摘要:通過(guò)闡述長(zhǎng)慶油田第五采氣廠集氣站自控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，描述了采氣五廠站控系統(tǒng)通過(guò)利用BB PLC提供的MODBUS通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)集成的方法，并對(duì)集成方法進(jìn)行了對(duì)比、分析和研究。

關(guān)鍵詞:信息系統(tǒng) MODBUS 設(shè)備 通訊協(xié)議

0 引言

PLC作為第五采氣廠站控系統(tǒng)自動(dòng)化的核心部分，其任務(wù)已不僅僅是完成控制和操作那么簡(jiǎn)單，在很大程度上還要整合其它各輔助系統(tǒng)和設(shè)備裝置的運(yùn)行信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)提供給操作人員和管理者。PLC與其它各個(gè)系統(tǒng)和裝置之間的數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)方式可以分為兩種，一種是通過(guò)硬接線的方式，即每一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)都通過(guò)單獨(dú)的電纜接入PLC的I/O卡件中;還有一種方式就是第三方系統(tǒng)與PLC以通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，只需遵循某種協(xié)議即可，現(xiàn)在比較通用的協(xié)議就是MODBUS和OPC。

本文就以BB的PLC在第五采氣廠站控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中與幾種典型的第三方系統(tǒng)設(shè)備的集成做一個(gè)概括性的介紹和說(shuō)明，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，著重分析了一些技術(shù)要點(diǎn)及其解決方案。

1 站控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前第五采氣廠站控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括單井遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)、站控生產(chǎn)數(shù)據(jù)、壓縮機(jī)所用的西門(mén)子PLC數(shù)據(jù)、站內(nèi)可燃?xì)怏w報(bào)警數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、UPS運(yùn)行狀態(tài)。以上設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，未實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。

1.1 單井?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng) 單井?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)主要包括單井?dāng)?shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)與電磁閥遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。其中，單井儀表包括油壓、套壓、閥控壓變、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)和遠(yuǎn)控閥。井口油套壓、閥控壓變采用的是數(shù)字和模擬兩種壓變;遠(yuǎn)程控制閥主要包括電磁閥和二、三代航天閥。單井和站內(nèi)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳主要利用無(wú)線傳輸，采用遠(yuǎn)傳電臺(tái)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)站外數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。

1.2 集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng) 集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集主要使用的是BB的MICRO CONTROL WAVE，通過(guò)硬件連接的方法，將站內(nèi)的液位、壓力、溫度等參數(shù)接入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。

1.3 可燃?xì)怏w控制系統(tǒng) 可燃?xì)怏w檢測(cè)器為特安的ESD3000，控制器為ES2000控制器，安裝于值班室。信號(hào)進(jìn)入控制器實(shí)現(xiàn)報(bào)警和監(jiān)測(cè)。

1.4 發(fā)電機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) 利用安裝在在陜西順天普通型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)上的QS-8000控制器， 實(shí)現(xiàn)“機(jī)組自啟動(dòng)系統(tǒng);ATS自切換系統(tǒng);蓄電池自充電系統(tǒng);冷卻水預(yù)加熱系統(tǒng);預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng);燃?xì)庾詣?dòng)切換裝置”等6個(gè)系統(tǒng)。

1.5 UPS監(jiān)控系統(tǒng) 集氣站目前常用的UPS主要包括 B1031(15-30kVA)和B4033(20-80 kVA)，UPS自帶控制和監(jiān)控軟件，監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)和故障旁路自動(dòng)切換等。

2 多系統(tǒng)集成的目的

第五采氣廠生產(chǎn)過(guò)程的通信應(yīng)用中，由于單井及集氣體站規(guī)模較大，使用的產(chǎn)品和涉及的廠家較多，員工數(shù)量比較少，為便于集中管理，減少人為巡檢造成事故，需要將各種設(shè)備的數(shù)據(jù)集中監(jiān)控。

3 多系統(tǒng)集成采用的技術(shù)及方法

通過(guò)對(duì)各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信方法的探討和研究，確認(rèn)目前使用的設(shè)備提供的MODBUS協(xié)議和串口RS-232/485通信接口方式能夠滿足多系統(tǒng)集成。確定集成主要以BB的MICRO CONTROL WAVE PLC為主設(shè)備，集成西門(mén)子的S7300壓縮機(jī)數(shù)據(jù)及第三方設(shè)備。其中第三方設(shè)備主要還包括UPS、發(fā)電機(jī)、可燃?xì)怏w等。。

3.1 BB PLC MODBUS協(xié)議 BB PLC MODBUS FOR RTU通信使用主-從技術(shù)，僅主設(shè)備能初始化傳輸(查詢)。其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。

作為主設(shè)備的BB PLC可單獨(dú)與從設(shè)備通信，也能以廣播方式與所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一條消息作為回應(yīng);如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。MODBUS協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式:設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤檢測(cè)域。在主從設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，必須要注意數(shù)據(jù)類型與功能碼的匹配。

在使用BB PLC與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí)需注意BB的PLC并不能完全支持經(jīng)過(guò)工廠更改后的MODBUS功能碼，BB PLC主要支持標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU協(xié)議和MODBUS TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)采集需要通過(guò)內(nèi)部的CUSTOM通訊模塊實(shí)現(xiàn)，如下表:

當(dāng)MODE設(shè)置為4時(shí)，表示該P(yáng)LC為主PLC，通過(guò)定義COMPORT端口數(shù)據(jù)，選擇是串口1還是串口2連接第三方設(shè)備。具體如下圖:

一旦通訊程序編寫(xiě)完成，在BB控制器之間測(cè)試Open Gould Modbus Master程序與Open Gould Modbus Slave程序。當(dāng)兩端SIGNAL6:DATA SIZE 一樣的時(shí)候，HOLDING REGISTER為整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)可以正常讀寫(xiě)。Input Register 只能作為整形數(shù)讀取。

3.2 MODBUS通信的實(shí)現(xiàn)策略 通過(guò)MODEBUS協(xié)議與BB的PLC進(jìn)行通信的一般都是一些獨(dú)立的中小型的裝置，數(shù)據(jù)通信量不是太大，從幾十點(diǎn)到幾百點(diǎn)不等。但作為BB PLC來(lái)講，需要重點(diǎn)考慮的是如何合理分配數(shù)據(jù)通信接口及接口通訊程序的編寫(xiě)問(wèn)題，下表顯示BB PLC與第三方裝置MODBUS通信的數(shù)據(jù)量和接口分配情況。

在上表中可以看出，與不同裝置的的通信接口都被最終集中到BB PLC的COM2串口中，這種串口集中分配方式主要出于如下幾點(diǎn)考慮:

第一，在分配通信端口時(shí)首先要考慮到MIRC CONTROL WAVE的通信口的數(shù)量，為保證一個(gè)8槽的PLC能夠采集所有數(shù)據(jù)，避免成本的增加，要盡量少占用PLC的通訊串口，為保證通信數(shù)據(jù)的功能和使用，盡量減少PLC和第三方設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信量(Peer-to-Peer)，即通信端口與需要通信的的數(shù)據(jù)要盡量在連接到同一個(gè)串口上;

第二，由于數(shù)據(jù)量不大，避免重復(fù)的開(kāi)發(fā)通訊程序，要盡量使得一個(gè)通信端口能夠集合所有的MODBUS傳來(lái)的數(shù)據(jù);

第三，現(xiàn)場(chǎng)通信應(yīng)盡量選擇RS-485的方式進(jìn)行，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，蘇東13站的MODBUS通信均采用了RS-485的硬件接口方式。

為保證合理的利用BB PLC的應(yīng)加架構(gòu)，通過(guò)采用在各設(shè)備之間增加串口服務(wù)器的方式，實(shí)現(xiàn)以不同系統(tǒng)的集成。

從上圖可以看出，第三方設(shè)備主要利用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU協(xié)議通信。由于BB控制器現(xiàn)擁有3個(gè)RS-232口與2個(gè)RS-485口，考慮到BB PLC的串口有限，選擇將第三方設(shè)備全部集中連接到串口服務(wù)器，再通過(guò)串口服務(wù)器利用BB PLC的COM口，實(shí)現(xiàn)和第三方設(shè)備的通訊。

3.3 部分第三方數(shù)據(jù)接入方法

3.3.1 可燃?xì)怏w檢測(cè)控制器數(shù)據(jù)接入 目前蘇里格可燃?xì)怏w檢測(cè)器為特安的ESD3000，控制器為ES2000控制器，安裝于值班室。信號(hào)需要通過(guò)控制器引入BB PLC。一般接入主要采用三種方式，一種是通過(guò)將模擬信號(hào)接入RTU，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS485信號(hào)，通過(guò)BB提供的COM口，引入數(shù)據(jù)。這種方法最常用的RTU為易控微網(wǎng)的SC。該RTU安裝簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定，但整體成本偏高，施工費(fèi)用增加。另一種方式利用ES2000自帶的MODBUS 通訊功能，通過(guò)調(diào)用控制器的設(shè)備通訊地址，及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器地址，直接在BB PLC里定義對(duì)應(yīng)變量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的調(diào)用。對(duì)應(yīng)ES2000設(shè)備地址及通訊地址如下:

這種方法充分利用了已有設(shè)備自帶的MODBUS功能，不需要通過(guò)另外增加數(shù)/模轉(zhuǎn)換的RTU，大大降低了成本，減少了施工量。第三種方法直接采用硬連接，通過(guò)增加BB的AI模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的引入，這種方法比較傳統(tǒng)，費(fèi)用及施工量都大大增加。對(duì)比三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，蘇里格站控系統(tǒng)基本采用了利用控制器自帶MODBUS通訊接口的方式將數(shù)據(jù)引入了BB PLC。

3.3.2 西門(mén)子S7 300數(shù)據(jù)接入 由于BB PLC只能讀取標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RUT或MODBUS TCP/IP的數(shù)據(jù)，在每個(gè)站的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中增加CP341通訊模塊1塊，MODBUS slave軟件一套。CP341模塊是西門(mén)子S7-300系列PLC中的串行通訊模塊。該模塊具有1個(gè)串行通訊口(RS232C或RS485)，RS485的通訊最大距離位1200m。支持標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU遠(yuǎn)程終端。通過(guò)CP341模塊，可以將西門(mén)子支持的M，V，Q等寄存器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU能夠識(shí)別的寄存器地址數(shù)據(jù)，通過(guò)建立壓縮機(jī)引入數(shù)據(jù)地址點(diǎn)表實(shí)現(xiàn)與BB PLC的通訊。地址點(diǎn)表如下:

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著儀表自動(dòng)化技術(shù)的提高，帶各種通訊接口設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備將被大量應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域，使全數(shù)字化、串行、雙向、互操作多快好省的遠(yuǎn)距離大數(shù)據(jù)量通訊成為可能，為數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理中心監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)和分析挖掘數(shù)據(jù)關(guān)系提供了方便。Modibus RTU通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)的一個(gè)簡(jiǎn)單例證，成功的解決了蘇里格氣田現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)和PLC通訊問(wèn)題，節(jié)省了因標(biāo)準(zhǔn)儀表信號(hào)布線所需的大量電纜，并且可靠性得到了大幅度提高。是第五采氣廠數(shù)字化開(kāi)發(fā)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集通訊的一個(gè)典型代表。

參考文獻(xiàn):

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