基于MODBUS协议的粪便处理工艺控制系统

韩兴连，周光明，高明辉

（重庆市自来水公司，重庆 400013）

基于MODBUS协议的粪便处理工艺控制系统

韩兴连，周光明，高明辉

（重庆市自来水公司，重庆 400013）

介绍了MODBUS通讯协议在重庆市黄沙溪粪便无害化、资源化处理厂的运用。具体阐述了该系统的通讯配置、通讯编程等工艺控制系统。该系统已投入运行，通讯性能稳定、安全可靠，对其他同类控制系统具有一定的借鉴和推广作用。

粪便无害化;可编程控制器;通信

城市粪便处理是一个世界性的问题，解决得不好，将严重影响人类生活的环境质量。粪便中的有机物和氮、磷等物质若直接排放，会造成水体污染，并散发出含氨、硫化氢、硫醇、硫醚等恶臭成分的有害气体。因此，对粪便进行无害化和资源化处置，具有重要的现实意义。本文介绍了MODBUS通讯协议在重庆市黄沙溪粪便无害化、资源化处理厂的运用，具体阐述了该系统的通讯配置、通讯编程等工艺控制系统。

1 系统概述

重庆市黄沙溪粪便无害化、资源化处理厂设计日处理粪便能力为500吨、污泥13吨。采用生物处理技术，利用生物活性菌降解粪便中的有机物，从而化粪为水，再经过污水处理和消毒工序，整个处理过程不产生臭气，最终使处理后的粪水达到国家规定的一级排放标准，处理后的清水可用于植物浇灌，最后产生的残渣利用污泥堆肥工艺制成肥料，达到生态循环。在该项目中，为了保证粪便处理效果、粪水达标排放，工艺控制全部采用自动化控制。

CompactLogix系统提供了一个从单机到分布式应用系统的Logix解决方案，控制器不仅具有增强的处理性能，支持多达30个的本地1769 I/O模块，还内置有可进行实时I/O控制的EtherNet/IP、ControlNet网络接口，与包括1769 I/O模块在内的多种I/O模块一起实现分布式I/O扩展。一个最简单的CompactLogix单机系统可以只由一个独立的控制器一组I/O模块和电源组成[1]。多个CompactLogix系统可以通过EtherNet/IP、 ControlNet、 DeviceNet或DH-485与上位机及其它控制器进行联网，并且，每个CompactLogix控制器可通过EtherNet/IP、ControlNet或DeviceNet控制远程I/O和现场设备。

基于以上的特点，本工程选用的CPU型号为CompactLogix的1769-L35E。自动控制系统由3个PLC站组成。分别为污泥车间1#PLC站、格栅机2#PLC站、鼓风机3#PLC站。污泥车间PLC站负责处理粪便残渣，生产氮肥和草坪种植块。格栅机PLC站负责处理进粪除砂及ABR工艺与污泥脱水。鼓风机PLC站负责处理CASS、MSBR工艺及膜处理工艺。控制系统结构如图1所示。网络通讯采用EtherNet。

其中，膜处理、加热锅炉、脱水机、成型机、打包机五个系统均为独立系统，控制器采用西门子的S7-200 PLC实现，在系统中作为通讯的SLAVE站，与1769-L35E进行MODBUS协议通信。

图1 控制系统结构图

2 MODBUS协议介绍

MODBUS通信协议是应用于电子控制器上的一种通用协议。不同厂商生产的控制设备，只要遵循MODBUS协议，就可以连成工业网络，进行集中监控。标准的MODBUS通信口是使用RS232兼容串行接口，控制器通信采用主从技术，报文采用查询响应结构，即主设备发送查询数据，从设备根据主设备查询提供的数据做出相应应答。其主从设备查询响应周期如图2所示。

图2 主从设备查询响应周期

MODBUS通信协议有2种传输模式：ASCII模式和RTU模式[2]。本系统选用RTU模式来实现基于MODBUS协议的不同品牌PLC的通信，RTU模式的数据通信格式为1个起始位、8个数据位、一个奇偶校验位、一个停止位（有校验）或2个停止位（无校验），其错误校验方式为CRC校验（循环冗长检测）。MODBUS协议有24种功能，分别可实现相应的功能。

3 MODBUS通信的实现

该系统中，三个PLC站分别作为MASTER主站与各自区域内的S7-200进行通信。系统中没有使用MCM系列专用通讯模块，因此，具体实现时需分别编制MODBUS

的MASTER及SLAVE程序，利用1769-L35E的串口进行通信

3.1 硬件设置

配置通讯程序前，先对1769-L35E的串口进行配置。工程中采用波特率9600，数据位8，无校验，停止位1（见图3）。

图3 串口配置

3.2 1769-L35E主站的通信程序设计

主站使用Logix5000编程软件，该软件针对MODBUS协议的实现有专门的例程。将例程中的MODBUS子任务拷贝至目标程序。令Mod_Active=1，激活MODBUS MASTER功能。在命令数组Mod_Commands[x]中设置不同的命令，指定不同的功能码（见表1），则程序依次执行，将指定从站的数据读取到预定的区域。在Logix5000的命令执行前将准备输出的数据写入数据区，执行时将数据输出，然后可以再执行一次。命令的执行条件为：Mod_Active = 1；Mod_Commands[X].Enable = 1[3]。

表1 MODBUS功能代码

在工程中，污水最后经过膜处理系统处理后达到排放标准。本文以读取膜处理系统的部分参数为例。膜处理系统采用S7-200系列控制器，提供的部分变量如表2。

表2 膜处理系统部分变量

对膜处理系统的工作状态只读参数，配置MODBUS协议如下：Mod_Active = 1，Mod_Cmd_Number = 6（见图4）。

图4 配置命令1

命令含义为从SlaveAddress = 5的从站读取Coils状态，由1开始，读取14个数据，依次存入到Mod_Data_Coils[0]数组中。

对膜处理系统的控制参数（只写），配置MODBUS协议如图5。

图5 配置命令2

命令含义为将主站第89个Coil的数据写入到SlaveAddress = 5的从站中。对膜处理系统的模拟量参数，配置MODBUS协议如图6。

图6 配置命令3

命令含义为从SlaveAddress = 5的从站读保持寄存器的数据，由1开始，读取16个数据，依次存入到Mod_Data_HoldReg4[0]-[16]数组中。由于模拟量为双字，读取后需进行处理，高低字节互换，再利用COP指令将DINT型数据转换为所需的REAL型（见图7）。

图7 数据类型转换

3.3 S7-200 PLC从站通信程序设计

在S7-200 PLC与Rockwell 1769-L35E的通信中，S7-200PLC是作为从站与主站进行通信的。S7-200 PLC中预置了MODBUS协议，STEP7-Micro/WIN指令库包含为MODBUS通讯专门设计预先配置的子程序和中断例行程序，使与MODBUS从站和主设备的通讯更加便捷。MODBUS从站协议指令可以配置S7-200 PLC，将其用作MODBUS RTU从站，与Modbus主设备通讯，MODBUS从站协议库仅支持端口0通讯。

S7-200 PLC MODBUS RTU从站协议是通过调用指令库中的2个功能块实现的，2个功能块分别是MBUS_INIT和MBUS_SLAVE[4]。 MBUS_ INIT功能块被用于启用和初始化或禁止MODBUS通讯，MBUS_SLAVE功能块被用于为MODBUS主设备发出的查询服务，并且必须在每次扫描时执行，以便允许该指令检查和响应MODBUS主设备查询。

在S7-200 PLC与Rockwell 1769-L35E通信之前，需根据主站的通信参数进行初始化设置，其MBUS_INIT功能块通信格式设置如下：MODE为1，MODBUS协议；Baud（波特率）为9600；Addr（从站地址）为5；Parity为0，无校验（如图8）。

图8 配置MBUS_ INIT功能块

主站是通过读写MODBUS从站地址中的数据来实现数据通信的。在本系统中主站使用功能3和功能5对从站地址中的数据进行读写，根据表1，主站要读写MODBUS从站地址4xxxx中的数据。用户可以使用MBUS_INIT功能块中的MaxHold和 HoldStart参数分别设定MODBUS地址4xxxx使用的V存储器中的字保持寄存器数目和保持寄存器的起始地址[5]。根据膜处理控制系统设计要求，将MaxHold设置为16，HoldStart设置为&VB4000。主站对&VB4000开始地址中的数据进行读写。完成MBUS_INIT功能块的设置，然后通过调用MBUS_ SLAVE功能块响应主站查询信息（如图9），即完成S7-200 PLC的通信程序设计。

图9 配置MBUS_ SLAVE功能块

通过以上对Rockwell的1769-L35和S7-200两种PLC控制器的设置、编程，最终实现了两种不同系统间的MODBUS协议通讯。

4 结语

重庆市黄沙溪粪便无害化、资源化处理厂工艺复杂、设备众多。为了达到实现全套自动化控制系统，从而保证粪便经过处置后，在排放进水体前确保氨氮含量、COD、BOD等常规指标在环境允许范围内；粪便处理后产生的废渣、污泥经过堆肥处理变废为宝的目的。最后通过MODBUS协议实现了不同厂家、不同品牌设备的通讯连接，实现了自控工艺要求。该套通讯控制系统自投产运行至今，通讯性能稳定、运行安全可靠。

[1]姚伟.Modbus通讯协议在牙轮钻机变频调速系统中的应用[J].采矿技术，2009，9（6）： 66-67.

[2]李潮，张学东.基于Modbus协议的PLC主站程序设计[J].微计算机信息，2010，26（4）： 34-35.

[3]潘迪夫，习可.以PLC为通信主站的Modbus控制网络的设计与实现[J].现代电子技术，2010，5 ：142-144.

[4]汪正果.Modbus协议在S7-200 PLC与PC机通信中的应用[J].煤矿机械，2010，31（2）： 192-194.

[5]章程，程文明，肖建军.基于Modbus协议的PC机与S7-200 PLC的串行通信[J].机械工程与自动化，2008，3 ： 85-87.

Control Realization of Feces Treatment Process Based on MODBUS Protocol

HAN Xing-lian, ZHOU Guang-ming, GAO Ming-hui
(Water Company in Chongqing, Chongqing 400013, China)

The application of MODBUS communication protocol in Chongqing Yellow Sand Creek fecal harmless and resource processing plant is introduced. The MODBUS communication, communication programming and realization of configuration between Rockwell and Siemens different PLC products are provided in detail. This system has been implemented and the result shows that the communication is more stable, much safer and it provides a reference for other similar control systems.

MODBUS; fecal harmless; PLC; communication

X799.3

A

1006-5377（2011）11-0058-04