梁汝軍

（1.北京化工大學(xué)化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2.中國石油化工股份有限公司北京化工研究院燕山分院，北京102549）

銀催化劑是乙烯氧化制環(huán)氧乙烷反應(yīng)過程中惟一有效的催化劑。在該催化劑的研發(fā)過程中，銀催化劑中試評價(jià)裝置（以下簡稱單管裝置）及銀催化劑工業(yè)側(cè)線評價(jià)裝置（以下簡稱側(cè)線裝置）分別是2套對銀催化劑反應(yīng)性能進(jìn)行測試和評價(jià)的實(shí)驗(yàn)裝置。為了分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，先后裝備了工業(yè)在線色譜儀、工業(yè)在線質(zhì)譜儀等先進(jìn)的在線分析儀器。

1 項(xiàng)目簡介

以單管裝置裝備的工業(yè)在線質(zhì)譜儀（PRIMA－δB）為例，其突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在瞬間進(jìn)行氣體試樣的全組分分析。但是，該優(yōu)點(diǎn)卻給DCS與工業(yè)在線質(zhì)譜儀之間的數(shù)據(jù)通信帶來了困難，因?yàn)楣I(yè)在線質(zhì)譜在對每一路試樣氣進(jìn)行分析檢測時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生25個(gè)組分的摩爾比信號；總共6路試樣氣自動(dòng)循環(huán)切換分析，再加上工業(yè)在線質(zhì)譜儀內(nèi)部各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)以及各種故障報(bào)警輸出等信號，總共有100多個(gè)信號要求在同一周期內(nèi)進(jìn)行傳輸。若采用傳統(tǒng)的模擬量或開關(guān)量信號傳輸模式，需要在DCS與工業(yè)在線質(zhì)譜儀之間鋪設(shè)至少數(shù)十根信號線，并需要在DCS機(jī)柜和工業(yè)在線質(zhì)譜儀中新增數(shù)個(gè)相互匹配的模擬量或開關(guān)量輸入／輸出卡件。這樣不僅投資巨大，而且給日后DCS和工業(yè)在線質(zhì)譜儀的管理和維護(hù)也帶來不小的難度。

為尋求準(zhǔn)確、可靠、快速的數(shù)據(jù)通信方法，有人曾進(jìn)行過各種嘗試，如文獻(xiàn)［1］利用傳統(tǒng)的模擬量、開關(guān)量I／O輸入輸出方式，實(shí)現(xiàn)了GC1000S工業(yè)在線色譜儀與TDC－3000DCS間的信號傳輸，但傳輸信號僅有2個(gè)模擬量信號和4個(gè)開關(guān)量信號；文獻(xiàn)［2］利用了工業(yè)在線色譜儀工作站中的RS－232CI／O接口卡與DCS中數(shù)據(jù)通信卡，實(shí)現(xiàn)了AA工業(yè)在線色譜儀與Centum－XL型DCS之間的數(shù)字化通信。但是，由于存在多臺(tái)AA工業(yè)在線色譜儀分析數(shù)據(jù)的通信地址分配與DCS通信卡中的地址分配不匹配的問題，在DCS中未能接收到全部的色譜分析數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)［3］曾利用Modbus協(xié)議的RS－485串行通信方式實(shí)現(xiàn)了工業(yè)色譜儀與DCS之間的數(shù)字通信。

以此為基礎(chǔ)，筆者曾于2008年運(yùn)用獨(dú)特的雙寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)技術(shù)，首次利用基于Modbus協(xié)議的RS－485串行通信方式，精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了側(cè)線裝置的DCS（CS－3000）與工業(yè)在線質(zhì)譜儀（MAX300－IG）之間數(shù)據(jù)通信的數(shù)字化［4］。近期，筆者又對該數(shù)字化通信方式進(jìn)行了改進(jìn)，并再次將其應(yīng)用到單管裝置中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單管裝置DCS（Webfield ECS－100）與工業(yè)在線色譜儀（MAXUM EDITION II）、工業(yè)在線質(zhì)譜儀2臺(tái)智能分析儀器之間準(zhǔn)確、簡潔的Modbus協(xié)議數(shù)字化通信。

2 Modbus協(xié)議

目前國內(nèi)外許多儀器、儀表的生產(chǎn)廠商都將Modbus協(xié)議作為其產(chǎn)品或系統(tǒng)共同遵守的通用語言，不僅將Modicon的網(wǎng)絡(luò)部件（如Modbus Plus）集成到自己的產(chǎn)品中，而且還在實(shí)踐應(yīng)用過程中嚴(yán)格遵循并支持該協(xié)議。

在石油石化行業(yè)中，出于提高DCS的自控水平、完善控制功能的考慮，往往需要將其他的專用系統(tǒng)接入DCS中。因此，大量采用RS－485串行通信方式和Modbus通信協(xié)議，使得來自DCS的數(shù)據(jù)流和其他專用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流能夠相互間有效識別、高速交流，從而實(shí)現(xiàn)DCS對裝置各系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控、控制、管理等功能，這在具體的實(shí)踐中確實(shí)擁有很多成功應(yīng)用的實(shí)例［5－10］。

盡管Modbus網(wǎng)絡(luò)通信方法對各個(gè)系統(tǒng)來說關(guān)系是對等的，但Modbus協(xié)議通信方式采用的卻是主－從原則。即在該網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)控制器可以初始化查詢，并發(fā)起一個(gè)信息傳送，這個(gè)控制器就是Modbus通信網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備，信息傳出后，它期待著其他從設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)信號。與此類似，當(dāng)另一個(gè)控制器（從控制器）收到信息后，就會(huì)組織一個(gè)從設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)，并將反饋消息返回到發(fā)出信息的控制器（主控制器）上。Modbus通信協(xié)議主－從設(shè)備查詢回應(yīng)周期如圖1所示。筆者所在的單管裝置中，選取DCS為主設(shè)備，工業(yè)在線色譜儀及工業(yè)在線質(zhì)譜儀等智能分析儀器為從設(shè)備。

Modbus通信協(xié)議中報(bào)文格式［3，11－14］有兩種：ASCII和遠(yuǎn)程終端單元RTU（Romote Terminal Unit），兩種報(bào)文格式的結(jié)構(gòu)形式雷同。區(qū)別僅在于ASCII格式報(bào)文以冒號開始，以回車換行符結(jié)束；而RTU格式卻以傳遞一不短于3.5個(gè)字符的空閑時(shí)間開始，并以不短于3.5個(gè)字符的一空閑時(shí)間來表示報(bào)文的結(jié)束。

不同的控制器可以按照標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信網(wǎng)絡(luò)，用兩種報(bào)文中的任意一種來進(jìn)行通信。一定格式的報(bào)文定義了Modbus通信網(wǎng)絡(luò)中以串形方式傳輸?shù)男畔鲋械木唧w內(nèi)容，規(guī)定了信息是如何被打包到信息場中以及如何對信息進(jìn)行解碼。

參照圖1，以主設(shè)備查詢數(shù)據(jù)報(bào)文為例，主設(shè)備查詢信息中的功能代碼為被尋址的從設(shè)備應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作類型，數(shù)據(jù)字節(jié)中包含從設(shè)備需執(zhí)行功能的附加信息。該數(shù)據(jù)區(qū)必須包含有從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)的起始地址、數(shù)量等信息，它可以是實(shí)際的數(shù)值、狀態(tài)值、主設(shè)備發(fā)送給從設(shè)備或者從設(shè)備發(fā)送給主設(shè)備的地址等。Modbus的RTU報(bào)文格式規(guī)定通信字符串的最后兩個(gè)字節(jié)用于傳遞循環(huán)冗余校驗(yàn)數(shù)據(jù)。在RTU報(bào)文格式中采用的是CRC－16的冗余校驗(yàn)方式。最后，以不短于3.5個(gè)字符的一空閑時(shí)間來表示報(bào)文結(jié)束。錯(cuò)誤效驗(yàn)區(qū)為從設(shè)備提供了一種檢驗(yàn)方法，用以保障信息內(nèi)容的完整性。

如果從設(shè)備產(chǎn)生正?；貞?yīng)，則從設(shè)備應(yīng)答報(bào)文中的功能代碼就是對主設(shè)備在查詢報(bào)文中功能代碼的回應(yīng)。隨后的數(shù)據(jù)段中包含從設(shè)備所收集到的數(shù)據(jù)內(nèi)容：如寄存器狀態(tài)及寄存器中的數(shù)據(jù)值等。但是，如果檢測出錯(cuò)，則從設(shè)備應(yīng)答報(bào)文中的功能代碼將被修改，用以指出回應(yīng)信息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段中包含了描述該錯(cuò)誤信息的代碼，錯(cuò)誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)信息內(nèi)容是否可用。

這兩種格式在表達(dá)相同的信息時(shí)，RTU需要較少的位數(shù)，且在相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量。因此，筆者在單管裝置中的實(shí)際應(yīng)用中，選取的是RTU報(bào)文格式。

圖1 Modbus通信協(xié)議主－從設(shè)備查詢回應(yīng)周期表

3 銀催化劑中試評價(jià)裝置Modbus協(xié)議的應(yīng)用

3.1 硬件配置

3.1.1 DCS硬件配置

單管裝置DCS選用Webfield ECS－100，該系統(tǒng)提供一塊通信接口卡FW244，是DCS與其他智能分析儀器或儀表通信的網(wǎng)間連接設(shè)備，是ScnetⅡ網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之一。在FW244卡的芯片上有DCS主控卡的程序。它的通信程序通過SCX語言編寫，由DCS組態(tài)軟件下傳到FW244卡中運(yùn)行。主要功能是將各智能設(shè)備中的數(shù)據(jù)通過通信的方式連入DCS，并通過ScnetⅡ網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在DCS中的共享。該卡可提供RS－232和RS－485兩種物理接口方式，并通過SCX語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)DCS與其他智能分析儀器或儀表的通信。

3.1.2 工業(yè)在線智能分析儀硬件配置

在單管裝置共有2臺(tái)工業(yè)在線智能分析儀器，其與DCS之間的Modbus串行通信過程中，考慮到裝置區(qū)現(xiàn)場主從設(shè)備間的距離（約100m）的實(shí)際情況，Modbus串行通信物理接口選擇的方式為RS－485，半雙工差分方式傳輸信號。該方式采用二線差分電平發(fā)送和接收，能最大程度地克服共模干擾、抑制線路噪音。

3.1.3 通信連接

連接各系統(tǒng)的通信電纜選用符合BS6500標(biāo)準(zhǔn)的LIYCY 3×2×0.14型RS－485總線電纜（總長約150m），該電纜能夠有效屏蔽外界電場的影響，保證數(shù)據(jù)的精確傳輸，并附帶有獨(dú)立的接地導(dǎo)體。

值得強(qiáng)調(diào)的是，在RS－485通信網(wǎng)絡(luò)外部接線過程中，各系統(tǒng)的通信接口卡應(yīng)該按照規(guī)范的要求進(jìn)行接線，如圖2所示。但在實(shí)際應(yīng)用中，部分廠家在連接RS－485通信鏈路時(shí)通常只是簡單地用一對雙絞線將各個(gè)接口的正負(fù)端對應(yīng)連接起來，忽略了信號接地線的連接，這種做法是不妥當(dāng)?shù)摹?/p>

3.2 軟件設(shè)置

3.2.1 地址分配表

地址分配表是工業(yè)在線智能分析儀器（或其他從設(shè)備）的工作站分配給智能分析儀器中所有分析數(shù)據(jù)或儀器所有運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的連續(xù)地址序列。根據(jù)地址分配表中每一個(gè)分析數(shù)據(jù)或運(yùn)行參數(shù)地址編碼的不同，它們被存儲(chǔ)在儀器內(nèi)存寄存器中的不同位置。一旦DCS想要從中獲取數(shù)據(jù)，只需發(fā)送想要的數(shù)據(jù)所存儲(chǔ)的寄存器地址碼即可。

Webfield ECS－100控制系統(tǒng)中的1塊FW244通信卡最多可同時(shí)連接4個(gè)從設(shè)備，為了避免不同的從設(shè)備中具有相同寄存器地址編碼的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之間的互相干擾，每個(gè)從設(shè)備間將以不同的從設(shè)備地址加以區(qū)分。

3.2.2 SCX編程軟件源程序

Webfield ECS－100系統(tǒng)中FW244通信卡的驅(qū)動(dòng)程序由SCX編程語言編寫，由該DCS組態(tài)軟件下載到FW244通信卡中運(yùn)行。SCX編程語言可提供串行通信庫函數(shù)、Modbus RTU協(xié)議庫函數(shù)和Hostlink協(xié)議庫函數(shù)。

圖2 RS－485接口的外部接線示意注：2，4，8，9，11——接口端子上的接線管腳編號

按照SCX程序的運(yùn)行，DCS將從工業(yè)在線質(zhì)譜儀和色譜儀相應(yīng)寄存器地址中讀取數(shù)據(jù)，給Webfield ECS－100系統(tǒng)相對應(yīng)的分析數(shù)據(jù)變量進(jìn)行賦值，并按照DCS組態(tài)程序的要求參與控制回路、聯(lián)鎖回路的運(yùn)算或執(zhí)行。

由于篇幅所限，這里略去SCX編程源程序。

3.2.3 波特率

在工業(yè)在線質(zhì)譜儀和色譜儀與DCS之間利用RS－485接口進(jìn)行Modbus協(xié)議通信過程中，其信號傳輸?shù)乃俾视上到y(tǒng)的波特率決定，該參數(shù)的設(shè)置較為關(guān)鍵。

a）波特率數(shù)值越高數(shù)據(jù)傳輸速率越快，但波特率越高，數(shù)據(jù)的傳輸距離會(huì)越短。

b）由于單管裝置始建于1986年，中間歷經(jīng)多次改擴(kuò)建，部分儀表信號線和動(dòng)力電纜線在裝置區(qū)有混雜交匯的現(xiàn)象，個(gè)別儀表信號線和動(dòng)力電纜線甚至處于同一電纜橋架內(nèi)，未做有效的隔離。因此，通信電纜所處電磁環(huán)境較為惡劣。

由于Modbus協(xié)議對報(bào)文的起始時(shí)間以及報(bào)文與報(bào)文之間的停頓時(shí)間間隔有一定的要求，每兩幀數(shù)據(jù)響應(yīng)間隔不能超過1s，而且報(bào)文必須作為一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，考慮到系統(tǒng)最大的報(bào)文長度以及一次傳輸256幀數(shù)據(jù)的要求，波特率最終設(shè)定為9 600bit／s，這樣可同時(shí)滿足傳輸速度和可靠性的要求。

在配置控制器時(shí)，用戶在選擇串行口通信參數(shù)（波特率、奇偶校驗(yàn)方式等）的同時(shí)可選擇通信方式。在同一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)中，所有的設(shè)備都應(yīng)設(shè)置成同樣的通信方式和串行通信參數(shù)。

3.2.4 寄存器

由于RS－485傳輸電平采用差分信號負(fù)邏輯，2～6V表示“0”，－6～－2V表示“1”。而工業(yè)在線質(zhì)譜儀和色譜儀的內(nèi)存寄存器均為16位2進(jìn)制存儲(chǔ)器。因此，按照Modbus協(xié)議的RS－485串行通信方式是無法傳輸小數(shù)。如果從設(shè)備想要發(fā)送一個(gè)十進(jìn)制數(shù)據(jù)，其范圍只能是0～99 999之間的任意整數(shù)，DCS接收的數(shù)據(jù)也在0～99 999之間的任意一個(gè)和主機(jī)非常接近但絕對不相等的整數(shù)，DCS只有通過一個(gè)計(jì)算公式X從設(shè)備＝XDCS÷99 999×量程上限，才能保持和從設(shè)備發(fā)送的十進(jìn)制數(shù)據(jù)在一定有效位數(shù)范圍內(nèi)相等。為避免傳輸過程中數(shù)據(jù)失真，一般要對從設(shè)備的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理，使其盡可能地接近99 999，否則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。為此在把分析數(shù)據(jù)存入內(nèi)存寄存器之前，必須進(jìn)行取整運(yùn)算。

但對于在線工業(yè)質(zhì)譜或色譜這樣的智能分析儀器，要想尋找到合適的放大倍數(shù)并不容易，這是因?yàn)榇祟惙治鰞x均為全組分分析儀器，不僅用以對反應(yīng)混合氣當(dāng)中的常量組分進(jìn)行分析，而且還用來分析10－6級的微量組分。因此，若放大倍數(shù)過小，則微量組分通信傳輸至DCS后顯示結(jié)果會(huì)始終為0，嚴(yán)重失真；相反，若放大倍數(shù)過大，則又會(huì)造成常量組分寄存器存儲(chǔ)溢出，同樣造成數(shù)據(jù)傳輸失敗。

為此，筆者對在線工業(yè)質(zhì)譜及色譜操作軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，通過對操作軟件的底層程序做適當(dāng)修改，使得每個(gè)分析數(shù)據(jù)在存入寄存器前均能乘以一個(gè)獨(dú)立的與分析數(shù)據(jù)數(shù)量級相匹配的放大倍數(shù)。這樣既保證了傳輸數(shù)據(jù)的精度，又保證了寄存器的有效存儲(chǔ)容量，提高了運(yùn)算和傳輸?shù)乃俣?，從根本上解決了該矛盾。

3.3 實(shí)際應(yīng)用效果

自該方案實(shí)施以來，利用RS－485串行通信方式，再次實(shí)現(xiàn)了單管裝置DCS與工業(yè)在線質(zhì)譜儀及色譜儀之間準(zhǔn)確、快捷的數(shù)字化數(shù)據(jù)通信。使用至今從未出現(xiàn)過數(shù)據(jù)傳輸失真、數(shù)據(jù)通信故障等事故，提高了整個(gè)裝置的自動(dòng)化水平。

圖3，圖4分別為單管裝置DCS連續(xù)記錄的工業(yè)在線色譜儀常量組分和微量組分分析數(shù)據(jù)的歷史趨勢。其中的每一個(gè)摩爾比分析數(shù)據(jù)均由工業(yè)在線色譜儀以RS－485串行通信方式實(shí)時(shí)傳輸過來。

圖5，圖6分別為單管裝置DCS連續(xù)記錄的工業(yè)在線質(zhì)譜儀常量組分和微量組分分析數(shù)據(jù)的歷史趨勢。其中的每一個(gè)摩爾比分析數(shù)據(jù)均由工業(yè)在線質(zhì)譜儀以Modbus協(xié)議的RS－485串行通信方式實(shí)時(shí)傳輸過來。

4 結(jié)束語

在銀催化劑中試評價(jià)裝置中，利用RS－485串行通信方式，實(shí)現(xiàn)了DCS與工業(yè)在線質(zhì)譜儀及色譜儀之間準(zhǔn)確的數(shù)字化數(shù)據(jù)通信。通過對工業(yè)在線質(zhì)譜儀及色譜儀操作軟件進(jìn)行二次開發(fā)，運(yùn)用給每個(gè)分析數(shù)據(jù)乘以一個(gè)獨(dú)立的放大倍數(shù)的方法，有效地增加了內(nèi)存寄存器分析數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)容量，提高了DCS與工業(yè)在線質(zhì)譜儀及色譜儀之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、可靠性和傳輸速度。實(shí)現(xiàn)了DCS對裝置各系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控、控制、管理等功能，提高了裝置的整體自動(dòng)化水平和管理水平。

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