級(jí)聯(lián)PLC Modbus通信優(yōu)化策略在水電站消防水系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳凱

(貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司東風(fēng)發(fā)電廠，貴州 清鎮(zhèn) 551408)

1 水電站消防水系統(tǒng)概述

水電站消防水系統(tǒng)由3部分組成：第一是消防水系統(tǒng)的啟動(dòng)控制柜，包含1組用于控制的ABB公司的AC31可編程控制器(PLC)，07KR51中央處理器(CPU)和2個(gè)消防水泵；第二是繼電保護(hù)室的消防水控制柜，包含1組ABBAC31 PLC，07KR51 CPU和07KP53模塊，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和消火栓控制柜的通信；第三是不同地點(diǎn)的18個(gè)消防栓控制柜，每個(gè)控制柜中有1個(gè)ABB遠(yuǎn)程I/O模塊ICMK14F1-M。消防水啟動(dòng)控制柜到繼電保護(hù)室的消防水控制柜距離約300 m，所以需要采用光纖通信[1]。繼電保護(hù)室的消防水控制柜和18個(gè)消防栓控制柜采用RS485總線進(jìn)行通信。

該系統(tǒng)的主要功能是使用3種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)2個(gè)消防水泵的啟、停：消防水啟動(dòng)控制柜面板上的手動(dòng)啟、停按鈕；繼電保護(hù)室消防水控制柜面板上的手動(dòng)啟、停按鈕；18個(gè)消防栓控制柜上的啟、停按鈕。消防水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 消防水系統(tǒng)

2 傳統(tǒng)通信方式及存在的問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是一種廣泛使用的通信協(xié)議，ABBAC3140-50系列的中央處理單元遵從Modbus RTU協(xié)議[2]。許多自動(dòng)化設(shè)備，如PLC、人機(jī)界面、變頻器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的選擇模塊，并且有Modbus遠(yuǎn)程終端設(shè)備接口。所以，通過(guò)串行接口(RS232和RS485)或網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議模型與CS31相連接，可以很容易地與40或50系列的中央處理單元進(jìn)行通信。

基于工業(yè)領(lǐng)域Modbus通信的普遍性和標(biāo)準(zhǔn)性，加上AC31 PLC通信接口的特點(diǎn)，在繼電保護(hù)室和18個(gè)消火栓控制柜I/O模塊之間采用RS485總線進(jìn)行Modbus RTU主、從站消防水控制柜PLC通信。RS485通信方式允許1個(gè)主站可以與31個(gè)相同類型的從站進(jìn)行通信，傳統(tǒng)的通信方式為：在18個(gè)消防栓控制柜中，遠(yuǎn)程I/O模塊ICMK14F1-M的接口是并行的(因?yàn)槭褂昧似帘坞p絞線，其總長(zhǎng)約1 200 m)，并與中央控制室的消防水PLC控制柜相連接。常見(jiàn)的通信方案如圖2所示。

圖2 消防水控制柜和消火栓控制柜之間常見(jiàn)的通信方案

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的主要問(wèn)題是：主站 PLC 讀取輸入信息和寫輸出信息的過(guò)程要消耗很長(zhǎng)的時(shí)間[3]，延時(shí)性不好，并且每個(gè)ICMK14F1-M接受信息的時(shí)間是隨機(jī)的，這將導(dǎo)致控制箱上的按鈕必須按很長(zhǎng)時(shí)間(長(zhǎng)達(dá)10 s，一般最快響應(yīng)時(shí)間是2 s)，給用戶操作帶來(lái)很大不便。

3 影響Modbus RTU通信速率的原因

Modbus通信的響應(yīng)時(shí)間是由以下因素決定的：傳輸速度、幀字節(jié)的數(shù)量、CPU程序周期以及CPU的負(fù)載。

(1)通信距離長(zhǎng)，直接影響傳輸速度。RS485的最長(zhǎng)傳輸距離是1 200 m，18個(gè)消防栓控制柜的總傳輸長(zhǎng)度約為1 000 m，未超過(guò)1 200 m，所以RS485通信本身是沒(méi)有問(wèn)題的。造成通信緩慢的主要因素是波特率，它與通信距離成反比。

(2)幀字節(jié)的數(shù)量多。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間為10 ms時(shí)，負(fù)載率為80％，速度是9 600 bit/s。ABB 50系列中央處理單元的響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表1，從表1可以看出：CPU處理反應(yīng)速度按“字”讀寫比按“位”讀寫有優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，按“字”讀寫可以減少信息幀的數(shù)量，提高通信效率。傳統(tǒng)的通信方案是按“位”讀寫，信息幀的數(shù)量更多、效率較低。

表1 ABB50系列中央處理單元的響應(yīng)時(shí)間 ms

(3)CPU程序的周期較長(zhǎng)。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)“周期聲明”定義的周期，CPU程序被循環(huán)執(zhí)行。CPU程序周期為0和100 ms，且只接受5 ms的多重值；從站或單一機(jī)器CPU程序的周期為0和250 ms。周期可以由以下公式計(jì)算：

Tc≥tb+tp，

式中：tb為總線傳輸時(shí)間；tp為程序執(zhí)行時(shí)間。

程序執(zhí)行時(shí)間相當(dāng)于用戶程序現(xiàn)存功能時(shí)間的總和，總線傳輸時(shí)間來(lái)自設(shè)備配置的計(jì)算，它需要總線上所有單元的時(shí)間加在一起。遠(yuǎn)程擴(kuò)展單元的時(shí)間是由單元時(shí)間和連接的局部擴(kuò)展時(shí)間求和得到的[4]。

在常見(jiàn)的通信系統(tǒng)中，主PLC管理18個(gè)從站，總線傳輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，主PLC程序需要36個(gè)MODMASTK功能模塊來(lái)連續(xù)不斷地讀寫18個(gè)控制柜的信息，程序執(zhí)行時(shí)間約為2 s。

(4)CPU的負(fù)載影響很大。在常見(jiàn)的通信系統(tǒng)中，18個(gè)從站之間的距離很遠(yuǎn)，CPU的負(fù)載影響接近95％。

4 改進(jìn)方案及效果

4.1 硬件的改進(jìn)

由上述分析可知，長(zhǎng)距離通信是造成傳播速度慢的一個(gè)主要因素。結(jié)合實(shí)際情況，并根據(jù)裝置所處的位置，#1，#9，#13消防栓控制柜的遠(yuǎn)程I/O模塊ICMK14F1-M(只有1個(gè)通信端口)被獨(dú)立的CPU模塊07KR51(有2個(gè)通信端口)所取代。模塊采用多層級(jí)聯(lián)方式：#13消火栓控制柜的07KR51模塊用作#14，#15，#16，#17和#18消防栓的5個(gè)遠(yuǎn)程I/O模塊(作為從站)的Modbus Master，用來(lái)收集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到它的PLC CPU；#13消火栓控制柜模塊07KR51(COM1)也被用作#9消火栓控制柜07KR51(COM2)的Modbus Slave，用來(lái)接受其讀寫的命令。

諸如此類，#1消火栓控制柜的模塊O7KR51是18個(gè)消防栓控制柜的中心。消防栓PLC控制柜的通信設(shè)備負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)较浪≒LC控制柜；同時(shí)，它也發(fā)送PLC控制柜的指令到每個(gè)控制柜，改進(jìn)方案如圖3所示。

圖3 消防水控制柜和消火栓控制柜之間通信級(jí)聯(lián)方案

4.2 軟件通信算法優(yōu)化

(1)“位”寫和“字”寫的優(yōu)化。遠(yuǎn)程I/O模塊ICMK14F1-M有8個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入模塊和6個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出模塊，8個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)“位”輸入的信息集成到一個(gè)“字”，被讀為一個(gè)整體的模塊，可減少幀字節(jié)的數(shù)量，提高傳輸速度。

(2)“單一模塊”讀寫和優(yōu)化“集成模塊”讀寫。PLC Modbus通信程序的編譯是基于MODMASTK功能模塊實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)主站和從站之間的PLC通信，首先都需要由從站PLC讀入開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，邏輯處理后，其結(jié)果要寫進(jìn)從站PLC的開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)。主站和18個(gè)消防栓控制柜之間的通信需要36個(gè)MODMASTK功能模塊。Time是一種對(duì)傳輸Modbus信號(hào)定義的延遲，該延遲被稱為Time_out，通常取值為2 000 ms。為了優(yōu)化傳輸時(shí)間，讀、寫模塊可以連接在一起，這就是級(jí)聯(lián)功能模塊RDY。延遲傳播的時(shí)間設(shè)置為300 ms，可以大大提高傳輸速度，并且不影響每個(gè)模塊的響應(yīng)時(shí)間。

硬件連接和軟件算法進(jìn)行優(yōu)化和改善后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，從按下任意一個(gè)消防栓控制柜的開(kāi)機(jī)按鈕到主控PLC接收控制箱信號(hào)所需時(shí)間大約為1 s，系統(tǒng)通信速率明顯提高，實(shí)時(shí)性能良好，能更好地滿足用戶的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)控制領(lǐng)域，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)的Modbus通信得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，這種級(jí)聯(lián)的PLC通信方案可有效解決RS485長(zhǎng)距離傳輸導(dǎo)致通信速率下降的問(wèn)題。PLC控制程序中通信算法的優(yōu)化能有效提高M(jìn)odbus通信速率，實(shí)時(shí)性也將變得更強(qiáng)，是一個(gè)值得學(xué)習(xí)和推廣的應(yīng)用模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]李楨.DCS與PLC的Modbus協(xié)議通信在石油化工廠的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2009,26(4):185-187.

[2]王力.Modbus RTU從站通信協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].石油化工自動(dòng)化,2011,47(5):46-48.

[3]盧文俊,冷杉,楊建軍.基于Modbus協(xié)議的控制器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2003,23(6):54-56.

[4]王念春.基于Modbus協(xié)議的PC與下位機(jī)PLC間的通信程序[J].自動(dòng)化儀表,2001,22(8):44-46.