MODBUS在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　圖3：對等網(wǎng)連接模式。在某些案例當(dāng)中，控制系統(tǒng)不能處理MODBUS信號。在這種情況下，可以采用使用雙重NCS設(shè)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。來自第二個NCS的模擬量輸出再通過硬接線直接連接到控制系統(tǒng)的I/O盤。

　　連接MODBUS設(shè)備

　　最容易的一種把現(xiàn)場設(shè)備連接到一個過程控制系統(tǒng)、PLC或是工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)的方法，就是簡單的把數(shù)字量以及模擬量I/O連接到一個具有MODBUS通訊能力的分散I/O系統(tǒng)里面。例如來自Moore Industries公司的NCS(Net Concentrator System)系統(tǒng)允許用戶對模擬量和數(shù)字量信號進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，然后再通過雙絞線連接到一個MODBUS主設(shè)備。多個NCS系統(tǒng)可以安裝在全廠的幾個不同的地點(diǎn)，都通過MODBUS進(jìn)行連接(參見圖2)。

　　這個解決方案即適合于新的工廠，也適用于現(xiàn)存的工廠。在許多現(xiàn)有的工廠里面，現(xiàn)場儀表設(shè)備通常是采用多芯電纜連接到DCS或者PLC系統(tǒng)的，每個設(shè)備都通過單獨(dú)的對絞電纜把模擬信號傳送出去。采用NCS系統(tǒng)，只需要這些電纜中的一個用來傳送MODBUS信號就可以了。假如工廠想要增加額外的現(xiàn)場儀表設(shè)備，卻不想安裝更多電纜(電纜安裝費(fèi)用通常為每英尺100美元)的時候，這種解決方案就特別有用。一套分散I/O系統(tǒng)就可以滿足所有現(xiàn)存儀表I/O的需要，或者僅僅用它來傳送來自于所有新增現(xiàn)場儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)。

　　在有些案例當(dāng)中，控制系統(tǒng)不能處理MODBUS的信號。例如現(xiàn)有的控制系統(tǒng)有可能是為處理4到20毫安模擬量I/O和直接接線的數(shù)字量I/O而定制的，并且為現(xiàn)有的老系統(tǒng)進(jìn)行重新編程使其支持MODBUS也非常困難。通常，用戶一般并不傾向于通過鋪設(shè)新電纜或是購買昂貴的MODBUS接口卡件來將新增加的遠(yuǎn)程信號接入到系統(tǒng)中，因為對MODBUS接口卡件進(jìn)行重新編程費(fèi)用很高。在這種情況下，一種對等網(wǎng)絡(luò)方案(peer to peer)可以很好的解決問題。例如來自Moore Industries公司的CCS(Cable Concentrator System)和NCS(Net Concentrator System)系統(tǒng)就都具備對等網(wǎng)絡(luò)通訊能力。

　　NCS和CCS系統(tǒng)與一套分散I/O模件十分相似，但是具有更強(qiáng)的內(nèi)建智能。并且NCS和CCS系統(tǒng)既可以被設(shè)置成對等網(wǎng)絡(luò)模式，也可以被設(shè)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(tǒng)(參見圖3)，配置了兩個網(wǎng)絡(luò)集中器;一個安裝在現(xiàn)場，另一個安裝在控制室?，F(xiàn)場儀表被連接到遠(yuǎn)程的那個NCS。這個遠(yuǎn)程N(yùn)CS與控制室里的NCS之間通過一根雙絞線進(jìn)行連接。然后控制室NCS的輸出再通過硬接線接入現(xiàn)有控制系統(tǒng)的模擬I/O盤。采用這種方法，來自新增現(xiàn)場變送器的模擬信號就能夠以原來模擬信號的狀態(tài)通過工廠現(xiàn)有的模擬I/O卡件接入控制系統(tǒng)。這使得新增信號帶來的編程和調(diào)試工作與新增數(shù)字接口卡件相比大大減少。這種對等網(wǎng)絡(luò)解決方案也能夠滿足雙向式通訊的要求，在這種情況下系統(tǒng)的現(xiàn)場側(cè)和控制室一側(cè)都可以有輸入和輸出能力。

　　HART借助MODBUS

　　老式工廠面臨的另一個挑戰(zhàn)是找出一種便宜而又方便的方法來發(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(yuǎn)程傳感器高速通道。HART是一種數(shù)字化協(xié)議，其設(shè)計初衷是使變送器能夠通過傳統(tǒng)工廠安裝的銅質(zhì)對絞線在傳送

　　一路模擬信號的同時傳送數(shù)字化的數(shù)據(jù)。這使用戶能夠通過在這根對絞線上任何一點(diǎn)的連接對變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程或是本地的組態(tài)、測試以及診斷。HART從設(shè)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)連接是最常見的HART連接方式，在這種方式下HART變送器通過改變模擬回路上的電流來表征所需要的過程變量。當(dāng)然，只監(jiān)視數(shù)字化的HART數(shù)據(jù)也是可以的;不過在點(diǎn)對點(diǎn)的運(yùn)行模式下，很少有人這么做。在HART變送器控制電流的同時，它還能夠通過HART數(shù)據(jù)流發(fā)送多種數(shù)字化的信息包。過程變量數(shù)據(jù)和數(shù)字化信息數(shù)據(jù)都可以被HART從設(shè)備或是變送器傳送。這些數(shù)據(jù)可以被用來監(jiān)視儀表的完好情況或是被過程控制系統(tǒng)或者資產(chǎn)管理系統(tǒng)用來優(yōu)化過程，幫助實現(xiàn)更加嚴(yán)密的控制或者防止意外的過程波動。在某些情況下，現(xiàn)有工廠可能有數(shù)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從來不開發(fā)這些HART儀表的潛在能力。

　　在目前資產(chǎn)管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)和先進(jìn)控制獲得廣泛應(yīng)用的環(huán)境下，許多工廠都希望能夠把HART儀表的數(shù)字化信息提取出來，但是他們的控制系統(tǒng)和現(xiàn)存的接線方式無法支持這種要求。這些控制系統(tǒng)可能無法從數(shù)字信號里面提取HART數(shù)據(jù)，或是這些控制系統(tǒng)僅僅想要看到硬接線的數(shù)字量和模擬量I/O信號。一臺HART儀表可以通過HART信號發(fā)送多達(dá)四個過程變量：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(jié)的狀態(tài)數(shù)據(jù)也可以被HART信號所傳送。但是，如果控制系統(tǒng)不能夠從數(shù)字化的HART信號里面讀取這些額外的過程變量數(shù)據(jù)或是任何其它診斷信息和狀態(tài)信息，那么這些數(shù)據(jù)就被白白浪費(fèi)了。

　　用戶當(dāng)然也可以選擇利用這些HART數(shù)據(jù)，即使對現(xiàn)有工廠里的老式系統(tǒng)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(rèn)出”這些HART數(shù)據(jù)。不過這樣的卡板通常會比傳統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)或者DCSes系統(tǒng)。當(dāng)然，這類HART信號混合單元的價格也是令人望而卻步的。另一個選擇項就是使用一種HART到MODBUS的轉(zhuǎn)換器，就像來自Moore Industries公司的HIM(HART信號接口模件)，這是一種效費(fèi)比較高而且具有靈活性的解決方案，它能夠以合理的價格選擇性的監(jiān)視僅僅少數(shù)回路或者很多回路。

　　采用一個支持MODBUS RTU通訊的HART接口模件，就能夠簡單而且便宜的把所有HART數(shù)據(jù)都采集到控制系統(tǒng)里面(參見圖4)。這種HIM是智能化的設(shè)備，它即可以作為HART主站在前端運(yùn)行，同時又可以作為MODBUS RTU的從設(shè)備在后端運(yùn)行。HIM可以從變送器的模擬量信號里面提取出所有HART數(shù)據(jù)，卻不會影響或者干擾連接到控制系統(tǒng)去的4到20毫安信號。HIM還可以提供一個液晶顯示窗口、三路4到20毫安信號、兩個繼電器輸出和一個可選的雙路MODBUS RTU輸出。當(dāng)用戶使用MODBUS選擇項的時候，HART數(shù)據(jù)被數(shù)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就可以從這個存儲器映射得到需要的數(shù)據(jù)了。將多個HIM采用多分支網(wǎng)絡(luò)方式連接起來并通過RS485接口傳送HART數(shù)據(jù)，這種架構(gòu)從本質(zhì)上來說幾乎就是一個小規(guī)模的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，而費(fèi)用卻只有其幾分之一。

　　無線MODBUS

　　一個MODBUS網(wǎng)絡(luò)可以相當(dāng)容易的設(shè)置成通過無線連接進(jìn)行工作(參見圖5)。從本質(zhì)上來說，任何無線連接所作的都只不過是用布置在網(wǎng)絡(luò)各端的發(fā)射器/接收器來替代雙絞線電纜而已。很多無線電臺的制造商都支持MODBUS協(xié)議。但是由于無線電臺和調(diào)制解調(diào)器使用了一些加密和時間延遲方案，所以有一點(diǎn)非常重要：在你假定某些無線設(shè)備支持MODBUS協(xié)議之前，務(wù)必要先咨詢這些無線設(shè)備的供應(yīng)商。

　　圖4：一個HART接口模件(HIM)從HART信號里面提取數(shù)字化數(shù)據(jù)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(shè)備就都可以讀取這些數(shù)據(jù)了。原始的4-20mA信號仍舊象以前一樣被連接到控制系統(tǒng)。

　　圖5：一臺無線接口(例如來自于Moore Industries公司的無線連接模件)使用RF連接代替了雙絞線。