MODBUS的應用分析

　　圖3：對等網(wǎng)連接模式。在某些案例當中，控制系統不能處理MODBUS信號。在這種情況下，可以采用使用雙重NCS設備的對等網(wǎng)解決方案，僅用一根MODBUS電纜就可以替代所有的控制室直連電纜。來(lái)自第二個(gè)NCS的模擬量輸出再通過(guò)硬接線(xiàn)直接連接到控制系統的I/O盤(pán)。

　　連接MODBUS設備

　　最容易的一種把現場(chǎng)設備連接到一個(gè)過(guò)程控制系統、PLC或是工業(yè)計算機系統的方法，就是簡(jiǎn)單的把數字量以及模擬量I/O連接到一個(gè)具有MODBUS通訊能力的分散I/O系統里面。例如來(lái)自Moore Industries公司的NCS(Net Concentrator System)系統允許用戶(hù)對模擬量和數字量信號進(jìn)行遠程連接，然后再通過(guò)雙絞線(xiàn)連接到一個(gè)MODBUS主設備。多個(gè)NCS系統可以安裝在全廠(chǎng)的幾個(gè)不同的地點(diǎn)，都通過(guò)MODBUS進(jìn)行連接(參見(jiàn)圖2)。

　　這個(gè)解決方案即適合于新的工廠(chǎng)，也適用于現存的工廠(chǎng)。在許多現有的工廠(chǎng)里面，現場(chǎng)儀表設備通常是采用多芯電纜連接到DCS或者PLC系統的，每個(gè)設備都通過(guò)單獨的對絞電纜把模擬信號傳送出去。采用NCS系統，只需要這些電纜中的一個(gè)用來(lái)傳送MODBUS信號就可以了。假如工廠(chǎng)想要增加額外的現場(chǎng)儀表設備，卻不想安裝更多電纜(電纜安裝費用通常為每英尺100美元)的時(shí)候，這種解決方案就特別有用。一套分散I/O系統就可以滿(mǎn)足所有現存儀表I/O的需要，或者僅僅用它來(lái)傳送來(lái)自于所有新增現場(chǎng)儀表設備的數據。

　　在有些案例當中，控制系統不能處理MODBUS的信號。例如現有的控制系統有可能是為處理4到20毫安模擬量I/O和直接接線(xiàn)的數字量I/O而定制的，并且為現有的老系統進(jìn)行重新編程使其支持MODBUS也非常困難。通常，用戶(hù)一般并不傾向于通過(guò)鋪設新電纜或是購買(mǎi)昂貴的MODBUS接口卡件來(lái)將新增加的遠程信號接入到系統中，因為對MODBUS接口卡件進(jìn)行重新編程費用很高。在這種情況下，一種對等網(wǎng)絡(luò )方案(peer to peer)可以很好的解決問(wèn)題。例如來(lái)自Moore Industries公司的CCS(Cable Concentrator System)和NCS(Net Concentrator System)系統就都具備對等網(wǎng)絡(luò )通訊能力。

　　NCS和CCS系統與一套分散I/O模件十分相似，但是具有更強的內建智能。并且NCS和CCS系統既可以被設置成對等網(wǎng)絡(luò )模式，也可以被設置成主從網(wǎng)絡(luò )(peer to host)模式。

　　使用一套對等網(wǎng)絡(luò )模式的NCS系統(參見(jiàn)圖3)，配置了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )集中器;一個(gè)安裝在現場(chǎng)，另一個(gè)安裝在控制室?，F場(chǎng)儀表被連接到遠程的那個(gè)NCS。這個(gè)遠程NCS與控制室里的NCS之間通過(guò)一根雙絞線(xiàn)進(jìn)行連接。然后控制室NCS的輸出再通過(guò)硬接線(xiàn)接入現有控制系統的模擬I/O盤(pán)。采用這種方法，來(lái)自新增現場(chǎng)變送器的模擬信號就能夠以原來(lái)模擬信號的狀態(tài)通過(guò)工廠(chǎng)現有的模擬I/O卡件接入控制系統。這使得新增信號帶來(lái)的編程和調試工作與新增數字接口卡件相比大大減少。這種對等網(wǎng)絡(luò )解決方案也能夠滿(mǎn)足雙向式通訊的要求，在這種情況下系統的現場(chǎng)側和控制室一側都可以有輸入和輸出能力。

　　HART借助MODBUS

　　老式工廠(chǎng)面臨的另一個(gè)挑戰是找出一種便宜而又方便的方法來(lái)發(fā)揮已經(jīng)安裝的和“將要安裝的”HART智能儀表的優(yōu)勢。HART的意思是可尋址遠程傳感器高速通道。HART是一種數字化協(xié)議，其設計初衷是使變送器能夠通過(guò)傳統工廠(chǎng)安裝的銅質(zhì)對絞線(xiàn)在傳送

　　一路模擬信號的同時(shí)傳送數字化的數據。這使用戶(hù)能夠通過(guò)在這根對絞線(xiàn)上任何一點(diǎn)的連接對變送器進(jìn)行遠程或是本地的組態(tài)、測試以及診斷。HART從設備既可以采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式連接，也可以采用多分支網(wǎng)絡(luò )的方式進(jìn)行連接。點(diǎn)對點(diǎn)連接是最常見(jiàn)的HART連接方式，在這種方式下HART變送器通過(guò)改變模擬回路上的電流來(lái)表征所需要的過(guò)程變量。當然，只監視數字化的HART數據也是可以的;不過(guò)在點(diǎn)對點(diǎn)的運行模式下，很少有人這么做。在HART變送器控制電流的同時(shí)，它還能夠通過(guò)HART數據流發(fā)送多種數字化的信息包。過(guò)程變量數據和數字化信息數據都可以被HART從設備或是變送器傳送。這些數據可以被用來(lái)監視儀表的完好情況或是被過(guò)程控制系統或者資產(chǎn)管理系統用來(lái)優(yōu)化過(guò)程，幫助實(shí)現更加嚴密的控制或者防止意外的過(guò)程波動(dòng)。在某些情況下，現有工廠(chǎng)可能有數以百計具有HART能力的儀表。不幸的是，由于種種原因許多工廠(chǎng)從來(lái)不開(kāi)發(fā)這些HART儀表的潛在能力。

　　在目前資產(chǎn)管理系統、遠程診斷系統和先進(jìn)控制獲得廣泛應用的環(huán)境下，許多工廠(chǎng)都希望能夠把HART儀表的數字化信息提取出來(lái)，但是他們的控制系統和現存的接線(xiàn)方式無(wú)法支持這種要求。這些控制系統可能無(wú)法從數字信號里面提取HART數據，或是這些控制系統僅僅想要看到硬接線(xiàn)的數字量和模擬量I/O信號。一臺HART儀表可以通過(guò)HART信號發(fā)送多達四個(gè)過(guò)程變量：PV(第一變量)、SV(第二變量)、TV(第三變量)、FV(第四變量)。另外還有各種比特和字節的狀態(tài)數據也可以被HART信號所傳送。但是，如果控制系統不能夠從數字化的HART信號里面讀取這些額外的過(guò)程變量數據或是任何其它診斷信息和狀態(tài)信息，那么這些數據就被白白浪費了。

　　用戶(hù)當然也可以選擇利用這些HART數據，即使對現有工廠(chǎng)里的老式系統也是如此。有些DCS公司能夠提供新型的升級版本的模擬量I/O卡板，這種卡板有能力“辨認出”這些HART數據。不過(guò)這樣的卡板通常會(huì )比傳統的模擬量I/O卡板昂貴三到五倍。此外還有一些HART信號混合單元可以安裝在現有的模擬量I/O回路里面，這種接口單元具備RS422和RS485輸出端口，可以被連接到資產(chǎn)管理系統或者DCSes系統。當然，這類(lèi)HART信號混合單元的價(jià)格也是令人望而卻步的。另一個(gè)選擇項就是使用一種HART到MODBUS的轉換器，就像來(lái)自Moore Industries公司的HIM(HART信號接口模件)，這是一種效費比較高而且具有靈活性的解決方案，它能夠以合理的價(jià)格選擇性的監視僅僅少數回路或者很多回路。

　　采用一個(gè)支持MODBUS RTU通訊的HART接口模件，就能夠簡(jiǎn)單而且便宜的把所有HART數據都采集到控制系統里面(參見(jiàn)圖4)。這種HIM是智能化的設備，它即可以作為HART主站在前端運行，同時(shí)又可以作為MODBUS RTU的從設備在后端運行。HIM可以從變送器的模擬量信號里面提取出所有HART數據，卻不會(huì )影響或者干擾連接到控制系統去的4到20毫安信號。HIM還可以提供一個(gè)液晶顯示窗口、三路4到20毫安信號、兩個(gè)繼電器輸出和一個(gè)可選的雙路MODBUS RTU輸出。當用戶(hù)使用MODBUS選擇項的時(shí)候，HART數據被數字化的映射在HIM的MODBUS存儲器映射里面，然后作為MODBUS RTU主站的PLC或者DCS就可以從這個(gè)存儲器映射得到需要的數據了。將多個(gè)HIM采用多分支網(wǎng)絡(luò )方式連接起來(lái)并通過(guò)RS485接口傳送HART數據，這種架構從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)幾乎就是一個(gè)小規模的資產(chǎn)管理系統，而費用卻只有其幾分之一。

　　無(wú)線(xiàn)MODBUS

　　一個(gè)MODBUS網(wǎng)絡(luò )可以相當容易的設置成通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接進(jìn)行工作(參見(jiàn)圖5)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，任何無(wú)線(xiàn)連接所作的都只不過(guò)是用布置在網(wǎng)絡(luò )各端的發(fā)射器/接收器來(lái)替代雙絞線(xiàn)電纜而已。很多無(wú)線(xiàn)電臺的制造商都支持MODBUS協(xié)議。但是由于無(wú)線(xiàn)電臺和調制解調器使用了一些加密和時(shí)間延遲方案，所以有一點(diǎn)非常重要：在你假定某些無(wú)線(xiàn)設備支持MODBUS協(xié)議之前，務(wù)必要先咨詢(xún)這些無(wú)線(xiàn)設備的供應商。

　　圖4：一個(gè)HART接口模件(HIM)從HART信號里面提取數字化數據并且把它存儲在自身的MODBUS存儲器映射里面，這樣任何MODBUS主設備就都可以讀取這些數據了。原始的4-20mA信號仍舊象以前一樣被連接到控制系統。

　　圖5：一臺無(wú)線(xiàn)接口(例如來(lái)自于Moore Industries公司的無(wú)線(xiàn)連接模件)使用RF連接代替了雙絞線(xiàn)。