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樹莓派GPIO擴展RS485/GPIO模塊，借助Modbus協議和變頻器進行雙向通訊，控制污水處理裝置。不但實現了傳統PLC控制系統所具備的全部功能，還能實現物聯網功能，且總體成本大幅下降。

關鍵字：樹莓派；PLC；離心機

1.前言

圖1帶擴展模塊和風扇的樹莓派

樹莓派3B的CPU是1.2GHz的64位4核ARMCortex-A53芯片，而其他的物聯網設備一般鮮有搭載主頻超過600MHz的CPU，強大的處理器性能使樹莓派具有強大的數據處理能力，能夠流暢的執行多線程任務；集成了Wi-Fi芯片和藍牙芯片，為樹莓派接入無線網絡，搭建物聯網提供方便；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行功能擴充。樹莓派官方默認推薦的Linux操作系統，軟件庫里的軟件包數量已經超過35萬；目前，全球有約600萬個樹莓派在運行。樹莓派的硬件和軟件優勢，為下面介紹的新產品提供了強大的支撐。

目前，國內生產的離心機大都采用PLC作為電控系統的核心控制元件，運行數據如果需要遠傳，必須借助各種各樣的網關產品（例如：臺達的DX2100，西肯麥的1149，華辰智通的M111N）才能連接到外部網絡，是典型的物聯網三層體系結構。

本文介紹的基于樹莓派的電控系統，摒棄了傳統的PLC，數據直接連接到外部網絡，樹莓派實質上起著控制器和網關的雙重作用。

2.系統架構

圖2系統框圖

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臺外圍設備的控制信號、運行狀態反饋信號、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是系統圖。

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

3.研發過程

3.1代碼編制概述

樹莓派串口UART有3個功能：①藍牙通訊（默認）②控制終端調試口③與其他設備進行串口通訊。但同一時間只能使用一種功能，應用于本例，需要關閉藍牙通訊功能和控制臺功能。

①設置Modbus_tk通訊協議：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個數據（此處是讀1#變頻器）存放在日志文件中；

③對日志文件進行分割，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行是樹莓派發送到變頻器的讀數據命令（讀數據幀），第2行是變頻器發送給樹莓派的數據（讀回應幀），第3行是數據（該行沒有站號信息）。

分析前2行發現：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含有變頻器參數值的記錄的字符數遠大于其他記錄，根據這2個特點，編制下述代碼，作用是：對日志文件進行解析，最終得到代表變頻器12個參數值的5個字符串：b1～b5，對其進一步處理就能得到具體的數據值。

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，判斷是否是數據

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主程序結構

“啟動”“停車”等控制信號是非周期命令，讀取變頻器參數并對它進行處理是周期命令，為此，主程序采用主線程-子線程結構模式。流程見圖3，2個計時器模塊QTimter定時0.5秒，從而構成2秒左右一個循環的程序執行過程。

圖3主流程圖

3.2操作界面設計

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程桌面控制：本地操作界面如圖4；遠程操作界面如圖5。win7系統遠程訪問Liunx系統下面的樹莓派，需要安裝xrdp和vncserver，并設置靜態IP，然后進入遠程桌面連接，用戶名：pi，密碼：raspberry。

圖5遠程電腦操作界面

3.3物聯網應用開發

總體設計思路是：先把數據上傳到阿里云服務器（ECS服務），然后在云服務器使用PHP程序語言和MySQL數據庫來存儲數據，最后作為客戶端，在寧波建立物聯網數據匯集中心。

把數據上傳到阿里云，樹莓派端要做（1）設置靜態IP地址（2）搭建PHP網站服務器（3）編制程序(多線程后臺運行)。

租用云服務器實現數據遠程，無論對用戶或廠家都有利：

①廠家可以隨時隨地監視遠處離心機實際運行情況，對潛在故障及時作出預判，向用戶提供有益的建議；②歷史數據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，可以減少用戶停機時間，減少因停機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定產生異議而引起不必要的糾紛；③通過對大量數據的積累和分析，及時發現設計和制造缺陷，利于廠家進一步提高產品質量。

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外泄，有一種被人“偷窺”的感覺，持不歡迎態度②阿里云提供的Web服務頁面服務，顯示的數據表格不能直觀反映整個系統運行狀況，工程師希望提供類似監控畫面的界面。

4.結論和展望

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

樹莓派借助modbus對變頻器和接在變頻器I/O口的外圍設備進行通訊控制，如果該工程項目不包含變頻器，則樹莓派將發揮不了如此大的作用。這進一步說明樹莓派應用于離心機電控系統是十分經濟和合理的，既解決了數據上網問題，又大大降低了產品成本。應該指出，這種控制方案不僅僅適合于離心機電控，凡是有變頻器的工程項目都值得借鑒。

樹莓派在離心機行業的應用前景，可用圖6來描述，來自全國乃至全球的離心機運行數據，通過云服務器，匯聚于寧波數據中心，工程師可以隨時隨地對設備進行監控，到那時運籌帷幄決勝千里變成現實。

圖6離心機監控中心

參考文獻

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

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