用Modbus协议实现DCS与PLC之间的串行通讯

 1 引言

万立氧空分装置是2008年辽化公司20万吨环氧乙烷/乙二醇改造的配套项目,该装置仪控系统采用了先进的Honeywell PKS集散控制系统来实现对整个装置的各系统及主要设备的工艺参数的监控,并实现各主要操作阀门、切换阀门的自动控制或遥控操作，以及必要 的联锁保护措施。氮压机选用Ingersoll—rand的CENTAC 3C70MX5N2型压缩机,该压缩机配置独立的控制系统CM C控制器,为了有效的监控氮压机的运行参数,我们利用Modbus协议实现了Honeywell PKS集散系统与Ingersoll—rand CM C可编程序控制器之间串行通讯。

2 Modbus协议简介

Modbus是Modicon公司于1 979年提出的一种通信协议,经过多年的实际应用,已经成为一种应用于工业 控制器上的标准通信协议。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，以及怎样侦测错误并记录，它制定了消 息域格局和内容的公共格式[5]。当在Modbus网络上通 信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地 址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口,它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由MOdem组网。

2.1 Modbus报文

如图1所示,Modbus通信使用主从技术,即仅设备 (主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果 单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立主设备查询的格式：设备(或广播)地址、功能代码、所有要 发送的数据、错误检测域。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回 的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息 并把它作为回应发送出去。

2.2 Modbus传输I方式

Modbus协议有两种传输模式ASCII(美国标准信息交换代码)或RTU(远程终端单元)。它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位,以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。用户选择想要的模式,包括串口信参数(波特率、校验方式等),在配置每个控制器的时候,在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。ASCII模式通信的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。RTU模式通信的主要优点是：在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据。

2.3错误检测方法

标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测(LRC或CRC)应用 于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的,从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。

用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔，这个时间间隔要足够长，以使任何从设备都能作为 正常反应。如果从设备测到一传输错误，消息将不会 接收，也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触 发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也 会产生超时。

3 CMC控制器

CM C控制器是Ingersoll—rand CENTA C 3C70MX5N2型压缩机随机配置的可编程序控制器，用来管理氮压机各种压力的控制和监控功能，以及控制辅 助设备，如主电机启动器，润滑油加热器和预润滑油泵。 其功能如下：

·多功能LED显示屏显示数据和工作状态。

·完成多种性能控制：卸载，调制和自动一双重工 作方式。

·先进的喘振监测与控制。

·高电流限制，用于主驱动电机保护。

·快速指示和事件纪录，有助于确定压缩机跳闸的 根本原因。

CM C控制器提供RS422/RS485串行通讯接口，通 过MODBUS协议与具有RS422/485端口的系列装置通 信，以适应远程遥控和监控的需要。

利用MOdbus协议www.cechina.cn，我们采用RTU通讯模式，把 CM C控制器作为从设备，设备地址设置为2，通讯波特 率为9600，校验方式为奇校验，通讯方式为全双工。

4 PKS系统的通讯功能

PKS系统是Honeywell公司推出的新一代DCS系 统，全称为Experion Process Knowledge Solution System，它支持多种类型的控制器通讯，例如Modicon PLCS，Honeywell 9000系列和Alien—Bradley，并可以灵 活的采用多种连接方式。如果控制器本身带网络接口，可以直接连接到网络上，如果控制器带有串口，可以通 过“终端服务”(terminal sever)连接到网络上。一个“终 端服务”允许多个控制器同时连接到网络上，并提供多种的连接接口RS一232，RS-422，RS一485。所谓“终端 服务”其实质就是Modbos协议。我们利用“终端服务” 配置方式实现了Honeywell PKS集散系统与Ingersollrand CMC可编程序控制器之间串行通讯。如图2所示。

4.1硬件说明

串行接口模件(SIM)是安装在PKS系统标准卡槽上的双宽度I/O模件，它的功能是实现通过FTA(现场端子 板)连接串行接口模件(SIM)的现场设备与PKS控制器之间通讯的桥梁。串行接口模件可以提供与单FTA电源 适配器连接的两个FTA通讯的两个串口的双向通讯接 口，它不存储和保持任何现场I/O设备的组态数据和实时数据，它只在与它相连接的现场设备与控制器之间传送数据参数。

F T A采用插接模件根据现场设备的需要选用指定的串行接口，共有两种标准的FTA产品。

·MU—TSIMl2 Modbus型FTA提供点对点RTU EIA一232(RS一232)或EIA一422/485(RS-422/485)多点通 讯接口。

·MU—TSIAl2 Allen—Bradley(A—B)型FTA提供一 个EIA一232(RS-232)通讯接口用于DF 1通讯协议的A— BPLC-2，PLC-3CONTROL ENGINEERING China版权所有，PLC-5等现场设备。

在此我们选用第一种产品

一个SIM卡可带两个FTA接线端子板(即FTA A， FTA B图2)，由单独电源模块供电，每个FTA接线端子 板通过屏蔽双绞通讯线与第三方设备连接。需要注意 各通讯设备以总线方式接入(即相互串连起来最后接人 FTA端子上)，当通讯距离超过1 00米或干扰很强时两端 均应加上120欧姆电阻，连接第三方通讯设备到FTA端 子的最大接线长度不应超过300米，如超过300米应采 用信号中继器或放大器，每个FTA接线端子板最多可接 入的设备为1 5个。

4.2软件说明

如图3所示。PKS系统组态工具中提供一种SIM I/ O模件功能块来实现将一个S I M组态并分配给一个控 制器。当SIM功能块一旦指派并下装到指定的控制器， SIM和控制器之间便可以建立通讯关系，但这并不意味 着SIM和现场设备也建立了通讯关系，为了与现场设备 建立起通讯关系必须还要组态、指派下装串行接口通道阵列功能块(SI)到CM(控制模件)。SI阵列通道功能块有三种：

Numeric(SINUMARRCH)：接收/发送数值型量，包 括整数、浮点数;

Flag(SIFLAGARRCH)：接收/发送布尔量，即标志位;

Text(SITEXTARRCH)：接收/发送字符型量。

4.3组态说明(以SlNUMARRCH功能块为例)

(1)每个SIM卡有32个软通道(Channel)，其中0～1 5通道与连接在FTA“A”板上的第三方设备的进行通讯，而16～31通道与通道与连接在FTA“B”板上的第三方设备的进行通讯。当只有1个FTA板时，那么这块FTA板必须配置成FTA“A”使用(即按1图将FTA 接到Power Adapter的“ChannelA”上)，且只能使用 0～1 5通道。

(2) Control Builder中SI通讯功能块(软通道类 型)有三种：

对于一个“SINUMARR CH”功能块(即一个软通道)，可接收/发送最多16个32位浮点数或32个16位 整型数。

(3)组态

具体组态见图4。

Serial Link Device Address：为设备地址，即 Modbus ID;

Starting Element Index：为接收/发送数据的起始地址，此为第三方厂家提供的，是modbus通讯寄存器首地址，1个寄存器地址存储一个1 6位二进制数;

Number of Numeric Value：接收/发送的数据 的个数。

其中Starting Element Index的设置也包含了接收/ 发送数据的类型控制工程网版权所有，这是通过其最高位的数字来识别的(如 图4中的Starting Element Index设置为20020，其最高 位数字为2，表示接收/发送的数据类型为可读写的3 2 位浮点数)。

这里需要注意的是一个S I N U M A R R C H块 (SIFLAGARRCH或SITEXTARRCH)只能设置为一种数 据类型，且接收/发送数据的地址必须是连续的。故 Number。of Numeric Value这一项设置的值是从起始 地址开始连续存储的数据的个数;如果第三方设备发 送/接收数据的Modbus存储地址是放在不连续的几个 地址段上，那么就必须用多个SINUMARRCH块来接收 不同地址段的数据。

图4中右侧的Auxiliary Config Data的设置，仅需要配置第3和4行即可，如图4中红圈所示(图4红圈中 配置表示采用串行485通讯方式、通讯波特率为9600、 校验方式为奇校验)。

5 结束语

目前，石油天然气生产装置中，普遍存在着DCS与 其他多个专用控制系统同时使用的情况，这些专用控制 系统包括PL C、数据采集器和各种智能仪表。若将多个 系统融合成一个整体，使所有监视、控制都在D CS上进 行，就涉及D C S与其他专用控制系统的通讯问题。目前，Modbus协议是应用最为广泛的一种形式，需特别注 意的是：在MOdbuS网络上传输方式和串行参数(波特 率、校验方式等)对各装置的设置必须是相同的。