Conexão dos sensores KELLER ao MATLAB

1. Introdução

A KELLER fabrica sensores de alta precisão com saída digital, conectados a software proprietário para exibição e acúmulo de leituras. Freqüentemente, o usuário precisa integrar sensores em seus próprios sistemas de monitoramento e controle. Neste trabalho, usando o sensor de pressão de alta precisão PR-33X como exemplo, mostramos a conexão dos sensores KELLER ao ambiente integrado MATLAB, desenvolvido originalmente para a análise e síntese de sistemas de controle, que possui ferramentas poderosas para processar e exibir dados de sinais.

Breve especificação do transmissor de pressão KELLER PR 33X

Faixa de pressão padrão (VPI), bar 30
Precisão da medição da pressão, total (10 ... 40 ° C) 0,025% do VPI
Saída RS 485
Taxa de transmissão 9600 ou 115200
Tensão de alimentação (U) 8 ... 28 V
Vida útil 10 milhões de ciclos 0 ... 100% VPI

O transmissor de pressão também inclui um sensor de temperatura integrado.

Interface

Todos os produtos KELLER com um índice X possuem uma interface digital (RS485 half duplex) que suporta os protocolos MODBUS RTU e Keller Bus.

A conexão a um PC é realizada usando um conversor RS485-USB. Para melhor compatibilidade, a empresa recomenda o uso do conversor Keller K-114.

De software

Para configurar e registrar as leituras dos sensores, é usado o software CCS30 gratuito, cuja interface é mostrada na Figura 1.


Figura 1. Acúmulo e exibição de dados gráficos e tabulares pelo programa CCS30 [3].

Conexão com o PC

O sensor de pressão PR-33X foi conectado a um PC usando um conversor de porta USB USB para RS-232/422/485 MOXA USB, como mostra a Figura 2.


Figura 2. Diagrama de conexão do transmissor de pressão PR-33X a um PC e a uma fonte de alimentação de 12 V. Quando alimentado abaixo de 5,69 V (até 4,95 V), as leituras do sensor aumentam. Quando alimentado abaixo de 4,95V, os dados não são transmitidos (o sensor não funciona).

Após instalar o driver e conectar o conversor MOXA ao PC, a porta COM aparece na lista de gerenciadores de dispositivos e adaptador . Na guia (Figura 3) do último dispositivo da nossa versão, a interface RS-485 com um esquema de conexão de dois fios é selecionada.


Figura 3. Configurando o conversor MOXA na interface RS-485 2W.

Formatos de transmissão

A troca de dados entre o computador (dispositivo de controle) e o sensor (dispositivo escravo) é realizada de acordo com as mensagens do protocolo Modbus contendo os seguintes campos [2].



Primeiro, o computador envia uma mensagem de solicitação ao sensor, em seguida, o sensor em resposta envia sua própria mensagem com sua própria soma de verificação quando a ação solicitada é bem-sucedida ou envia uma função com o código 1 se ocorrer um erro (função inválida ou endereço de dados, etc.).

A resposta (resposta) do sensor é emitida somente após o recebimento de uma solicitação do dispositivo de controle.

A mensagem enviada ao sensor contém um dos seguintes códigos de função.




Figura 4. Formato das mensagens transmitidas e recebidas de acordo com o padrão Modbus RTU [1].

Endereços dos registros de sensores usados ​​PR-33X

Exemplos de mensagens Modbus (leitura do sensor integrado de pressão e temperatura) [2]

Converter leituras do sensor para o formato de ponto flutuante IEEE754

O procedimento recomendado para converter os quatro bytes recebidos das leituras do sensor em um número de ponto flutuante é mostrado na Figura 5. O exemplo usa os dados [2] mostrados na tabela acima.


Figura 5. Regras para converter leituras de sensor de quatro bytes em um número de ponto flutuante.

Programa MATLAB para leitura e exibição de sensores de pressão e temperatura PR-33X

O programa de leitura e exibição do sensor PR-33X inclui um módulo principal e três sub-rotinas. O conversor opera em 115200 baud. Os dados de pressão e temperatura são lidos mediante solicitação.

Os dados de entrada do programa são o endereço da porta COM do seu dispositivo (Com_Port = variável) e o endereço do seu conversor. Se apenas um conversor estiver conectado, como regra geral, Device_Addr = 1.

O número de leituras é definido pela constante Loop (no exemplo, Loop = 1000;).

O módulo principal:

clear all; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Input data %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Com_Port = 'COM9'; Device_Addr = 1; % Address of Sensor, 8 bit: 1..255 Function = 3; % 3 or 4 is read; Pr_Rg_Addr = 2; % First address of two pressure data registers (4 bytes) Temp_Rg_Addr = 8; % First address of two temperature data registers Address_Range = 2; % Range of data address %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % End of Input data %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Make COM port connection s=serial(Com_Port,'Baudrate',115200); % 9600 115200 fopen (s); pause(0.1); Loop = 1000; pr(1:Loop) = 0; temp(1:Loop) = 0; for i = 1:Loop %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Read pressure %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% RTU_request = RTU_code(Device_Addr,Function,Pr_Rg_Addr,Address_Range); fwrite(s, RTU_request); %pause(0.01); % >=0.001s for PR-33X, for 115200 Baudrate while ~(get(s,'BytesAvailable')>8) end BytesAvailable = get(s,'BytesAvailable'); Rx = fread(s,BytesAvailable)'; pr(i) = sensorOUT_to_float(Rx); % in bar %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Read temperature %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% RTU_request = RTU_code(Device_Addr,Function,Temp_Rg_Addr,Address_Range); fwrite(s, RTU_request); while ~(get(s,'BytesAvailable')>8) end BytesAvailable = get(s,'BytesAvailable'); % if BytesAvailable > 0 Rx = fread(s,BytesAvailable)'; temp(i) = sensorOUT_to_float(Rx); % in bar end % Close COM port fclose (s); delete (s); figure (3) clf('reset'); % Clear current figure window [AX,H1,H2] = plotyy (1:length(pr),pr,1:length(temp),temp); hold(AX(1)); hold(AX(2)); set(H1,'LineWidth',2); grid(AX(2),'on'); xlabel('Sampling, num'); % Y1_max = max(get(AX(1),'ytick')); % set(AX(1),'ytick',[0:Y1_max/10:Y1_max]); % set(AX(2),'ytick',[0:0.2:2]); set(get(AX(1),'Ylabel'),'String',', '); set(get(AX(2),'Ylabel'),'String',', . '); title(sprintf('   ')); % End of m file 

Rotina de geração de solicitação Modbus RTU

 function RTU_request = RTU_code(Device_Addr,Function,Data_First_Address,Address_Range) % Device_Addr == Device Address 8 bit: 1..255 % Function == % 3 or 4 is read; 6 is write in one register; 16 - write in two registers, % Data_First_Address == Address of first register data (2 bytes) % Addrress_Range == Range of Addreses; % Data_First_Address_Bytes = [floor(Data_First_Address/256) rem(Data_First_Address,256)]; Address_Range_Bytes = [floor(Address_Range/256) rem(Address_Range,256)]; % Master's Tx data without Check sum Code = [Device_Addr Function Data_First_Address_Bytes Address_Range_Bytes]; Code_Char = dec2hex(Code); if size(Code_Char,2)==1 Code_Char(:,2)=Code_Char(:,1); Code_Char(:,1)='0'; end Code_Char_line = []; for I = 1:length(Code) Code_Char_line = [Code_Char_line Code_Char(I,1:2)]; end % Check sum calculation Check_Sum = crc_calculator(Code_Char_line); % Master's Tx data with Check sum RTU_request = [Code hex2dec(Check_Sum(1:2)) hex2dec(Check_Sum(3:4))]; % End of m file 

Rotina de cálculo da soma de verificação da sequência Modbus RTU

 function output_hex_string = crc_calculator (Input_hex); %Input_hex = 'F70302640008'; % <= 2 * 16 Char F = [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]; xor_constant = [1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]; for i = 1 : length (Input_hex) / 2; A = [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]; if ~(i > length (Input_hex)/2) A_hex = Input_hex ((i-1)*2+1:i*2); % Two HEX bytes A_bin = dec2bin (hex2dec (A_hex)); length_A_bin = length (A_bin); for j = 0 : length_A_bin - 1 A (16 - j) = str2num(A_bin (length_A_bin - j)); end end F = xor (F,A); for ii = 1 : 8 if F(16) ==1 if xor_constant (1) == 0 F_shift (1) = 0; else F_shift (1) = 1; end for j = 2 : 16; if xor_constant (j) == F (j-1); F_shift (j) = 0; else F_shift (j) = 1; end end else F_shift = circshift(F',1)'; end F = F_shift; end end h = num2str(F); h = h(1:3:length(h)); output_hex_string = num2str([dec2hex(bin2dec(h(9:12))) dec2hex(bin2dec(h(13:16))) dec2hex(bin2dec(h(1:4))) dec2hex(bin2dec(h(5:8)))]); % End of m file 

Sub-rotina para converter quatro bytes das leituras do sensor em um número de ponto flutuante

 % Transmission Sensor's output bytes to float value function val = sensorOUT_to_float(Rx) B(1) = Rx(4); B(2) = Rx(5); B(3) = Rx(6); B(4) = Rx(7); %1 bit of sign + 8 bits of exponent + 23 bits of mantis ( = 32 bits or 4x8 bytes) v_res = []; for i = 1:4 v_bit = dec2bin(B(i)); if length(v_bit)<8 % add zeros to get 8 bits for j = 1:(8-length(v_bit)) v_bit = ['0' v_bit]; end end v_res = [v_res v_bit]; end % Checking % v_res = ['0' '10000010' '01010010000001011011110'] == 10.5631999969482421875  s_mnt = bin2dec(v_res(1)); %sign of mantis E = bin2dec(v_res(2:9)); %exponent M = bin2dec(v_res(10:32)); % mantis if s_mnt==0 val = (1+M/8388608)*2^(E-127); % 8388608 = 2^23 else val = -(1+M/8388608)*2^(E-127); end % End of m file 

Exemplos de gráficos de pressão e temperatura PR-33X lidos pelo programa acima são mostrados na Figura 6.


Figura 6. A saída do conversor PR-33X recebida pelo programa desenvolvido no MATLAB. O programa lê 1000 leituras de pressão a 115200 baud em 9 segundos. O programa lê 1000 leituras de pressão e 1000 leituras de temperatura (separadamente) a 115200 baud em 17 segundos.

Programa MATLAB comutação da velocidade de transferência de dados do conversor

Para mudar para uma nova frequência, é necessário no programa definir o endereço da porta COM do seu dispositivo (Com_Port = variável) e a frequência necessária do conversor (BR_Rate = 9600; ou BR_Rate = 115200;)

ATENÇÃO Para mudar para uma nova frequência de transmissão de dados após definir o bit zero do registro do conversor UART, é necessário DESLIGAR (desenergizar) e depois LIGAR novamente o conversor.

 %      (9600  115200 )    UART   -  clear all; % Input data Com_Port = 'COM9'; BR_Rate = 115200; % 9600 or 115200 % End of Input data % Device_Addr = 1; % Address of Sensor, 8 bit: 1..255 % Function = 6; % Write; % UART_Rg_Addr = 512; % First address of UART Rg (2 bytes) % Data = 0 0; % Rate 9600 bod % Data = 0 1; % Rate 115200 bod % RTU_request = [Device_Addr Function UART_Rg_Addr Data Check_sum] % RTU_request = [ 1 6 2 0 0 0 136 114]; % 9600 bod request in hex % RTU_request = [ 1 6 2 0 0 1 73 178]; % 115200 bod request in hex if BR_Rate == 9600 % 115200 s=serial(Com_Port,'Baudrate',115200); fopen (s); pause(0.1); RTU_request =[ 1 6 2 0 0 0 136 114]; else s=serial(Com_Port,'Baudrate',9600); fopen (s); pause(0.1); RTU_request = [ 1 6 2 0 0 1 73 178]; end fwrite(s, RTU_request); pause(0.004); % >=0.001s for PR-33X, for 115200 Baudrate BytesAvailable = get(s,'BytesAvailable'); if BytesAvailable > 0 Rx = fread(s,BytesAvailable)' end % close COM port fclose (s); delete (s); % End of m file 

Lista bibliográfica

1. Dr. Bob Davidov. Comunicação com dispositivos de rede industrial. portalnp.ru/wp-content/uploads/2013/08/12.02_Discrete-IO-unit_-MK110-_RS-485-ModBus-RTU-_-ASCII-DCON-OVEN__Ed3.pdf
2. Descrição dos protocolos de comunicação. Para transmissores de pressão KELLER das séries 30 e 40. Class.Group = 5.20 Class.Group = 5.21. Versão 3.2 (em russo). www.izmerkon.ru .
3. Control Center Series 30. Guia do Usuário. Para o CCS30 Versão 1.1. www.izmerkon.ru
4. Dr. Bob Davidov. Tecnologias de controle de computador em sistemas técnicos portalnp.ru/author/bobdavidov