树莓派GPIO扩展RS485/GPIO模块，借助Modbus协议和变频器进行双向通讯，控制污水处理装置。不但实现了传统PLC控制系统所具备的全部功能，还能实现物联网功能，且总体成本大幅下降。

关键字：树莓派；PLC；离心机

1.前言

图1带扩展模块和风扇的树莓派

树莓派3B的CPU是1.2GHz的64位4核ARMCortex-A53芯片，而其他的物联网设备一般鲜有搭载主频超过600MHz的CPU，强大的处理器性能使树莓派具有强大的数据处理能力，能够流畅的执行多线程任务；集成了Wi-Fi芯片和蓝牙芯片，为树莓派接入无线网络，搭建物联网提供方便；此外提供40脚GPIO和4个USB2.0接口及其他接口，使树莓派可以方便的进行功能扩充。树莓派官方默认推荐的Linux操作系统，软件库里的软件包数量已经超过35万；目前，全球有约600万个树莓派在运行。树莓派的硬件和软件优势，为下面介绍的新产品提供了强大的支撑。

目前，国内生产的离心机大都采用PLC作为电控系统的核心控制元件，运行数据如果需要远传，必须借助各种各样的网关产品（例如：台达的DX2100，西肯麦的1149，华辰智通的M111N）才能连接到外部网络，是典型的物联网三层体系结构。

本文介绍的基于树莓派的电控系统，摒弃了传统的PLC，数据直接连接到外部网络，树莓派实质上起着控制器和网关的双重作用。

2.系统架构

图2系统框图

硬件配置：树莓派3B+RS485/GPIO；变频器：汇川MD380+MD38IO1；为污水处理装置配套的10台外围设备的控制信号、运行状态反馈信号、13个传感器信号全部接入变频器的I/O口，图1是树莓派实物照片，图2是系统图。

软件配置：操作系统Linux；编程软件Python3.5；界面制作软件PyQt5；通讯软件Modbus_tk.

3.研发过程

3.1代码编制概述

树莓派串口UART有3个功能：①蓝牙通讯（默认）②控制终端调试口③与其他设备进行串口通讯。但同一时间只能使用一种功能，应用于本例，需要关闭蓝牙通讯功能和控制台功能。

①设置Modbus_tk通讯协议：modbus_rtu，9600，8N1；

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

读取变频器起始地址为7000H的12个数据（此处是读1#变频器）存放在日志文件中；

③对日志文件进行分割，所谓分割，就是保留一部分记录，其余抛弃，本例每2秒保存一次，文件名为“pzw”。

④解析日志文件：下面是文件“pzw”中1#变频器的部分日志内容（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行是树莓派发送到变频器的读数据命令（读数据帧），第2行是变频器发送给树莓派的数据（读回应帧），第3行是数据（该行没有站号信息）。

分析前2行发现：①每条记录去掉头部日期时间后，第1个字符就是变频器的站号②含有变频器参数值的记录的字符数远大于其他记录，根据这2个特点，编制下述代码，作用是：对日志文件进行解析，最终得到代表变频器12个参数值的5个字符串：b1～b5，对其进一步处理就能得到具体的数据值。

withopen('pzw')asfile_object:

lines=file_object.readlines()#逐行读文件，存到表lines中

n=len(lines)#获取表的长度

foriinrange(n):

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

iflen(lines[i])>63and(lines[i])[0]=='1':#判断站号，判断是否是数据

abc1=lines[i]#存放到表abc1中

a1=abc1[7:]#截取表abc1第7项到末尾，保存到表a1

b1=a1.split('-')#以‘－’为分隔符将字符串分割为新的表

u0_00_1=str(float(int(b1[0])*256+int(b1[1]))/100)#变频器输出频率

self.l1_1.setText(u0_00_1+'Hz')#标签显示

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

u0_11_1=str((int(b1[22])*256+int(b1[23]))/4)#pt100左轴承温度

self.l7_1.setText(u0_11_1+'℃')

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

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

⑤主程序结构

“启动”“停车”等控制信号是非周期命令，读取变频器参数并对它进行处理是周期命令，为此，主程序采用主线程-子线程结构模式。流程见图3，2个计时器模块QTimter定时0.5秒，从而构成2秒左右一个循环的程序执行过程。

图3主流程图

3.2操作界面设计

图4树莓派端操作界面

污水处理装置可以在本地控制也可以远程桌面控制：本地操作界面如图4；远程操作界面如图5。win7系统远程访问Liunx系统下面的树莓派，需要安装xrdp和vncserver，并设置静态IP，然后进入远程桌面连接，用户名：pi，密码：raspberry。

图5远程电脑操作界面

3.3物联网应用开发

总体设计思路是：先把数据上传到阿里云服务器（ECS服务），然后在云服务器使用PHP程序语言和MySQL数据库来存储数据，最后作为客户端，在宁波建立物联网数据汇集中心。

把数据上传到阿里云，树莓派端要做（1）设置静态IP地址（2）搭建PHP网站服务器（3）编制程序(多线程后台运行)。

租用云服务器实现数据远程，无论对用户或厂家都有利：

①厂家可以随时随地监视远处离心机实际运行情况，对潜在故障及时作出预判，向用户提供有益的建议；②历史数据查看和历史故障查看功能，对故障定位和原因判定非常有用，可以减少用户停机时间，减少因停机给用户带来的各方面损失，有效避免双方因为对故障原因的认定产生异议而引起不必要的纠纷；③通过对大量数据的积累和分析，及时发现设计和制造缺陷，利于厂家进一步提高产品质量。

上述方案目前处于尝试阶段，有2个问题需要妥善处理：①有的用户耽心重要工艺参数外泄，有一种被人“偷窥”的感觉，持不欢迎态度②阿里云提供的Web服务页面服务，显示的数据表格不能直观反映整个系统运行状况，工程师希望提供类似监控画面的界面。

4.结论和展望

读取一台变频器数据耗时200ms，5台变频器需要1s，因此数据更新速率最少1.5s，要控制更多变频器，势必降低数据更新速率，操作时显得迟钝，降低实用价值。为此，可以考虑2台或几台树莓派协同运行，组成树莓派集群，解决控制规模问题。

树莓派借助modbus对变频器和接在变频器I/O口的外围设备进行通讯控制，如果该工程项目不包含变频器，则树莓派将发挥不了如此大的作用。这进一步说明树莓派应用于离心机电控系统是十分经济和合理的，既解决了数据上网问题，又大大降低了产品成本。应该指出，这种控制方案不仅仅适合于离心机电控，凡是有变频器的工程项目都值得借鉴。

树莓派在离心机行业的应用前景，可用图6来描述，来自全国乃至全球的离心机运行数据，通过云服务器，汇聚于宁波数据中心，工程师可以随时随地对设备进行监控，到那时运筹帷幄决胜千里变成现实。

图6离心机监控中心

参考文献

【1】张双驰：基于Modbus树莓派控制多台变频器的方法及应用实例，控制与传动，2018.4

【2】柯博文：树莓派（RaspberryPi）实战指南，清华大学出版社，2015.6