用Modbus協(xié)議實現(xiàn)DCS與PLC之間的串行通訊

1 引言

萬立氧空分裝置是2008年遼化公司20萬噸環(huán)氧乙烷/乙二醇改造的配套項目,該裝置儀控系統(tǒng)采用了先進的Honeywell PKS集散控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對整個裝置的各系統(tǒng)及主要設(shè)備的工藝參數(shù)的監(jiān)控,并實現(xiàn)各主要操作閥門、切換閥門的自動控制或遙控操作，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(tǒng)CM C控制器,為了有效的監(jiān)控氮壓機的運行參數(shù),我們利用Modbus協(xié)議實現(xiàn)了Honeywell PKS集散系統(tǒng)與Ingersoll—rand CM C可編程序控制器之間串行通訊。

2 Modbus協(xié)議簡介

Modbus是Modicon公司于1 979年提出的一種通信協(xié)議,經(jīng)過多年的實際應(yīng)用,已經(jīng)成為一種應(yīng)用于工業(yè) 控制器上的標準通信協(xié)議。有了它,不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，以及怎樣偵測錯誤并記錄，它制定了消 息域格局和內(nèi)容的公共格式[5]。當在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通 信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地 址,識別按地址發(fā)來的消息,決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng),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。控制器能直接或經(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(shè)備 (主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)。其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果 單獨通信，從設(shè)備返回消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要 發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤檢測域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要行動的域、任何要返回 的數(shù)據(jù)、和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立錯誤消息 并把它作為回應(yīng)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(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。用戶選擇想要的模式,包括串口信參數(shù)(波特率、校驗方式等),在配置每個控制器的時候,在一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。ASCII模式通信的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1秒而不產(chǎn)生錯誤。RTU模式通信的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下,可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

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。奇偶校驗對每個字符都可用，幀檢測(LRC或CRC)應(yīng)用 于整個消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設(shè)備產(chǎn)生的,從設(shè)備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。

用戶要給主設(shè)備配置一預(yù)先定義的超時時間間隔，這個時間間隔要足夠長，以使任何從設(shè)備都能作為 正常反應(yīng)。如果從設(shè)備測到一傳輸錯誤，消息將不會 接收，也不會向主設(shè)備作出回應(yīng)。這樣超時事件將觸 發(fā)主設(shè)備來處理錯誤。發(fā)往不存在的從設(shè)備的地址也 會產(chǎn)生超時。

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，用來管理氮壓機各種壓力的控制和監(jiān)控功能，以及控制輔 助設(shè)備，如主電機啟動器，潤滑油加熱器和預(yù)潤滑油泵。 其功能如下：

·多功能LED顯示屏顯示數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。

·完成多種性能控制：卸載，調(diào)制和自動一雙重工 作方式。

·先進的喘振監(jiān)測與控制。

·高電流限制，用于主驅(qū)動電機保護。

·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MODBUS協(xié)議與具有RS422/485端口的系列裝置通 信，以適應(yīng)遠程遙控和監(jiān)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(shè)備，設(shè)備地址設(shè)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(tǒng)的通訊功能

PKS系統(tǒng)是Honeywell公司推出的新一代DCS系 統(tǒng)，全稱為Experion Process Knowledge Solution System，它支持多種類型的控制器通訊，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“終端服務(wù)”(terminal sever)連接到網(wǎng)絡(luò)上。一個“終 端服務(wù)”允許多個控制器同時連接到網(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)”其實質(zhì)就是Modbos協(xié)議。我們利用“終端服務(wù)” 配置方式實現(xiàn)了Honeywell PKS集散系統(tǒng)與Ingersollrand CMC可編程序控制器之間串行通訊。如圖2所示。

4.1硬件說明

串行接口模件(SIM)是安裝在PKS系統(tǒng)標準卡槽上的雙寬度I/O模件，它的功能是實現(xiàn)通過FTA(現(xiàn)場端子 板)連接串行接口模件(SIM)的現(xiàn)場設(shè)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FTA通訊的兩個串口的雙向通訊接 口，它不存儲和保持任何現(xiàn)場I/O設(shè)備的組態(tài)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，它只在與它相連接的現(xiàn)場設(shè)備與控制器之間傳送數(shù)據(jù)參數(shù)。

F T A采用插接模件根據(jù)現(xiàn)場設(shè)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提供點對點RTU EIA一232(RS一232)或EIA一422/485(RS-422/485)多點通 訊接口。

·MU—TSIAl2 Allen—Bradley(A—B)型FTA提供一 個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(quán)所有，PLC-5等現(xiàn)場設(shè)備。

在此我們選用第一種產(chǎn)品

一個SIM卡可帶兩個FTA接線端子板(即FTA A， FTA B圖2)，由單獨電源模塊供電，每個FTA接線端子 板通過屏蔽雙絞通訊線與第三方設(shè)備連接。需要注意 各通訊設(shè)備以總線方式接入(即相互串連起來最后接人 FTA端子上)，當通訊距離超過1 00米或干擾很強時兩端 均應(yīng)加上120歐姆電阻，連接第三方通訊設(shè)備到FTA端 子的最大接線長度不應(yīng)超過300米，如超過300米應(yīng)采 用信號中繼器或放大器，每個FTA接線端子板最多可接 入的設(shè)備為1 5個。

4.2軟件說明

如圖3所示。PKS系統(tǒng)組態(tài)工具中提供一種SIM I/ O模件功能塊來實現(xiàn)將一個S I M組態(tài)并分配給一個控 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SIM和現(xiàn)場設(shè)備也建立了通訊關(guān)系，為了與現(xiàn)場設(shè)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(shù)值型量，包 括整數(shù)、浮點數(shù);

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)說明(以SlNUMARRCH功能塊為例)

(1)每個SIM卡有32個軟通道(Channel)，其中0～1 5通道與連接在FTA“A”板上的第三方設(shè)備的進行通訊，而16～31通道與通道與連接在FTA“B”板上的第三方設(shè)備的進行通訊。當只有1個FTA板時，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 型)有三種：

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

(3)組態(tài)

具體組態(tài)見圖4。

Serial Link Device Address：為設(shè)備地址，即 Modbus ID;

Starting Element Index：為接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址，此為第三方廠家提供的，是modbus通訊寄存器首地址，1個寄存器地址存儲一個1 6位二進制數(shù);

Number of Numeric Value：接收/發(fā)送的數(shù)據(jù) 的個數(shù)。

其中Starting Element Index的設(shè)置也包含了接收/ 發(fā)送數(shù)據(jù)的類型控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，這是通過其最高位的數(shù)字來識別的(如 圖4中的Starting Element Index設(shè)置為20020，其最高 位數(shù)字為2，表示接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)類型為可讀寫的3 2 位浮點數(shù))。

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

圖4中右側(cè)的Auxiliary Config Data的設(shè)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(jié)束語

目前，石油天然氣生產(chǎn)裝置中，普遍存在著DCS與 其他多個專用控制系統(tǒng)同時使用的情況，這些專用控制 系統(tǒng)包括PL C、數(shù)據(jù)采集器和各種智能儀表。若將多個 系統(tǒng)融合成一個整體，使所有監(jiān)視、控制都在D CS上進 行，就涉及D C S與其他專用控制系統(tǒng)的通訊問題。目前，Modbus協(xié)議是應(yīng)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(shù)(波特 率、校驗方式等)對各裝置的設(shè)置必須是相同的。