用Modbus協(xié)議實(shí)現DCS與PLC之間的串行通訊

1 引言

萬(wàn)立氧空分裝置是2008年遼化公司20萬(wàn)噸環(huán)氧乙烷/乙二醇改造的配套項目,該裝置儀控系統采用了先進(jìn)的Honeywell PKS集散控制系統來(lái)實(shí)現對整個(gè)裝置的各系統及主要設備的工藝參數的監控,并實(shí)現各主要操作閥門(mén)、切換閥門(mén)的自動(dòng)控制或遙控操作，以及必要 的聯(lián)鎖保護措施。氮壓機選用Ingersoll—rand的CENTAC 3C70MX5N2型壓縮機,該壓縮機配置獨立的控制系統CM C控制器,為了有效的監控氮壓機的運行參數,我們利用Modbus協(xié)議實(shí)現了Honeywell PKS集散系統與Ingersoll—rand CM C可編程序控制器之間串行通訊。

2 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus是Modicon公司于1 979年提出的一種通信協(xié)議,經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際應用,已經(jīng)成為一種應用于工業(yè) 控制器上的標準通信協(xié)議。有了它,不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò ),進(jìn)行集中監控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信的。它描述了控制器請求訪(fǎng)問(wèn)其它設備的過(guò)程，以及怎樣偵測錯誤并記錄，它制定了消 息域格局和內容的公共格式[5]。當在Modbus網(wǎng)絡(luò )上通 信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設備地 址,識別按地址發(fā)來(lái)的消息,決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應,控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。標準的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口,它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由MOdem組網(wǎng)。

2.1 Modbus報文

如圖1所示,Modbus通信使用主從技術(shù),即僅設備 (主設備)能初始化傳輸(查詢(xún))。其它設備(從設備)根據主設備查詢(xún)提供的數據作出相應反應。主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果 單獨通信，從設備返回消息作為回應，如果是以廣播方式查詢(xún)的，則不作任何回應。Modbus協(xié)議建立主設備查詢(xún)的格式：設備(或廣播)地址、功能代碼、所有要 發(fā)送的數據、錯誤檢測域。從設備回應消息也由Modbus協(xié)議構成，包括確認要行動(dòng)的域、任何要返回 的數據、和錯誤檢測域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生錯誤，或從設備不能執行其命令，從設備將建立錯誤消息 并把它作為回應發(fā)送出去。

2.2 Modbus傳輸I方式

Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式ASCII(美國標準信息交換代碼)或RTU(遠程終端單元)。它定義了在這些網(wǎng)絡(luò )上連續傳輸的消息段的每一位,以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。用戶(hù)選擇想要的模式,包括串口信參數(波特率、校驗方式等),在配置每個(gè)控制器的時(shí)候,在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò )上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。ASCII模式通信的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達到1秒而不產(chǎn)生錯誤。RTU模式通信的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下,可比ASCII方式傳送更多的數據。

2.3錯誤檢測方法

標準的Modbus串行網(wǎng)絡(luò )采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個(gè)字符都可用，幀檢測(LRC或CRC)應用 于整個(gè)消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設備產(chǎn)生的,從設備在接收過(guò)程中檢測每個(gè)字符和整個(gè)消息幀。

用戶(hù)要給主設備配置一預先定義的超時(shí)時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔要足夠長(cháng)，以使任何從設備都能作為 正常反應。如果從設備測到一傳輸錯誤，消息將不會(huì ) 接收，也不會(huì )向主設備作出回應。這樣超時(shí)事件將觸 發(fā)主設備來(lái)處理錯誤。發(fā)往不存在的從設備的地址也 會(huì )產(chǎn)生超時(shí)。

3 CMC控制器

CM C控制器是Ingersoll—rand CENTA C 3C70MX5N2型壓縮機隨機配置的可編程序控制器，用來(lái)管理氮壓機各種壓力的控制和監控功能，以及控制輔 助設備，如主電機啟動(dòng)器，潤滑油加熱器和預潤滑油泵。 其功能如下：

·多功能LED顯示屏顯示數據和工作狀態(tài)。

·完成多種性能控制：卸載，調制和自動(dòng)一雙重工 作方式。

·先進(jìn)的喘振監測與控制。

·高電流限制，用于主驅動(dòng)電機保護。

·快速指示和事件紀錄，有助于確定壓縮機跳閘的 根本原因。

CM C控制器提供RS422/RS485串行通訊接口，通 過(guò)MODBUS協(xié)議與具有RS422/485端口的系列裝置通 信，以適應遠程遙控和監控的需要。

利用MOdbus協(xié)議www.cechina.cn，我們采用RTU通訊模式，把 CM C控制器作為從設備，設備地址設置為2，通訊波特 率為9600，校驗方式為奇校驗，通訊方式為全雙工。

4 PKS系統的通訊功能

PKS系統是Honeywell公司推出的新一代DCS系 統，全稱(chēng)為Experion Process Knowledge Solution System，它支持多種類(lèi)型的控制器通訊，例如Modicon PLCS，Honeywell 9000系列和Alien—Bradley，并可以靈 活的采用多種連接方式。如果控制器本身帶網(wǎng)絡(luò )接口，可以直接連接到網(wǎng)絡(luò )上，如果控制器帶有串口，可以通 過(guò)“終端服務(wù)”(terminal sever)連接到網(wǎng)絡(luò )上。一個(gè)“終 端服務(wù)”允許多個(gè)控制器同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò )上，并提供多種的連接接口RS一232，RS-422，RS一485。所謂“終端 服務(wù)”其實(shí)質(zhì)就是Modbos協(xié)議。我們利用“終端服務(wù)” 配置方式實(shí)現了Honeywell PKS集散系統與Ingersollrand CMC可編程序控制器之間串行通訊。如圖2所示。

4.1硬件說(shuō)明

串行接口模件(SIM)是安裝在PKS系統標準卡槽上的雙寬度I/O模件，它的功能是實(shí)現通過(guò)FTA(現場(chǎng)端子 板)連接串行接口模件(SIM)的現場(chǎng)設備與PKS控制器之間通訊的橋梁。串行接口模件可以提供與單FTA電源 適配器連接的兩個(gè)FTA通訊的兩個(gè)串口的雙向通訊接 口，它不存儲和保持任何現場(chǎng)I/O設備的組態(tài)數據和實(shí)時(shí)數據，它只在與它相連接的現場(chǎng)設備與控制器之間傳送數據參數。

F T A采用插接模件根據現場(chǎng)設備的需要選用指定的串行接口，共有兩種標準的FTA產(chǎn)品。

·MU—TSIMl2 Modbus型FTA提供點(diǎn)對點(diǎn)RTU EIA一232(RS一232)或EIA一422/485(RS-422/485)多點(diǎn)通 訊接口。

·MU—TSIAl2 Allen—Bradley(A—B)型FTA提供一 個(gè)EIA一232(RS-232)通訊接口用于DF 1通訊協(xié)議的A— BPLC-2，PLC-3CONTROL ENGINEERING China版權所有，PLC-5等現場(chǎng)設備。

在此我們選用第一種產(chǎn)品

一個(gè)SIM卡可帶兩個(gè)FTA接線(xiàn)端子板(即FTA A， FTA B圖2)，由單獨電源模塊供電，每個(gè)FTA接線(xiàn)端子 板通過(guò)屏蔽雙絞通訊線(xiàn)與第三方設備連接。需要注意 各通訊設備以總線(xiàn)方式接入(即相互串連起來(lái)最后接人 FTA端子上)，當通訊距離超過(guò)1 00米或干擾很強時(shí)兩端 均應加上120歐姆電阻，連接第三方通訊設備到FTA端 子的最大接線(xiàn)長(cháng)度不應超過(guò)300米，如超過(guò)300米應采 用信號中繼器或放大器，每個(gè)FTA接線(xiàn)端子板最多可接 入的設備為1 5個(gè)。

4.2軟件說(shuō)明

如圖3所示。PKS系統組態(tài)工具中提供一種SIM I/ O模件功能塊來(lái)實(shí)現將一個(gè)S I M組態(tài)并分配給一個(gè)控 制器。當SIM功能塊一旦指派并下裝到指定的控制器， SIM和控制器之間便可以建立通訊關(guān)系，但這并不意味 著(zhù)SIM和現場(chǎng)設備也建立了通訊關(guān)系，為了與現場(chǎng)設備 建立起通訊關(guān)系必須還要組態(tài)、指派下裝串行接口通道陣列功能塊(SI)到CM(控制模件)。SI陣列通道功能塊有三種：

Numeric(SINUMARRCH)：接收/發(fā)送數值型量，包 括整數、浮點(diǎn)數;

Flag(SIFLAGARRCH)：接收/發(fā)送布爾量，即標志位;

Text(SITEXTARRCH)：接收/發(fā)送字符型量。

4.3組態(tài)說(shuō)明(以SlNUMARRCH功能塊為例)

(1)每個(gè)SIM卡有32個(gè)軟通道(Channel)，其中0～1 5通道與連接在FTA“A”板上的第三方設備的進(jìn)行通訊，而16～31通道與通道與連接在FTA“B”板上的第三方設備的進(jìn)行通訊。當只有1個(gè)FTA板時(shí)，那么這塊FTA板必須配置成FTA“A”使用(即按1圖將FTA 接到Power Adapter的“ChannelA”上)，且只能使用 0～1 5通道。

(2) Control Builder中SI通訊功能塊(軟通道類(lèi) 型)有三種：

對于一個(gè)“SINUMARR CH”功能塊(即一個(gè)軟通道)，可接收/發(fā)送最多16個(gè)32位浮點(diǎn)數或32個(gè)16位 整型數。

(3)組態(tài)

具體組態(tài)見(jiàn)圖4。

Serial Link Device Address：為設備地址，即 Modbus ID;

Starting Element Index：為接收/發(fā)送數據的起始地址，此為第三方廠(chǎng)家提供的，是modbus通訊寄存器首地址，1個(gè)寄存器地址存儲一個(gè)1 6位二進(jìn)制數;

Number of Numeric Value：接收/發(fā)送的數據 的個(gè)數。

其中Starting Element Index的設置也包含了接收/ 發(fā)送數據的類(lèi)型控制工程網(wǎng)版權所有，這是通過(guò)其最高位的數字來(lái)識別的(如 圖4中的Starting Element Index設置為20020，其最高 位數字為2，表示接收/發(fā)送的數據類(lèi)型為可讀寫(xiě)的3 2 位浮點(diǎn)數)。

這里需要注意的是一個(gè)S I N U M A R R C H塊 (SIFLAGARRCH或SITEXTARRCH)只能設置為一種數 據類(lèi)型，且接收/發(fā)送數據的地址必須是連續的。故 Number。of Numeric Value這一項設置的值是從起始 地址開(kāi)始連續存儲的數據的個(gè)數;如果第三方設備發(fā) 送/接收數據的Modbus存儲地址是放在不連續的幾個(gè) 地址段上，那么就必須用多個(gè)SINUMARRCH塊來(lái)接收 不同地址段的數據。

圖4中右側的Auxiliary Config Data的設置，僅需要配置第3和4行即可，如圖4中紅圈所示(圖4紅圈中 配置表示采用串行485通訊方式、通訊波特率為9600、 校驗方式為奇校驗)。

5 結束語(yǔ)

目前，石油天然氣生產(chǎn)裝置中，普遍存在著(zhù)DCS與 其他多個(gè)專(zhuān)用控制系統同時(shí)使用的情況，這些專(zhuān)用控制 系統包括PL C、數據采集器和各種智能儀表。若將多個(gè) 系統融合成一個(gè)整體，使所有監視、控制都在D CS上進(jìn) 行，就涉及D C S與其他專(zhuān)用控制系統的通訊問(wèn)題。目前，Modbus協(xié)議是應用最為廣泛的一種形式，需特別注 意的是：在MOdbuS網(wǎng)絡(luò )上傳輸方式和串行參數(波特 率、校驗方式等)對各裝置的設置必須是相同的。