫水位等參數需(xu)要監測,因此這些(xiē)儀表設備可以通(tōng)過RS485工業現場總線(xiàn)構成一個分布式(shì)網絡。
　　在這個總線(xiàn)網絡中，上位計算(suan)機PC作爲中心主站(zhan),而其💔他儀表設備(bei)皆處于從屬地位(wèi),主站爲每台從設(she)㊙️備分配-一個唯一(yi)地🔆址。爲了獲取從(cong)站各儀器設備的(de)數據,主站采取輪(lún)流向各個設備發(fa)送地址命令的方(fāng)法來讀取數據🌈。每(mei)個從站⭐不斷監測(cè)總線上傳💘來的地(dì)址,隻有當收到的(de)消息中的地址與(yǔ)自己設♊備地址--緻(zhi)時,才會執行主站(zhan)發出的命令,将自(zi)✂️己的狀态與數💋據(ju)發給上位主機,主(zhǔ)機則負責接收從(cong)設備🈲發出的數據(jù)，按Modb-us協📱議規程執行(hang)數據解碼、校驗、存(cún)儲等操作。系統的(de)拓撲結構如圖1所(suǒ)示。
 
3Modbus協議及主機信(xin)息結構
　　Modbus協議是一(yi)種主從式點對點(diǎn)的通信協議,允許(xu)一台主🚶機和多台(tái)從機之間進行數(shu)據通信,由于Mod-bus協議(yi)易于實現,因此它(tā)已經成爲被廣泛(fàn)應用的工業标準(zhǔn)[2]。
　　Modbus協議支持ASCII和RTU兩種(zhǒng)模式的串行鏈路(lu)協議，由于RTU模式🌐比(bi)ASCII模式有更高的數(shu)據傳輸效率,因此(ci)大多數總線式網(wang)絡結構中🥰均采🈲用(yòng)RTU鏈路協議[3]。
　　一個RTU消(xiāo)息幀由地址域、功(gong)能域、數據域、CRC校驗(yàn)域外加起🧑🏾‍🤝‍🧑🏼始位🏒和(he)結束字符共同構(gou)成,其典型格式如(ru)表1所🙇🏻示。
 
①起始位和(hé)結束字符:用來分(fen)隔兩幀消息，RTU規定(dìng)起始位和結束字(zi)符持續時間不得(dé)小于3.5個字符時間(jiān),一幀消息必須以(yǐ)連續的字🏃🏻符流進(jin)行發送,并且同一(yī)幀内的2個字符間(jiān)隔時間應小于1.5個(ge)字符時間,編程時(shi)需注意RTU模式的這(zhe)些定時要🏃‍♀️求。
②設備(bei)地址:總線網絡中(zhong)某個從站設備的(de)地址,作爲🌈主機的(de)尋址🧡标志。
③功能代(dai)碼:當消息從主機(ji)發往從站設備時(shí),告訴從設🔴備需要(yao)執行哪些行爲,如(rú),“03”,讀取當前從站設(she)備寄存器✍️組内-個(ge)或多個二進制數(shù)據;“06",主機把設置的(de)二進制數💋據寫人(ren)儀表設備的單-寄(ji)存器内。
④數據域:它(tā)包含主-從設備通(tōng)信中所涉及的各(gè)種參數，如起始寄(ji)✉️存器、要讀寫的寄(ji)存器數量、據長度(du)、數據信息等。
⑤CRC校驗(yàn):RTU幀中包含了一個(gè)基于CRC算法的錯誤(wu)檢測城,即無論主(zhǔ)機或從站設備發(fa)送RTU幀時,都要計算(suan)從設備地址開始(shǐ)到數❗據區之間所(suo)有字節的16位CRC校驗(yàn)碼,并以低字節在(zai)前、高字節🏃‍♂️在後的(de)形式附加到RTU消息(xi)的CRC域,一并發♈給接(jiē)收方。當接收方收(shōu)完一幀消息後立(lì)即按同樣方🍉法計(ji)算該幀消息的CRC校(xiao)驗碼,并與發送😄方(fang)傳來的CRC校驗碼進(jìn)行比較,若不同就(jiu)說明在☔消息傳輸(shū)過程✂️中發生💋了錯(cuo)誤，應該棄掉剛才(cai)收到的消息，并向(xiang)發送方回傳❤️一幀(zhen)帶有錯誤标識的(de)消息作♋爲響應。
4電(dian)磁流量計的存儲(chǔ)器數據結構
　　XKD99ZC電磁(cí)流量計是-種智能(néng)化的流量儀表,内(nei)嵌32位高速MCU處理器(qì),可以⛷️測量瞬時流(liú)量、累計流量等參(can)數,數據通信傳輸(shu)接口爲半雙工方(fang)式,支持2400、4800.9600bit/s等波特率(lü),接口電氣标準遵(zūn)從EIA/TIA-485國際标準。用戶(hu)無須對流量計進(jìn)行底層編程🔞,隻需(xū)設置好相關參數(shù)即可。流量計内部(bu)寄存器存儲的數(shù)據類型與地址如(rú)表2所示。
 
5系統軟件(jiàn)設計
5.1通信過程
　　通(tong)信開始後，主機向(xiang)總線上發送一幀(zhēn)消息,電磁流量計(ji)偵㊙️測總線狀态并(bing)接收主機送來的(de)消息。如果消息中(zhōng)的地址與本站設(she)⛱️備(即電磁流量計(jì))地址相🐉符,而且👈計(ji)算所得的16位CRC校驗(yan)碼也正确😍,就将收(shōu)到的🤟消息存儲在(zài)緩沖區内，接着執(zhi)行主機的🤩命令，并(bing)根據處理結果返(fǎn)回一幀正确的消(xiao)息作🔆爲對主機的(de)響應,其通信流💃🏻程(cheng)如圖2所示。
 
　　在本系(xì)統中,主要使用Modbus協(xié)議中的“03”功能碼,它(tā)的含義是連續讀(du)🥰取設備數據寄存(cún)器中的内容(每個(ge)寄存器占2B)。
　　通過設(she)置給電磁流量計(ji)分配的地址是0FH,爲(wei)了讀取流量計的(de)瞬時流量,主機應(ying)該發出一-幀(0F0300000002C525)消息(xī)(十六進制),此幀消(xiāo)息中含有如下信(xin)息:
①0F:從站設備地址(zhǐ)(流量計地址);
②03:功能(neng)碼(讀寄存器内容(rong));
③0000:待讀寄存器首地(dì)址(瞬時流量);
④0002:讀2個(gè)連續的數據寄存(cún)器(因爲數據類型(xíng)是浮點);
⑤C525:CRC校驗碼(低(dī)字節在前高字節(jie)在後)。如果流量計(jì)正确收到.上面信(xìn)🍓息,就立即返回與(yu)涵管當前瞬時流(liú)量對應的消息作(zuò)爲對主機的響應(yīng):
0F030441B142A720F2
　　在這幀消息中,0F03的(de)意義同前,04指4個字(zì)節的瞬時流量,數(shu)據内容是41B142A7,流量計(ji)發出的CRC校驗碼是(shì)20F2。
　　同理,爲了讀取流(liú)量計的累積流量(liang),主機應發:
0F0300130004B4E2
　　如果流(liú)量計接收正确，就(jiù)返回下列數據串(chuàn):
0F0308ADDD003B4D6F3F61757F
　　其中當前累積流(liú)量數據爲8個字節(jie),ADDD003B4D6F3F61,CRC校驗碼是757F。
5.2數據解(jie)析
　　由于XKD99ZC電磁流量(liàng)計中的數據是以(yǐ)字的形式存儲在(zai)寄存器組中的,而(ér)且數據的低位字(zi)在前,高位字在後(hou),所以在解析流量(liàng)⚽數據之前,必須先(xiān)要交換它們的順(shun)序才能得到正确(que)結果。對于瞬時流(liu)量的4個字節(41B1)(42A7),交換(huàn)順序後成爲🐕(42A7)(41B1),它是(shi)一個符合IEEE754規範的(de)32位浮點數值,将其(qi)還原成十進制數(shù)值,結果得到涵管(guǎn)當前瞬時流量值(zhí)83.6263m³/h。
　　對于累積流量,它(tā)的數據格式爲:整(zhěng)數部分是長整型(xíng),而小數🔞部分是32位(wei)浮點型,所以應分(fen)段交換順序。整數(shù)部分交換順序🥰後(hòu)是(003B)(ADDD),它對應十進制(zhi)3911133,而小數部🆚分交換(huàn)順序後是(3F61)(4D6F),按IEEE754浮點(dian)數規範,經過轉換(huàn),其對應的十進制(zhi)小數爲0.8801,所以涵管(guan)當前累積流量是(shì)3911133.88m³。
5.3關于CRC檢驗算法
　　在(zai)Modbus标準通信中,對于(yu)即将被傳輸消息(xi)中的字符串必須(xu)💛進行CRC校💔驗,目的是(shì)發現數據傳輸過(guò)程中可能出現的(de)錯誤。常用的💛校驗(yan)多項式有CCITT和CRC-16,本系(xì)統采用CRC-16,其多項⭕式(shi)爲G(x)=xl6+xI5+x2+1,實🔞際應用時取(qu)其👨‍❤️‍👨反序。
　　具體來說(shuō),對于涵管瞬時流(liú)量,是從地址字節(jiē)一直校驗到數據(jù)的最後-一個字節(jiē)。以流量計返回的(de)瞬🎯時流量數👉據串(chuan)爲例,共須校驗0F030441B142A7七(qi)個字節,所以得到(dao)🐪的16位CRC校驗碼爲F220。下(xià)面給出用VB6.0語言實(shi)現的CRC校驗程序,代(dài)碼如下:
 
6系統防雷(lei)
　　對于戶外運行的(de)系統或設備,-一個(ge)很重要的問題就(jiu)是防雷。特别是南(nán)方水庫所在地域(yu),由于雨水充📞沛,空(kōng)氣濕度很大,較之(zhī)幹燥地區更容易(yì)産生雷電災害,輕(qīng)則導緻數據傳輸(shū)出錯,嚴重時會導(dǎo)緻儀器設備損毀(huì)。因此對水庫涵管(guǎn)流量測量系統中(zhong)的防雷設計必須(xu)高度重視。本系統(tong)中的防雷電路包(bāo)含㊙️市電交流進線(xiàn)保護電路和低壓(ya)數據傳輸線路保(bǎo)護電路。交流電源(yuan)進線過壓保護器(qì)采用的型号爲DEHNguard275,數(shù)據傳輸線路保護(hu)🈚電路如圖3所示。
 
　　這(zhe)個保護電路共分(fen)三級。第--級是氣體(ti)放電管,當雷電浪(lang)湧高🚶壓大于放電(dian)管的擊穿電壓時(shí),将使線路與地🚶‍♀️短(duan)路🌈,爲浪湧能量提(ti)供洩放通路;第二(èr)級是由浪湧瞬變(bian)抑制二極管TV1、TV2組成(cheng),它們能迅❗速對線(xian)路上的浪湧過💁電(diàn)壓進行箝位,第三(sān)級由電阻R1、R2、TV3、TV4、TV5構成,目(mù)的也是用來消除(chú)線路上的😘高電壓(ya)，并使線路端口電(dian)壓維持在安全水(shui)平。
7結束語
　　Modbus串行通(tōng)信協議與RS485工業現(xian)場總線網絡配合(he)使用實現☂️了水庫(ku)涵管流量測量數(shu)據的遠傳,同時也(ye)爲今後擴展系😍統(tǒng),将其他儀器😄設備(bèi)挂接在總線上提(ti)供了便利。Modbus通信隻(zhi)需要一根屏蔽雙(shuang)絞線作爲傳輸介(jie)質,這使得穿管敷(fu)線施工既經濟又(yòu)方便;另外防雷🧑🏽‍🤝‍🧑🏻裝(zhuang)置的引人,大大提(tí)高了系統在雷電(dian)天氣情況下的運(yun)行可靠性。運行實(shi)踐表明,涵管流量(liàng)數據📐傳輸穩定,能(neng)夠滿足水庫工程(cheng)管理需要。

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