Modbus在和利時DCS與西門子PLC通訊中的應(yīng)用

趙連彬，劉 偉

(1.杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州310018；2.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順113001)

Modbus在和利時DCS與西門子PLC通訊中的應(yīng)用

趙連彬1，劉 偉2

(1.杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州310018；2.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順113001)

針對和利時DCS與西門子PLC系統(tǒng)間無法直接交互數(shù)據(jù)。以內(nèi)蒙古通遼熱電廠脫硫項目為例，采用Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)和利時DCS與西門子PLC 系統(tǒng)之間的通訊。通過構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，硬件配置，軟件組態(tài)來實現(xiàn)Modbus通訊。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，電廠生產(chǎn)過程自動化水平進一步提高。

和利時DCS-MACS；Modbus；通訊；組態(tài)；自動化

Modbus協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通用通訊協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間或控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))可以和其它設(shè)備之間進行通信。Modbus協(xié)議使用的是主從通訊技術(shù)，即由主設(shè)備主動查詢和操作從設(shè)備。一般將主控設(shè)備方所使用的協(xié)議稱為Modbus Master，從設(shè)備方使用的協(xié)議稱為Modbus Slave。典型的主設(shè)備包括工控機和工業(yè)控制器等；典型的從設(shè)備如PLC可編程控制器等。Modbus通訊物理接口可以選用串口(包括RS232和RS485)，也可以選擇以太網(wǎng)口[1-3]。其通信遵循以下的過程：主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送請求，從設(shè)備分析并處理主設(shè)備的請求，然后向主設(shè)備發(fā)送結(jié)果，如果出現(xiàn)任何差錯，從設(shè)備將返回一個異常功能碼。

Modbus協(xié)議工業(yè)是一通用標準[4-5]。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而無論它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。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。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

Modbus協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，通訊方式包括Modbus RTU及Modbus ASCII兩種。串口通訊注重的的是通訊中的物理接口方式，比如RS232、RS485等的接口是9針或者25針，串口的電氣特性決定了通訊距離、傳輸速度等。以太網(wǎng)通訊即Ethernet的音譯，范圍廣泛，包括各種標準的通訊協(xié)議，比工業(yè)控制中的通訊更高一級。

1 系統(tǒng)配置

1.1 和利時DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通遼熱電廠脫硫項目采用和利時公司K系列硬件及MACS V6.5.2火電版軟件。該項目共計5個控制站，10臺操作站，一臺工程師站。工程師站與操作員站，各級網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、控制器、存儲器、電源等支持1：1冗余。主控制器支持Profibus-DP現(xiàn)場總線功能，所有卡件都支持帶電插拔和更換功能。各輸入輸出通道間、電源間相互隔離，各點的巡檢、掃描周期<1 s，SOE分辨率為1 ms，鼠標到操作員站響應(yīng)時間<1 s，各系統(tǒng)組態(tài)軟件具備在線修改和無擾下裝組態(tài)數(shù)據(jù)的功能。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

MACS V是集成在HOLLiAS中的分布式控制系統(tǒng)[6-7]，它是HOLLiAS的基礎(chǔ)子系統(tǒng)，所有的現(xiàn)場數(shù)據(jù)都來自于這里。MACS采用“平臺+應(yīng)用開發(fā)”的軟件架構(gòu)”，平臺軟件負責采集和處理數(shù)據(jù)并提供各種接口和服務(wù)，再根據(jù)不同行業(yè)的特殊需求定制開發(fā)應(yīng)用界面、算法庫、符號庫等組件，各版本共用一個平臺。

MACS V支持OPC協(xié)議和Modbus協(xié)議，來與第三方系統(tǒng)連接。上位機通過和利時自主開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與下位機傳遞數(shù)據(jù)。下位機通訊采用Profibus-DP總線，同時支持HART總線。

MACS V6.5.2具有強大而多樣的功能，包括：控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集、報警、趨勢查詢、總貌圖、模擬流程圖、日志管理、表格管理、數(shù)據(jù)一覽、報表和打印、事件順序記錄、顯示管理、人機對話、系統(tǒng)故障診斷及故障監(jiān)視、操作員在線參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)組態(tài)、存檔數(shù)據(jù)的離線查詢、控制回路、控制分組等。

該項目采用冗余雙層網(wǎng)絡(luò)，分為3層網(wǎng)路結(jié)構(gòu)。其分別是:(1)監(jiān)測控制層MNET，這一層主要包括操作員站、工程師站、歷史站、交換機等，它通過一個TCP/IP協(xié)議的冗余以太網(wǎng)與下層進行通信，將經(jīng)過處理的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)顯示給用戶，并將用戶的操作指令傳遞給下層。各個設(shè)備(包括OPS，ES，CMS，HIS和打印機等)通過一組交換機連成網(wǎng)絡(luò)。重要設(shè)備，例如歷史站、交換機等均冗余配置，以保證系統(tǒng)通訊的可靠性；(2)系統(tǒng)服務(wù)層SNET，由100 M高速冗余網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于系統(tǒng)歷史站與操作員站、工程師站、控制器、通訊站、網(wǎng)絡(luò)打印機的連接，完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)視，并對操作員的各種操作請求做出響應(yīng)，如圖形切換、數(shù)據(jù)顯示、趨勢顯示、報表打印、屏幕拷貝、表格日志查詢等；(3)現(xiàn)場控制層CNET，這一層主要包括FCS、I/O模塊等，F(xiàn)CS通過DP總線與I/O設(shè)備進行通信，I/O設(shè)備將采集數(shù)據(jù)傳輸給控制站中的MCU，由它按照預先下裝的算法處理數(shù)據(jù)并將需要顯示的數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測控制層，從上層來的以及FCS生成的指令也將被傳遞給現(xiàn)場執(zhí)行器。

1.2 西門子PLC網(wǎng)絡(luò)

西門子S7-315PLC中，CPU模塊支持Modbus協(xié)議通訊[8-10]，需要配置西門子Modbus協(xié)議專用模塊CP341和硬件狗，這樣和利時DCS系統(tǒng)與西門子S7-315PLC之間通訊就具備了條件。采用Modbus主從站方式，將西門子S7-315PLC作為Modbus從站連接到和利時DCS上，從而實現(xiàn)兩套控制系統(tǒng)通訊。

2 物理連接

兩套自動化系統(tǒng)之間的通訊傳輸采用RS485雙絞線連接，其中PLC側(cè)需要將雙絞線連接到串行通訊卡CP341的25針D型接頭，和利時DCS側(cè)將雙絞線連接到通訊模塊底座K-PAT01底座[11-13]，確保雙絞線接線時的極性，避免接反，否則通訊無法成功。

和利時DCS側(cè)需要配置K-MOD01模塊。K-MOD01模塊為K系列DCS系統(tǒng)中Profibus-DP/Modbus網(wǎng)橋通訊模塊，支持Profibus-DP總線協(xié)議與Modbus協(xié)議，通過Profibus-DP總線與控制器進行組態(tài)參數(shù)與數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)DP從站功能，同時通過Modbus通訊協(xié)議獲取或下發(fā)Modbus數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)將Modbus設(shè)備接入DCS系統(tǒng)。

K-MOD01模塊具有強大的監(jiān)視診斷功能，DP通訊網(wǎng)絡(luò)與Modbus通訊網(wǎng)絡(luò)電氣上完全隔離，且可根據(jù)需要獨立設(shè)置各自的通訊波特率。模塊面板指示燈可監(jiān)視上一級DP總線和下一級Modbus總線的通訊狀態(tài)，便于維護。通訊所需硬件如表1所示。

表1 硬件配置

3 軟件組態(tài)

首選在和利時下層軟件Auto Think中配置K-Mod01通訊模塊。根據(jù)控制指令添加功能碼[14-15]，內(nèi)蒙古通遼熱電廠脫硫項目共4臺130 t/h鍋爐，每臺鍋爐配置一套電除塵器高頻電源需要向PLC側(cè)寫27個字，讀22字。該項目共4套電除塵器高頻電源，共計需要寫108字，讀88字，通訊字配置如圖2所示。

圖2 通訊字配置

然后配置通訊參數(shù)：包括Modbus主從站設(shè)置、傳輸格式、通信波特率、傳輸格式、校驗位、子站地址、偏移地址等參數(shù)[16-17]，所配置參數(shù)雙方要一致，否則會導致通訊失敗，通訊參數(shù)配置如圖3所示。

圖3 通訊參數(shù)配置

聯(lián)調(diào)通訊完成后，DCS操作員站1#除塵器1號高頻電源操作畫面如圖4所示。

圖4 除塵器操作畫面

當PLC和DCS通訊正常，則處于正常的數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)?？梢愿鶕?jù)K-MOD01模塊的狀態(tài)指示燈進行判斷。模塊上有表示錯誤狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)接收的相應(yīng)指示，作為判斷通訊狀態(tài)和進行故障診斷的主要依據(jù)。當通訊不正常時，模塊的狀態(tài)指示燈會立即顯示錯誤狀態(tài)，DCS 系統(tǒng)畫面不顯示正常數(shù)據(jù)。此時，按慣例應(yīng)先檢查硬件錯誤再檢查軟件錯誤，如通過軟件組態(tài)功能塊的診斷信息來查找故障原因。

4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

由于西門子PLC以字節(jié)與字的格式傳輸，但和利時DCS控制系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)以布爾型與實數(shù)型顯示，所以需要將通訊變量進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，一個開關(guān)量點占一位，一個模擬量點占一個字，數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換

BYTE：字節(jié)，1BYTE=8BIT。

WORD：字，1WORD=2BYTE。

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的點對點方式相比較，采用Modbus通訊的方式節(jié)省了大量連接用的控制電纜，節(jié)省了項目人工成本，同時在DCS操作員站上可以更方便直接監(jiān)視和操作除塵系統(tǒng)設(shè)備，目前該系統(tǒng)已全部投運一年，結(jié)果表明現(xiàn)場Modbus通訊連接簡單方便、穩(wěn)定性高、傳輸速率快的優(yōu)點。

[1] 金青,戴勝華,歐陽勁松. 基于Modbus/TCP的工業(yè)以太網(wǎng)通訊[J].儀器儀表標準化與計量,2006 (1):22-24.

[2] 尚文利,李琳,萬明,等.基于優(yōu)化單類支持向量機的工業(yè)控制系統(tǒng)入侵檢測算法[J].信息與控制,2015 (6):75-78.

[3] 閆占芳,華鋼，劉盼.Modbus/TCP協(xié)議在帶式輸送機視頻傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動化,2012,38(1):85-87.

[4] 黃能把,駱仕添.基于Modbus協(xié)議的Siemens PLC 應(yīng)用系統(tǒng)[J].微計算機信息,2004 (7):26-27.

[5] 于東海,李海生.基于Modbus協(xié)議離子膜燒堿裝置DCS與PLC間實時通信的設(shè)計和開發(fā)[J]. 微計算機信息,2004 (3):44-45.

[6] 和利時系統(tǒng)工程股份有限公司.MACS硬件手冊[M].北京:和利時系統(tǒng)工程股份有限公司, 2010.

[7] 李楨.DCS與PLC的Modbus協(xié)議通信在石油化工廠的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用于軟件，2009,26(4):185-187.

[8] 王剛,王玉琪，王冰.用Modbus協(xié)議實現(xiàn)DCS與PLC之間的串行通訊[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2010,29(4):45-47.

[9] 劉艷春,吳明生,羅炳浩.Modbus通信協(xié)議在DCS與PLC通信中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2014 (9):1093-1095.

[10] 賀洪江，程琳.基于STM32與Modbus協(xié)議的超聲波測距儀設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014 (11):27-29.

[11] 楊亦洲,周杰.杜景林.基于Modbus協(xié)議和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的氣象無線傳感網(wǎng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(10):16-19.

[12] 姚文廣，張公平.南大傲拓NA400系列PLC在高鐵防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2014 (11):53-56.

[13] 伍凌,蔣躍,郭君峰.T6300壓縮機控制系統(tǒng)在催化裂化裝置中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2014 (11):1287-1293.

[14] 王營博,許同樂,陳康.DCS系統(tǒng)在水廠遠程監(jiān)控中的應(yīng)用[J].自動化儀表,2016(1):52-56.

[15] 李濤,王雙友.智能化配電系統(tǒng)中Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)[J].自動化與儀表,2016 (1):29-31.

[16] 白鑫,呂麗平,趙雪梅.Modbus協(xié)議在柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動化,2012，34(3):9-11.

Application of the Modbus Protocol in Hollysys DCS and Siemens PLC

ZHAO Lianbin1，LIU Wei2

(1.Hangzhou Hollysys Automation Co., LTD, Hangzhou 310018, China; 2. Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Fushun 113001, China)

Direct interaction of data is not available between hollysys DCS and Siemens PLC system. With the desulphurization project of power plant of Inner Mongolia Tongliao as an example, the Modbus protocol is adopted to realize communication between the hollysys DCS and Siemens PLC system by constructing system network, hardware configuration and software configuration. The results show stable and reliable operation of the control system and improved automation control of the power plant process production.

hollysys DCS-MACS; Modbus; communication; configuration; automation

2016- 04- 01

趙連彬(1986-)，碩士，助理工程師。研究方向：工業(yè)過程的先進控制與優(yōu)化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.020

TN915.04;TP29

A

1007-7820(2017)02-076-04