摘要:針對(duì)水庫底部涵管洩(xiè)水(shuǐ)的流量計(jì) 量問題，讨(tǎo)論了一種(zhǒng)電磁流量計及其數(shù)據遠(yuǎn)傳的(de)modbus協議(yì)和方(fāng)法,詳細(xì)解析了(le)流量計存儲器(qì)數據格式、浮點(diǎn)數據轉(zhuǎn)換以及crc校驗(yàn)等(děng)問題。系統設計(jì)的(de)抗幹(gàn)擾浪湧吸(xī)收電路改善了(le)戶外(wài)現場儀(yí)表數據傳輸的(de)可靠性(xìng)。經(jīng)運行實踐證(zhèng)明，給(gěi)出的系統(tǒng)結構(gòu)和(hé)方(fāng)法能夠适應(yīng)電磁流量計 數據的遠程傳輸(shū)。
　　在水庫(kù)工程管理中(zhōng)，特别是(shì)那些(xiē)擔負(fù)供水任(rèn)務的水庫,統計每(měi)天經(jīng)底(dǐ)部涵管(guǎn)所洩放的水(shuǐ)量(liàng)是(shì)一(yī)件十分重(zhòng)要的(de)工作,它(tā)不僅是供水方與用水(shuǐ)方結算的依據(jù),而且也能(néng)夠對(duì)水庫(kù)的防(fáng)洪調(diào)度提供重要參考。
　　欲(yù)實現水庫涵管流量的測(cè)量與采集，首先(xiān)需要根據(jù)現場環境和條件選(xuǎn)擇合适的現場(chǎng)測量儀表,其次(cì)是要實(shí)現現場到中(zhōng)心監控室(shì)數據的穩(wěn)定傳(chuán)輸。底(dǐ)部涵管現(xiàn)場離水庫監控(kòng)室往往(wǎng)有好幾(jǐ)百米的距(jù)離,因(yīn)此如(rú)何克服信(xìn)号長距(jù)離傳輸(shū)過程(chéng)中的(de)衰減(jiǎn)及受到的幹擾(rǎo),特别(bié)是(shì)在極端(duān)天氣情(qíng)況(kuàng)下的雷電(diàn)幹(gàn)擾(rǎo),就構(gòu)成水庫涵管流(liú)量測量系統設計的主要(yào)内容。
1電磁流量(liàng)計
　　本(běn)系統(tǒng)選用(yòng)了插入式(shì)、 分體(tǐ)型電(diàn)磁流(liú)量計(jì) ,型(xíng)号(hào)爲xkd99zc"。由(yóu)于水庫放(fàng)水涵管的直徑很大,可達500~1000mm,選用(yòng)插人型(xíng)式(shì)可以(yǐ)避免開挖溝槽(cáo)安裝法蘭、配接(jiē)下遊(yóu)導(dǎo)流直管(guǎn)等工作,而分體(tǐ)式傳感器安裝(zhuāng)于工藝管道上,其二次變(biàn)送單(dān)元可(kě)以(yǐ)安裝在(zài)環境(jìng)較好(hǎo)的室(shì)内,這種安裝形式使得(dé)二次(cì)變(biàn)送單元(yuán)遠離現(xiàn)場惡劣環境條(tiáo)件,使(shǐ)電子部件(jiàn)檢查(chá)、儀(yí)表設定(dìng)、調整都比(bǐ)較方(fāng)便,無(wú)須采取專(zhuān)門措施(shī)來(lái)防雨、防潮(cháo)，溫度敏感(gǎn)性也(yě)大(dà)爲(wèi)降低。
　　該電磁流量計(jì)采用的通(tōng)信協(xié)議是(shì)modbus協議，它是(shì)一種(zhǒng)串行通信(xìn)協(xié)議(yì),使用雙絞(jiǎo)線作爲傳(chuán)輸的物理介質(zhì)。流量(liàng)計内部有(yǒu)多個(gè)參數(shù)可以進行設置,如波特率(lǜ)、設備地址、流量(liàng)單位(wèi)等(děng)。水(shuǐ)庫涵(hán)管的(de)瞬(shùn)時流量和累積流(liú)量值通過雙(shuāng)絞(jiǎo)線-→防(fáng)雷裝置+rs485/rs232協議轉(zhuǎn)換-+.上位計算機(jī)完成數(shù)據傳送,在上位計算機(jī)應用軟(ruǎn)件的管(guǎn)理下(xià),完成(chéng)水庫涵管流量數據的顯示與(yǔ)統計(jì)。
2系統結構(gòu)方案(àn)
　　在(zài)水(shuǐ)庫(kù)工程管(guǎn)理中,現(xiàn)場(chǎng)參(cān)數除了(le)底部(bù)涵管流量之外(wài),還有(yǒu)水庫壩體的滲(shèn)漏流量(liàng)、水庫水位等(děng)參數需要(yào)監測(cè),因此(cǐ)這些儀表(biǎo)設備(bèi)可以(yǐ)通過rs485工業現場(chǎng)總線(xiàn)構成一個(gè)分布式(shì)網絡。
　　在(zài)這個(gè)總線網絡(luò)中，上位(wèi)計算機pc作爲(wèi)中(zhōng)心主站(zhàn),而其他儀表設(shè)備皆處于從屬(shǔ)地位,主站(zhàn)爲每台從設備分配(pèi)-一個唯一(yī)地址(zhǐ)。爲了獲取從站(zhàn)各儀器設備的數據,主站(zhàn)采取(qǔ)輪流(liú)向各個設(shè)備發送地址命令(lìng)的方法來讀(dú)取數據(jù)。每個(gè)從(cóng)站不斷(duàn)監測總(zǒng)線上傳(chuán)來的地(dì)址,隻(zhī)有當收到(dào)的(de)消息(xī)中的地(dì)址與自己設備地址--緻時,才會執行主站發出(chū)的命(mìng)令(lìng),将(jiāng)自己(jǐ)的狀(zhuàng)态與(yǔ)數據(jù)發給上(shàng)位主機(jī),主機則(zé)負(fù)責接(jiē)收從(cóng)設(shè)備發出(chū)的數據，按modb-us協議(yì)規程執(zhí)行數據(jù)解碼、校驗、存儲等操作。系(xì)統的(de)拓撲結構如圖(tú)1所示(shì)。
 
3modbus協議(yì)及主(zhǔ)機信息結構
　　modbus協(xié)議是(shì)一種主從(cóng)式點對(duì)點(diǎn)的通(tōng)信協議(yì),允許一(yī)台主(zhǔ)機和多台(tái)從機之間進行(háng)數據(jù)通信,由于(yú)mod-bus協議(yì)易于(yú)實現(xiàn),因此它已(yǐ)經成(chéng)爲被廣泛應用(yòng)的工業标準[2]。
　　modbus協(xié)議支持ascii和rtu兩種(zhǒng)模式的串(chuàn)行鏈(liàn)路協(xié)議，由于rtu模式比(bǐ)ascii模式有更高的(de)數據傳輸(shū)效率(lǜ),因此(cǐ)大多(duō)數總線(xiàn)式(shì)網絡(luò)結構中均采用rtu鏈路(lù)協議(yì)[3]。
　　一個rtu消息幀(zhēn)由地址(zhǐ)域、功(gōng)能域(yù)、數(shù)據(jù)域、crc校驗域外加起始位(wèi)和結束(shù)字符(fú)共同(tóng)構成,其(qí)典型格(gé)式如(rú)表1所示。
 
①起(qǐ)始位(wèi)和結束字符:用(yòng)來分隔兩幀消(xiāo)息，rtu規定起始位(wèi)和結束(shù)字(zì)符持(chí)續時間不得小(xiǎo)于3.5個(gè)字(zì)符時間(jiān),一幀消息(xī)必須(xū)以連續的字符流(liú)進(jìn)行(háng)發(fā)送,并(bìng)且同一幀内的(de)2個字(zì)符間(jiān)隔時(shí)間應小(xiǎo)于1.5個字(zì)符時(shí)間,編程時(shí)需注(zhù)意rtu模(mó)式的(de)這些定時(shí)要求(qiú)。
②設備地址:總線網絡中(zhōng)某個從站設備的(de)地址(zhǐ),作爲主機的尋(xún)址标志。
③功(gōng)能代碼:當消息從主機發往從站設備時(shí),告(gào)訴從設(shè)備需要執(zhí)行哪(nǎ)些行(háng)爲,如,“03”,讀(dú)取當前從站設備(bèi)寄存器(qì)組内-個(gè)或多個二進制數據(jù);“06",主(zhǔ)機(jī)把設(shè)置的二進制數(shù)據寫(xiě)人儀(yí)表設備的單-寄存器(qì)内。
④數(shù)據域:它包(bāo)含主-從設備通(tōng)信中(zhōng)所涉及的各種參數，如起(qǐ)始寄(jì)存(cún)器、要讀(dú)寫的寄存(cún)器數(shù)量、據長度(dù)、數據(jù)信息等。
⑤crc校(xiào)驗:rtu幀(zhēn)中包含了一個(gè)基于crc算法的錯(cuò)誤檢(jiǎn)測(cè)城,即無(wú)論主(zhǔ)機或從站(zhàn)設備發(fā)送rtu幀時,都要計算從設(shè)備地址開始到(dào)數據區之間所有(yǒu)字節的16位crc校(xiào)驗碼(mǎ),并以(yǐ)低(dī)字節在前(qián)、高字節在後的(de)形式附加到(dào)rtu消息(xī)的crc域(yù),一(yī)并發(fā)給(gěi)接收(shōu)方。當接收方收(shōu)完一(yī)幀消息後立即(jí)按(àn)同樣方法計算該幀消(xiāo)息的crc校(xiào)驗碼,并(bìng)與發送方(fāng)傳來(lái)的crc校驗碼進行(háng)比較,若不同就(jiù)說明在消息傳(chuán)輸(shū)過程中(zhōng)發生(shēng)了錯(cuò)誤(wù)，應該棄(qì)掉剛才(cái)收(shōu)到的消息，并向發送方回傳一幀帶有錯誤标識的(de)消息作爲(wèi)響應。
4電磁流量(liàng)計的存儲器數據結(jié)構
　　xkd99zc電(diàn)磁流量計是-種智能(néng)化的(de)流量儀表,内嵌(qiàn)32位高速mcu處(chù)理器(qì),可以(yǐ)測(cè)量瞬時(shí)流量(liàng)、累計流量(liàng)等參(cān)數,數據通(tōng)信傳輸接(jiē)口爲(wèi)半雙(shuāng)工(gōng)方(fāng)式,支(zhī)持2400、4800.9600bit/s等(děng)波特率,接(jiē)口電氣(qì)标準遵從eia/tia-485國際标準。用(yòng)戶無須對流量(liàng)計進(jìn)行(háng)底層編程,隻需(xū)設(shè)置好(hǎo)相關參數即可。流量(liàng)計内部寄(jì)存器存儲的數(shù)據類型(xíng)與(yǔ)地址(zhǐ)如表2所示(shì)。
 
5系統(tǒng)軟件設計
5.1通信過程
　　通(tōng)信(xìn)開始(shǐ)後，主機向總線上發送一幀消息,電磁流量計(jì)偵測總線狀态并接(jiē)收主機送(sòng)來的消息(xī)。如果(guǒ)消息(xī)中的地址(zhǐ)與本(běn)站(zhàn)設備(即(jí)電磁流量(liàng)計)地(dì)址(zhǐ)相(xiàng)符,而且計(jì)算所得的16位crc校驗碼也(yě)正确,就将收到(dào)的消息(xī)存儲(chǔ)在緩沖區内，接(jiē)着執行主(zhǔ)機的(de)命令，并(bìng)根(gēn)據處理結(jié)果返(fǎn)回一幀(zhēn)正(zhèng)确的消息作爲對主(zhǔ)機的(de)響應,其通(tōng)信流(liú)程如圖2所(suǒ)示。
 
　　在本系統中(zhōng),主要使(shǐ)用modbus協議(yì)中的(de)“03”功(gōng)能碼,它的含(hán)義是連續(xù)讀取設備數據(jù)寄存(cún)器中的内容(每(měi)個寄(jì)存器占2b)。
　　通(tōng)過設置給(gěi)電磁流量計分(fèn)配的地址(zhǐ)是0fh,爲(wèi)了讀取流量計(jì)的瞬時流量,主(zhǔ)機應(yīng)該發(fā)出一-幀(0f0300000002c525)消(xiāo)息(十(shí)六進(jìn)制),此幀消(xiāo)息(xī)中含有(yǒu)如下(xià)信息(xī):
①0f:從站設備地址(zhǐ)(流量計地址);
②03:功(gōng)能碼(mǎ)(讀寄存器(qì)内容);
③0000:待讀寄存(cún)器首(shǒu)地址(zhǐ)(瞬時(shí)流量);
④0002:讀(dú)2個連續(xù)的數據(jù)寄存器(因爲數據類型(xíng)是浮點);
⑤c525:crc校(xiào)驗碼(mǎ)(低字(zì)節(jiē)在前高字節在後(hòu))。如果(guǒ)流量(liàng)計正确收(shōu)到.上(shàng)面(miàn)信息,就(jiù)立即返回與涵(hán)管當(dāng)前瞬時流(liú)量對(duì)應的消息(xī)作爲對主(zhǔ)機的響應:
0f030441b142a720f2
　　在這幀消(xiāo)息中,0f03的(de)意義同前,04指4個字節的(de)瞬時流(liú)量(liàng),數據(jù)内容(róng)是(shì)41b142a7,流量計(jì)發出的crc校(xiào)驗碼(mǎ)是20f2。
　　同(tóng)理,爲了讀(dú)取流量(liàng)計的累積流量,主機應(yīng)發:
0f0300130004b4e2
　　如(rú)果流量計(jì)接收正确，就返(fǎn)回下列數(shù)據串(chuàn):
0f0308addd003b4d6f3f61757f
　　其中當前(qián)累積(jī)流量(liàng)數(shù)據(jù)爲8個(gè)字節(jiē),addd003b4d6f3f61,crc校驗碼是(shì)757f。
5.2數(shù)據解析
　　由于(yú)xkd99zc電磁流量(liàng)計中(zhōng)的數據是(shì)以字(zì)的形(xíng)式(shì)存儲在(zài)寄存(cún)器組中的(de),而且數據的低(dī)位字(zì)在前,高位(wèi)字在(zài)後(hòu),所以在(zài)解析流(liú)量數據之前(qián),必(bì)須先要(yào)交換它們(men)的順(shùn)序才能得(dé)到正确結果。對于瞬時流(liú)量的4個字(zì)節(41b1)(42a7),交換順序後(hòu)成爲(wèi)(42a7)(41b1),它(tā)是一個(gè)符合ieee754規範的32位浮點(diǎn)數值(zhí),将其(qí)還原成(chéng)十進制數值(zhí),結果得到(dào)涵(hán)管(guǎn)當(dāng)前瞬時(shí)流量值83.6263m³/h。
　　對于累(lèi)積流量,它(tā)的數(shù)據格(gé)式(shì)爲(wèi):整數(shù)部分是長整型(xíng),而小數部分是(shì)32位浮點型,所(suǒ)以(yǐ)應分段交換順(shùn)序。整數部(bù)分交換順序(xù)後是(003b)(addd),它(tā)對應十(shí)進制3911133,而(ér)小數部分交(jiāo)換(huàn)順序後是(shì)(3f61)(4d6f),按ieee754浮點數(shù)規範,經過轉換,其對應的(de)十進制小數爲(wèi)0.8801,所以涵管當前(qián)累積流量是3911133.88m³。
5.3關(guān)于crc檢(jiǎn)驗算(suàn)法
　　在(zài)modbus标準(zhǔn)通信(xìn)中,對于即(jí)将被傳輸(shū)消息中(zhōng)的字(zì)符(fú)串必須進(jìn)行crc校(xiào)驗,目(mù)的是(shì)發現(xiàn)數據傳輸(shū)過程中可(kě)能出現的(de)錯誤(wù)。常用(yòng)的校(xiào)驗多項(xiàng)式有ccitt和(hé)crc-16,本系統采用crc-16,其(qí)多項(xiàng)式爲g(x)=xl6+xi5+x2+1,實際(jì)應用時取其反(fǎn)序。
　　具體來說,對于涵管(guǎn)瞬(shùn)時流(liú)量,是從地(dì)址字(zì)節一(yī)直校(xiào)驗到(dào)數據(jù)的最後-一(yī)個字(zì)節。以流(liú)量(liàng)計返(fǎn)回的瞬時(shí)流量數據串爲(wèi)例,共須校(xiào)驗0f030441b142a7七(qī)個字節,所(suǒ)以得(dé)到的16位(wèi)crc校驗碼(mǎ)爲f220。下面給(gěi)出用(yòng)vb6.0語言(yán)實現的crc校(xiào)驗程(chéng)序(xù),代(dài)碼如(rú)下:
 
6系(xì)統防雷
　　對(duì)于戶(hù)外運行的(de)系統或設備,-一(yī)個很重要的問題就是防雷。特(tè)别是(shì)南方水庫(kù)所在(zài)地(dì)域,由于雨水充沛(pèi),空氣濕度(dù)很大(dà),較之(zhī)幹燥(zào)地(dì)區(qū)更容(róng)易産生(shēng)雷(léi)電災(zāi)害,輕(qīng)則導緻數據傳輸出錯,嚴(yán)重時會導緻儀(yí)器設(shè)備損毀。因(yīn)此對水庫涵管(guǎn)流量(liàng)測量系(xì)統(tǒng)中的(de)防(fáng)雷設計(jì)必須(xū)高度重視(shì)。本系統中的防(fáng)雷電(diàn)路包含市(shì)電交流進(jìn)線保護電(diàn)路和低壓(yā)數據(jù)傳輸線路保護電路。交流(liú)電源進線(xiàn)過壓(yā)保護(hù)器采用的型号(hào)爲dehnguard275,數(shù)據傳(chuán)輸線(xiàn)路保護電路如圖3所示。
 
　　這個保護電路共(gòng)分三級。第--級(jí)是(shì)氣體放(fàng)電(diàn)管,當(dāng)雷電浪湧高壓大于(yú)放電(diàn)管的(de)擊穿電(diàn)壓時,将(jiāng)使線路與地(dì)短路,爲(wèi)浪湧能量(liàng)提供洩放(fàng)通路(lù);第二級是(shì)由浪湧瞬(shùn)變(biàn)抑制二(èr)極管tv1、tv2組成(chéng),它們(men)能迅速(sù)對線路(lù)上的浪湧(yǒng)過電壓進行箝位,第(dì)三級由電(diàn)阻r1、r2、tv3、tv4、tv5構成,目(mù)的也是(shì)用(yòng)來消除線路上(shàng)的高電壓，并使(shǐ)線路(lù)端口(kǒu)電壓維持在安全水(shuǐ)平。
7結束語(yǔ)
　　modbus串行通信協議與rs485工(gōng)業現場(chǎng)總線網(wǎng)絡配(pèi)合使用實(shí)現了水庫涵管(guǎn)流量測量數據(jù)的遠傳,同(tóng)時也爲今後(hòu)擴展系(xì)統,将(jiāng)其他儀器(qì)設備(bèi)挂接在總(zǒng)線上提(tí)供了便利。modbus通(tōng)信隻需要(yào)一根屏蔽(bì)雙絞線作爲(wèi)傳輸介(jiè)質,這使得穿管(guǎn)敷線(xiàn)施(shī)工既經(jīng)濟又方(fāng)便(biàn);另外(wài)防雷裝(zhuāng)置(zhì)的引(yǐn)人,大(dà)大提高了(le)系(xì)統(tǒng)在(zài)雷電天(tiān)氣情況下(xià)的運行可靠(kào)性(xìng)。運行(háng)實踐表(biǎo)明(míng),涵管流量數據傳輸(shū)穩定,能夠(gòu)滿足(zú)水庫(kù)工程管理(lǐ)需要。

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