樹莓派GPIO擴(kuò)展RS485/GPIO模塊，借助Modbus協(xié)議和變頻器進(jìn)行雙向通訊，控制污水處理裝置。不但實現(xiàn)了傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)所具備的全部功能，還能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，且總體成本大幅下降。

關(guān)鍵字：樹莓派；PLC；離心機(jī)

1.前言

圖1帶擴(kuò)展模塊和風(fēng)扇的樹莓派

樹莓派3B的CPU是1.2GHz的64位4核ARMCortex-A53芯片，而其他的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一般鮮有搭載主頻超過600MHz的CPU，強(qiáng)大的處理器性能使樹莓派具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠流暢的執(zhí)行多線程任務(wù)；集成了Wi-Fi芯片和藍(lán)牙芯片，為樹莓派接入無線網(wǎng)絡(luò)，搭建物聯(lián)網(wǎng)提供方便；此外提供40腳GPIO和4個USB2.0接口及其他接口，使樹莓派可以方便的進(jìn)行功能擴(kuò)充。樹莓派官方默認(rèn)推薦的Linux操作系統(tǒng)，軟件庫里的軟件包數(shù)量已經(jīng)超過35萬；目前，全球有約600萬個樹莓派在運(yùn)行。樹莓派的硬件和軟件優(yōu)勢，為下面介紹的新產(chǎn)品提供了強(qiáng)大的支撐。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的離心機(jī)大都采用PLC作為電控系統(tǒng)的核心控制元件，運(yùn)行數(shù)據(jù)如果需要遠(yuǎn)傳，必須借助各種各樣的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品（例如：臺達(dá)的DX2100，西肯麥的1149，華辰智通的M111N）才能連接到外部網(wǎng)絡(luò)，是典型的物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)。

本文介紹的基于樹莓派的電控系統(tǒng)，摒棄了傳統(tǒng)的PLC，數(shù)據(jù)直接連接到外部網(wǎng)絡(luò)，樹莓派實質(zhì)上起著控制器和網(wǎng)關(guān)的雙重作用。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

圖2系統(tǒng)框圖

硬件配置：樹莓派3B+RS485/GPIO；變頻器：匯川MD380+MD38IO1；為污水處理裝置配套的10臺外圍設(shè)備的控制信號、運(yùn)行狀態(tài)反饋信號、13個傳感器信號全部接入變頻器的I/O口，圖1是樹莓派實物照片，圖2是系統(tǒng)圖。

軟件配置：操作系統(tǒng)Linux；編程軟件Python3.5；界面制作軟件PyQt5；通訊軟件Modbus_tk.

3.研發(fā)過程

3.1代碼編制概述

樹莓派串口UART有3個功能：①藍(lán)牙通訊（默認(rèn)）②控制終端調(diào)試口③與其他設(shè)備進(jìn)行串口通訊。但同一時間只能使用一種功能，應(yīng)用于本例，需要關(guān)閉藍(lán)牙通訊功能和控制臺功能。

①設(shè)置Modbus_tk通訊協(xié)議：modbus_rtu，9600，8N1；

②用命令logger.info(master.execute(1，cst.READ_HOLDING_REGISTERS，28672，12))

讀取變頻器起始地址為7000H的12個數(shù)據(jù)（此處是讀1#變頻器）存放在日志文件中；

③對日志文件進(jìn)行分割，所謂分割，就是保留一部分記錄，其余拋棄，本例每2秒保存一次，文件名為“pzw”。

④解析日志文件：下面是文件“pzw”中1#變頻器的部分日志內(nèi)容（2#～5#格式相同）：

2018-05-2519:42:11，200-->1-3-112-0-0-12-95-15

2018-05-2519:42:11，306-<-1-3-24-0-0-14-16-16-232-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-1-252-1-240-0-134-87-101

2018-05-2519:42:11，395-(0，3600，4328，0，0，0，0，0，0，508，496，134)

第1行是樹莓派發(fā)送到變頻器的讀數(shù)據(jù)命令（讀數(shù)據(jù)幀），第2行是變頻器發(fā)送給樹莓派的數(shù)據(jù)（讀回應(yīng)幀），第3行是數(shù)據(jù)（該行沒有站號信息）。

分析前2行發(fā)現(xiàn)：①每條記錄去掉頭部日期時間后，第1個字符就是變頻器的站號②含有變頻器參數(shù)值的記錄的字符數(shù)遠(yuǎn)大于其他記錄，根據(jù)這2個特點(diǎn)，編制下述代碼，作用是：對日志文件進(jìn)行解析，最終得到代表變頻器12個參數(shù)值的5個字符串：b1～b5，對其進(jìn)一步處理就能得到具體的數(shù)據(jù)值。

withopen('pzw')asfile_object:

lines=file_object.readlines()#逐行讀文件，存到表lines中

n=len(lines)#獲取表的長度

foriinrange(n):

lines[i]=(lines[i])[27:]#截取表第27項到末尾，保存到表

iflen(lines[i])>63and(lines[i])[0]=='1':#判斷站號，判斷是否是數(shù)據(jù)

abc1=lines[i]#存放到表abc1中

a1=abc1[7:]#截取表abc1第7項到末尾，保存到表a1

b1=a1.split('-')#以‘－’為分隔符將字符串分割為新的表

u0_00_1=str(float(int(b1[0])*256+int(b1[1]))/100)#變頻器輸出頻率

self.l1_1.setText(u0_00_1+'Hz')#標(biāo)簽顯示

................

u0_11_1=str((int(b1[22])*256+int(b1[23]))/4)#pt100左軸承溫度

self.l7_1.setText(u0_11_1+'℃')

iflen(lines[i])>63and(lines[i])[0]=='2':

..................

⑤主程序結(jié)構(gòu)

“啟動”“停車”等控制信號是非周期命令，讀取變頻器參數(shù)并對它進(jìn)行處理是周期命令，為此，主程序采用主線程-子線程結(jié)構(gòu)模式。流程見圖3，2個計時器模塊QTimter定時0.5秒，從而構(gòu)成2秒左右一個循環(huán)的程序執(zhí)行過程。

圖3主流程圖

3.2操作界面設(shè)計

圖4樹莓派端操作界面

污水處理裝置可以在本地控制也可以遠(yuǎn)程桌面控制：本地操作界面如圖4；遠(yuǎn)程操作界面如圖5。win7系統(tǒng)遠(yuǎn)程訪問Liunx系統(tǒng)下面的樹莓派，需要安裝xrdp和vncserver，并設(shè)置靜態(tài)IP，然后進(jìn)入遠(yuǎn)程桌面連接，用戶名：pi，密碼：raspberry。

圖5遠(yuǎn)程電腦操作界面

3.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)

總體設(shè)計思路是：先把數(shù)據(jù)上傳到阿里云服務(wù)器（ECS服務(wù)），然后在云服務(wù)器使用PHP程序語言和MySQL數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，最后作為客戶端，在寧波建立物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯集中心。

把數(shù)據(jù)上傳到阿里云，樹莓派端要做（1）設(shè)置靜態(tài)IP地址（2）搭建PHP網(wǎng)站服務(wù)器（3）編制程序(多線程后臺運(yùn)行)。

租用云服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程，無論對用戶或廠家都有利：

①廠家可以隨時隨地監(jiān)視遠(yuǎn)處離心機(jī)實際運(yùn)行情況，對潛在故障及時作出預(yù)判，向用戶提供有益的建議；②歷史數(shù)據(jù)查看和歷史故障查看功能，對故障定位和原因判定非常有用，可以減少用戶停機(jī)時間，減少因停機(jī)給用戶帶來的各方面損失，有效避免雙方因為對故障原因的認(rèn)定產(chǎn)生異議而引起不必要的糾紛；③通過對大量數(shù)據(jù)的積累和分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計和制造缺陷，利于廠家進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

上述方案目前處于嘗試階段，有2個問題需要妥善處理：①有的用戶耽心重要工藝參數(shù)外泄，有一種被人“偷窺”的感覺，持不歡迎態(tài)度②阿里云提供的Web服務(wù)頁面服務(wù)，顯示的數(shù)據(jù)表格不能直觀反映整個系統(tǒng)運(yùn)行狀況，工程師希望提供類似監(jiān)控畫面的界面。

4.結(jié)論和展望

讀取一臺變頻器數(shù)據(jù)耗時200ms，5臺變頻器需要1s，因此數(shù)據(jù)更新速率最少1.5s，要控制更多變頻器，勢必降低數(shù)據(jù)更新速率，操作時顯得遲鈍，降低實用價值。為此，可以考慮2臺或幾臺樹莓派協(xié)同運(yùn)行，組成樹莓派集群，解決控制規(guī)模問題。

樹莓派借助modbus對變頻器和接在變頻器I/O口的外圍設(shè)備進(jìn)行通訊控制，如果該工程項目不包含變頻器，則樹莓派將發(fā)揮不了如此大的作用。這進(jìn)一步說明樹莓派應(yīng)用于離心機(jī)電控系統(tǒng)是十分經(jīng)濟(jì)和合理的，既解決了數(shù)據(jù)上網(wǎng)問題，又大大降低了產(chǎn)品成本。應(yīng)該指出，這種控制方案不僅僅適合于離心機(jī)電控，凡是有變頻器的工程項目都值得借鑒。

樹莓派在離心機(jī)行業(yè)的應(yīng)用前景，可用圖6來描述，來自全國乃至全球的離心機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過云服務(wù)器，匯聚于寧波數(shù)據(jù)中心，工程師可以隨時隨地對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，到那時運(yùn)籌帷幄決勝千里變成現(xiàn)實。

圖6離心機(jī)監(jiān)控中心

參考文獻(xiàn)

【1】張雙馳：基于Modbus樹莓派控制多臺變頻器的方法及應(yīng)用實例，控制與傳動，2018.4

【2】柯博文：樹莓派（RaspberryPi）實戰(zhàn)指南，清華大學(xué)出版社，2015.6