王 翔,丁 偉

(獨山子石化公司煉油廠儀表車間,新疆克拉瑪依 833600)

Modbus通信協(xié)議在CS3000中的應用

王 翔,丁 偉

(獨山子石化公司煉油廠儀表車間,新疆克拉瑪依 833600)

介紹了Modbus協(xié)議的含義及其數據傳輸方式,闡述了該廠CS3000系統(tǒng)與其他各子系統(tǒng)之間的應用,分析了基于Modbus進行數據交換的硬件結構配置及軟件組態(tài)的應用。同時說明了利用Modbus通信協(xié)議來解決CS3000系統(tǒng)與第三方智能控制儀表之間的通信,在煉油自動控制系統(tǒng)的實際操作中極大地方便了現場的控制和操作,是一個值得推廣的方式。

Modbus通信協(xié)議;傳輸方式;數據轉換;主—從設備;硬件配置;軟件配置

0 引 言

某新建成的千萬噸煉油項目中,根據各個裝置的工況及生產要求不同,DCS采用CS3000系統(tǒng);緊急停車系統(tǒng)(ESD)采用TRICONEX控制系統(tǒng);電氣控制系統(tǒng)(ECS)采用RCS-9700后臺監(jiān)控系統(tǒng),而其他的一些小系統(tǒng)如PAS原油過濾系統(tǒng)、水利出焦系統(tǒng)等多采用PLC控制系統(tǒng)。為了實現對不同系統(tǒng)控制設備的集中監(jiān)控,設置CS3000為主要監(jiān)控系統(tǒng),其他系統(tǒng)通過Modbus通信協(xié)議將數據傳送到CS3000系統(tǒng)中顯示的方法來實現生產工藝對不同系統(tǒng)控制設備的集中監(jiān)控。

1 數據傳輸方式

如圖1所示,Modbus通信協(xié)議基本上遵循主—從設備(Master and Slave)。根據Modbus通信協(xié)議的規(guī)定,必須一方為主設備,另一方為從設備,不能互換角色。在該項目中以CS3000監(jiān)控系統(tǒng)為主設備,PLC,ECD,ECS等為從設備,CS3000系統(tǒng)一直檢查從設備的各種信息,然后顯示并對各種邏輯計算及控制進行處理。

圖1 主—從設備查詢回應表

2 通信硬件配置

在CS3000系統(tǒng)中用來與子系統(tǒng)建立串口通信的專用卡件是ALR121卡。ALR121通信卡支持RS-422/485通信,Modbus是其最常采用的協(xié)議,它可以提供兩個RS-422/RS485端口。在該項目中,CS3000系統(tǒng)與ESD,PLC,ECS等子系統(tǒng)之間皆采用的是 RS-485的兩線制和四線制連接。應用層協(xié)議是Modbus,這是很典型的應用,非常方便。

2.1 CS3000與ESD系統(tǒng)的Modbus硬件配置

按照安全獨立原則要求,ESD獨立于DCS,其安全級別高于DCS。CS3000與 ESD網絡連接如圖2所示,TRICON的通信功能是利用其固 有 的 通 信 模 件 TCM4351B 進 行 的。TCM4351B提供了四個串行口,通過這些接口可以和 Modbus主機及DCS進行 RS-232和RS-422/RS-485串行通信;模件還可以提供兩個 10/100 Mbit/s以太網端口和一個 RS-232調試端口。當DCS與 ESD進行通信時,采用RS-485接線的四線接法,將 ALR121的TX+,TX-,RX+,RX-,SG端 子 與TCM 4351B通信模件其中一個串口的1,2,3, 4,9端子連接即可。在該項目蒸餾、焦化、加氫裂化等 8個裝置中,采用了雙 TCM 冗余Modbus通信方式和ALR121通信卡進行通信,這樣保證了通信的準確性和快速性。

圖2 CS3000與ESD的網絡連接

2.2 CS3000與ECS的Modbus硬件配置

該項目中,ECS采用RCS-9700后臺監(jiān)控系統(tǒng)。CS3000與 ECS網絡連接如圖 3所示,和CS3000進行Modbus通信的是RCS-9700系列中的RCS-9794A/B通信裝置。RCS-9794A/B通信裝置作為RCS-9700變電站自動化系統(tǒng)的規(guī)約轉換裝置,用于將各種繼電保護設備信息、交直流屏信息、電度表信息等智能設備信息經規(guī)約轉換后接入 RCS-9700變電站自動化系統(tǒng)。RCS-9794A/B對下支持多種標準通信規(guī)約和通信接口,對上支持RCS-9700網絡103規(guī)約。進行RS-485通信時采用普通的RS-485接線的兩線接法,將ALR121的 TX+,TX-,SG端子與 RCS-9794A/B中其中一個串口的 7,8,9端子連接即可。

圖3 CS3000與ECS的網絡連接

2.3 CS3000與PLC的Modbus硬件配置

該項目中,基于 PLC的結構靈活、傳輸質量高、成本低、使用面廣等特點,PSA原油過濾系統(tǒng)、蠟油過濾、水利出焦、硫磺包裝機、火炬點火系統(tǒng)等19套小裝置都采用獨立的PLC。CS3000與PLC通信網絡示意如圖 4所示,PLC進行Modbus通信采用CP341模塊,該模塊具有1個串行通信口。可以使用這個接口實現 PLC與其他串行通信設備的數據交換。在CS3000與PLC通信時,CS3000作為主設備,PLC作為從設備。Modbus為單主站網絡協(xié)議,所以系統(tǒng)中只能夠有一個Modbus主站,并且只能夠實現主站和從站的數據交換,從站之間不能進行數據交換。采用普通的RS-485接線的兩線接法,將ALR121的 TX+,TX-,SG端子與CP341的4,8,11端子連接即可實現CS3000與PLC的通信。

圖4 CS3000與PLC的網絡連接

3 通信軟件配置及應用

以該項目加氫裂化ESD,焦化ECS,水利出焦S7-300型PLC與CS3000系統(tǒng)間通信為例,介紹TCM,RCS-9794,CP341和ALR121如何進行通信組態(tài)和編程的。

3.1 ESD軟件組態(tài)配置

在對 ESD軟件進行組態(tài)配置時,首先硬件定義中在 TRICON主機架的COM槽上定義一塊TCM4351B通信卡,并進行設置,在端口設置參數對話框下,選擇一個 TCM 模件上的通信端口(TCM共有4個通信端口)后,在接口組態(tài)設置中為選好的端口選擇通信方式。在和CS3000通信中將ESD控制器作為Modbus從站進行通信,所以通信方式要選擇“Modbus Slave RTU”。在ESD軟件組態(tài)配置中非常重要的一點就是 ESD作為Modbus通信的從站地址的定義,從站地址字段表示接受主站報文的從站地址,用戶必須設定每臺從站的專用地址,只有被編地址的設備才能對主機的命令做出應答,從站發(fā)送應答報文時報文中地址的作用是向主站報告正在通信的是哪臺從站當設定好Modbus通信從站地址后,還需要對該Modbus端口進行通信軟件參數的設置,比如波特率、量程等,具體參數要參考Modbus通信協(xié)議以及該項目實際情況。組態(tài)完通信參數后對組態(tài)進行下裝就完成了對 ESD的通信組態(tài)。ESD組態(tài)流程如圖5所示。

圖5 ESD軟件組態(tài)流程

3.2 ECS軟件組態(tài)配置

在對ECS軟件進行組態(tài)配置時,如圖6所示首先在 RCS-9793組態(tài)工具中選擇“板卡 0 (CPU1)”,然后根據現場硬件接線的實際情況來對串行口進行組態(tài),在焦化裝置中用的是卡板0的第二個串行口,所以在“板卡串行口列表”中對串行口2進行組態(tài),在串口2對應行“通信規(guī)約”對應列的位置,要選擇“Modbus串口對上規(guī)約”因為ECS是作為從站與CS3000通信的。同時要修改串行口2端口對應的線路模式、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗等參數,具體的設置要參考Modbus通信協(xié)議以及該項目實際情況。做完上述的組態(tài)并下裝后即完成了對RCS-9794A/B的通信組態(tài)

圖6 ECS軟件組態(tài)流程

3.3 PLC軟件組態(tài)配置

在對PLC軟件進行組態(tài)配置時,如圖7所示首先在STEP 7 V5.3版編程軟件的硬件配置中定義CP341通信卡。然后在CP341的參數設定中,對CP341參數進行設置,在設置參數時從站的定義非常重要,因為同上述的子系統(tǒng)一樣,PLC作為和CS3000通信的Modbus從站用戶必須設定專用地址,只有被編地址的設備才能對主機的命令做出應答。接下來要對CP341通信協(xié)議進行定義,其定義必須和現場硬件進行匹配,水利出焦裝置現場CP341用的是RS-485兩線制,所以必須定義為RS-485兩線制協(xié)議。定義完通信方式并且下裝后即完成了對 CP341的通信組態(tài)。

圖7 PLC軟件組態(tài)流程

3.4 CS3000系統(tǒng)軟件組態(tài)配置

在CS3000組態(tài)中,如圖 8所示,首先要對ALR121進行定義。進入CS3000組態(tài)管理軟件SYSTEM VIEW,對已與子系統(tǒng)連接的ALR121卡進行屬性設置,定義端口 PORT1的通信參數,如波特率,奇偶校驗,響應時間等,在參數設定時要根據上述子系統(tǒng)設置的參數,保持和子系統(tǒng)通信雙方的參數一致,其中通信方式是兩線制還是四線制要根據現場ALR121卡件接線方式保持一致,其中同ESD通信ALR121卡件使用的是四線制,而和ECS和PLC使用的是兩線制。

在定義完通信卡屬性后,接下來是在ALR121中對通信數據進行關鍵參數定義。CS3000與子系統(tǒng)通信數據的定義在通信點編輯器“COMMUNICA TION I/O BUILDER”中完成,其中組態(tài)要根據子系統(tǒng)提供的資料進行定義。關鍵參數定義如下。

a)緩沖區(qū)的大小“SIZE”,其根據與子系統(tǒng)通信的數據量來定義,不能超出子系統(tǒng)通信的數據量,否則多出的數據點會在錯誤檢測過程中被判斷為故障點,從而使系統(tǒng)將ALR121判斷為故障。

b)端口“PORT”,在“PORT”中填入與子系統(tǒng)通信的現場接線端口即可。

c)從站地址“STA TION”,即上述各子系統(tǒng)中“slave”的地址,必須要保證與通信的子系統(tǒng)的從站地址一致。

圖8 CS3000系統(tǒng)Modbus軟件組態(tài)流程

d)設備類型和通信數據起始地址“DEVICE&ADDRESS”,它是根據子系統(tǒng)提供的Modbus通信地址的起始地址進行設定的,以后的排列順序必須與子系統(tǒng)提供的地址表相一致。

e)數據類型“DATA TYPE”,它的設定根據與子系統(tǒng)通信數據的類型選擇的,如果是模擬量數據類型就選擇“16位無符號整型”,其他類型以此類推。

f)位號說明“LABEL”等信息。

4 CS3000中Modbus信息換算方法

利用CS3000系統(tǒng)FUCTION BLOCK建立一個通信顯示時,根據Modbus通信系統(tǒng)信息的機構特點,PLC,ESD,ECS等系統(tǒng)通信給CS3000的原始報文是16位整數值,需要進行數據轉換。將Modbus通信的16位整數值轉換為CS3000用戶所能識別的浮點型實數值。在CS3000系統(tǒng)的詳細參數設置中,在輸入信號轉換這一項選擇通信輸入“SUBSYS”,CS3000通過內部換算公式將數值轉換為外部的浮點型實數值,兩者之間有一定的數學關系,這個關系就是 Modbus數值量的換算關系。

5 結束語

該項目自使用Modbus通信協(xié)議將各個系統(tǒng)的數據通信集中到CS3000系統(tǒng)以來,CS3000通過RS-422,RS-485接口用Modbus RTU協(xié)議同PLC,ESD,ECS間的通信一直正常,從未出現過任何軟、硬件故障以及其他干擾現象,有效地保證了 DCS的正常運行?？梢?CS3000通過Modbus與PLC,ESD,ECS等系統(tǒng)通信是一種行之有效的方法。DCS中可以讀取PLC,ESD,ECS等系統(tǒng)中的測量值、設定值等,同時可以遠程設置和監(jiān)視PLC,ESD,ECS等系統(tǒng)中控制閥的數據,極大地方便了現場的控制和操作。

[1] 徐建山,呂震中,于向軍.利用Modbus協(xié)議實現與火電站DCS的串行通信[J].測控技術,2003,(3):40-42.

[2] 周純杰,江建華,徐邦荃,等.基于Modbus協(xié)議的 PLC與CAN總線通信方法及實現[J].電氣傳動,2004,(6): 29-31.

[3] 朱 祎,鄭華耀.基于Modbus通信協(xié)議的網絡化電力傳動船舶監(jiān)控系統(tǒng)[J].機電一體化,2005,(3):73-77.

[4] 顏河恒,王曉華,佟為明.Modbus關鍵技術分析及節(jié)點開發(fā)[J].自動化技術與應用,2006,(5):49-57.

[5] 黃 寧,范軼翔,張 俊.采用Modbus協(xié)議實現DCS系統(tǒng)中監(jiān)控級數據集成[J].電子技術應用,2002,(7):40-42.

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

[7] 徐 濤,閆 科,趙景林,等.基于ModBus協(xié)議的串行接口實現與DCS通信[J].工業(yè)控制計算機,2002,(3):56-57.

[8] 盧文俊,冷 杉,楊建軍.基于Modbus協(xié)議的控制器遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動化設備,2003,(6):54-56.

The Application of the Modbus Communication Protocol in CS3000

Wang Xiang,Ding Wei
(The Dushanzi Petrochemi.Co.Refinery Plant, instru.workshop,Kelamayi,833600,China)

The contents and means of data transmission of the Modbus protocol are introduced.The application of CS3000 system and other subsystems in the plant is presented,the hardware disposition and software configuration fordata exchangebased on theModbus are expounded. How the communication between CS3000 and intelligent control instruments of third part is realized by the Modbus communication protocol is described.That has made control and operation more convenient in the operation of refinery automatic control system and is worth promoting.

the Modbus communication protocol;transmission mode;data conversion;master and slave equipments;hardware configuration;software configuration

TP273

B

1007-7324(2011)01-0057-04

2010-11-29(修改稿)。

王 翔(1982—),男,主要從事儀表自動化及DCS應用軟件開發(fā)和維護工作,任助理工程師。