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用Modbus协议实现DCS与PLC之间的串行通讯

　　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集散控制管理系统来各主要操作阀门、切换阀门的自动控制或遥控操作，以及必要 的联锁保护的方法。氮压机选用Ingersollrand的CENTAC 3C70MX5N2型压缩机,该压缩机配置独立的控制管理系统CM C控制器,为了有效的监控氮压机的运行参数,我们利用了Honeywell PKS集散系统与Ingersollrand CM C可编程序控制器。

　　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,慢慢的变成了一种应用于工业 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能连成工业网络,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。若需要回应,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。

　　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。

　　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一定要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。

　　标准的Modbus串行网络采用两种错误检测的新方法。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，这一段时间间隔要足够长，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。

　　CM C控制器是Ingersollrand 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，和控制辅 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：

　　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，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。

　　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ModiconPLCS，Honeywell 9000系列和AlienBradley，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。

　　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。串行接口模件能够给大家提供与单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。

　　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。必须要格外注意 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。

　　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：

　　(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)，且只可以使用 0～1 5通道。

　　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。

　　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;

　　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)。

　　这里必须要格外注意的是一个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)。

　　目前，石油天然气生产装置中，都会存在着DCS与 其他多个专用控制管理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与其他专用控制管理系统的通讯问题。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。