黃軍政 楊權(quán)文 王曉春 馬潤(rùn)波

(新疆獨(dú)山子石化公司乙烯廠儀表車(chē)間，新疆 克拉瑪依 833600)

0 引言

在化工生產(chǎn)中，常常需要將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的儀表信號(hào)通過(guò)Modbus通信在監(jiān)測(cè)控制、聯(lián)鎖保護(hù)等系統(tǒng)之間傳遞，以實(shí)現(xiàn)儀表信號(hào)在不同控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享。這種數(shù)據(jù)通信在當(dāng)今化工生產(chǎn)中已經(jīng)被普遍采用并標(biāo)準(zhǔn)化，但是仍然需要用戶(hù)根據(jù)具體情況靈活應(yīng)用。本文對(duì)CS3000系統(tǒng)和Tricon SIS系統(tǒng)之間的Modbus通信進(jìn)行了探討。

1 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

1.1 Modbus的定義

Modbus的最初定義是:Modicon的各種控制器所使用的公共語(yǔ)言稱(chēng)為Modbus協(xié)議［1］。該協(xié)議定義了控制器能識(shí)別和使用的信息結(jié)構(gòu)。通信分主從站，一個(gè)主站最多可以有32個(gè)從站。當(dāng)通信接口采用RS-232時(shí)，最大傳輸距離為15 m，僅用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信;當(dāng)采用RS-422時(shí)，最大傳輸距離為1 220 m，但僅用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信;當(dāng)采用RS-485時(shí)，最大傳輸距離為1 220 m，可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)串行通信，RS-485可用2線(xiàn)或4線(xiàn)電纜，均采用雙絞線(xiàn)，以提高抗干擾能力。

Modbus有兩種通信模式:ASCII模式和遠(yuǎn)程終端裝置(remote terminal unit，RTU)模式。

當(dāng)控制器以ASCII模式在Modbus總線(xiàn)上進(jìn)行通信時(shí)，是將原始數(shù)據(jù)信息中的每8 bit數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為2個(gè)以16進(jìn)制表示的ASCII字符傳輸。這種模式效率較低，只能傳輸7 bit的老式設(shè)備。

當(dāng)控制器以RTU模式在Modbus總線(xiàn)上進(jìn)行通信時(shí)，數(shù)據(jù)信息是以原始的二進(jìn)制傳輸?shù)?，效率高。因此本設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)和安全儀表系統(tǒng)(safety instrument system，SIS)的Modbus通信都采用RTU模式。

1.2 Modbus的消息體結(jié)構(gòu)

當(dāng)DCS與其他控制系統(tǒng)采用RS-485串口進(jìn)行Modbus通信時(shí)，必須采用RTU模式，以消息幀的形式傳輸。RTU模式的Modbus消息結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 Modbus消息結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Modbus message

消息幀正文包括:地址域、功能碼、數(shù)據(jù)域和校驗(yàn)域。每個(gè)消息幀的開(kāi)始和結(jié)尾是3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間的靜默［2］。

Modbus網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備都有唯一的地址碼，范圍為1～247。當(dāng)一個(gè)主設(shè)備在Modbus網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)上的所有從設(shè)備將解碼該消息幀中的設(shè)備地址域，以決定它是否是發(fā)給自己的。只有地址碼與消息幀地址域中地址碼相同的設(shè)備才會(huì)做出響應(yīng)，其他設(shè)備將丟棄這個(gè)請(qǐng)求。

消息中的功能代碼表示被尋址的從設(shè)備應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作類(lèi)型。Modbus功能碼簡(jiǎn)要說(shuō)明如表1所示。

表1 Modbus功能碼Tab.1 Functional code of Modbus

數(shù)據(jù)域中的內(nèi)容就是功能碼所表示的操作功能的操作對(duì)象。在查詢(xún)消息中，數(shù)據(jù)域由數(shù)據(jù)起始地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度組成，它們分別占用2 B。在響應(yīng)消息中，數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(2 B)和數(shù)據(jù)內(nèi)容。

校驗(yàn)域用于檢查傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤，保證設(shè)備不去響應(yīng)錯(cuò)誤消息，提高系統(tǒng)的安全性。校驗(yàn)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC16。

2 與Modbus通信相關(guān)的硬件功能簡(jiǎn)介

在CS3000和Tricon的通信中，CS3000為主站，Triconex為從站。CS3000的 ALR121是該系統(tǒng)的Modbus專(zhuān)用模塊，它將傳輸信息按Modbus協(xié)議進(jìn)行打包處理，然后通過(guò)RS-485串口通信將信息傳輸給Triconex的 TCM通信模塊。CS3000和 Tricon的Modbus連接圖如圖2所示。

圖2 CS3000與Tricon的Modbus連接圖Fig.2 Modbus connections between CS3000 and Tricon

Tricon是帶3個(gè)主處理器的三重冗余系統(tǒng)，TCM與DCS通信通過(guò)Modbus總線(xiàn)，而與3個(gè)主處理器的通信是通過(guò)Tricon內(nèi)部的通信總線(xiàn)。

3 CS3000與Tricon之間的Modbus組態(tài)

3.1 與Modbus通信相關(guān)的硬件組態(tài)

3.1.1 CS3000 系統(tǒng) ALR121 硬件組態(tài)

在系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面System View中，選中與PLC連接的ALR121卡。右鍵單擊，在跳出的屬性設(shè)置對(duì)話(huà)框中進(jìn)行參數(shù)定義，如波特率、偶校驗(yàn)、響應(yīng)時(shí)間等。屬性對(duì)話(huà)框中Card Common屬性頁(yè)的Connnection Device一項(xiàng)一定要選Modbus。

3.1.2 Tricon系統(tǒng)TCM硬件通信組態(tài)

TCM硬件組態(tài)分為網(wǎng)絡(luò)接口組態(tài)、串口組態(tài)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口組態(tài)、Modbus TCP接口組態(tài)、路由組態(tài)等。

Tricon TCM硬件通信組態(tài)步驟如下。

①在Tristation中，打開(kāi)要組態(tài)的項(xiàng)目，然后展開(kāi)控制樹(shù)，雙擊組態(tài)，展開(kāi)硬件配置。

②雙擊安裝有TCM的槽，在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框中點(diǎn)擊Setup。

③在出現(xiàn)的TCM設(shè)置對(duì)話(huà)框中選擇Modbus TCP，打開(kāi)下一級(jí)對(duì)話(huà)框，完成 Modbus通信組態(tài)［3］。

3.2 與Modbus通信相關(guān)的軟件組態(tài)

3.2.1 ALR121 通信卡的 Modbus軟件組態(tài)

在定義完ALR121通信卡屬性后，最重要的一項(xiàng)工作就是在 ALR121中定義通信點(diǎn)的地址［4］。在System View中對(duì)應(yīng)的Flash通信服務(wù)器(flash communication server，F(xiàn)CS)中找到要組態(tài)的 ALR121，右擊該圖標(biāo)選擇 Edit Detail，出現(xiàn) communication building，其中關(guān)鍵參數(shù)如下。

Size:4;

Port:1;

Station:1;

Device＆Address:A31030;

Ddata Type:input(discrete)。

其中，Device＆Address的地址 A31030是SIS編程者提供的Modbus通信地址的起始地址，以后的排列順序必須與 SIS提供的地址表相一致?！癉evice＆Address”在 Modbus PLC的地址結(jié)構(gòu)如下:

在本例中(Device＆Address:A31030):A為CS3000功能碼，表示讀或?qū)慣ricon中打包好的數(shù)據(jù)，一次讀寫(xiě)16 bits;“3”表示CS3000要讀的信息存儲(chǔ)在Tricon的輸入寄存器內(nèi);“1030”表示Tricon中輸入寄存器的初始地址。

ALR121字地址分配圖如圖3所示。

圖3 ALR121字地址分配圖Fig.3 Distribution map of ALR121 word address

3.2.2 數(shù)字量的Modbus通信組態(tài)

對(duì)于數(shù)字量通信，在定義完硬件地址A31030等參數(shù)后，應(yīng)記住%WW0089地址，然后在所在FCS的Switch表格中定義通信點(diǎn)變量詳細(xì)地址。由于1字符=2 B=16 bit，因此%WW0089對(duì)應(yīng)Switch表格中的%WB008901～%WB008916，可以定義16個(gè)數(shù)字量。按照SIS程序提供的通信變量順序，將變量分配給%WB008901～%WB008916。其中Switch表格中的Tag Name是在CS3000系統(tǒng)中調(diào)用的變量名稱(chēng)。

3.2.3 模擬量的Modbus通信組態(tài)

模擬量的Modbus通信可以采用以無(wú)符號(hào)16位整型數(shù)的形式傳輸和以浮點(diǎn)數(shù)的形式傳輸。

3.2.3.1 以無(wú)符號(hào)16位整型數(shù)的形式傳輸

對(duì)于由Tricon通信到 CS3000的模擬量信號(hào)，Tricon將一個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成一個(gè)無(wú)符號(hào)16位整型數(shù)，取值范圍為819～4 095，并賦予別名，每個(gè)別名對(duì)應(yīng)一個(gè)Modbus地址。CS3000根據(jù)Modbus地址收到該信號(hào)后，將此無(wú)符號(hào)16位整型數(shù)放在ALR121的一個(gè)%WWxxxx中，并在 Data Type中選16-bit unsigned(16位無(wú)符號(hào)整型數(shù));然后在Control Drawing中組態(tài)時(shí)采用PVI顯示模塊。該模塊輸入地址為%WWxxxx，從而將信號(hào)值傳到 PVI中處理。在 PVI顯示模塊 Edit Detail中的 Input菜單下填入利用式(1)計(jì)算出的GAIN和BIAS值，將無(wú)符號(hào)16位整型數(shù)轉(zhuǎn)換成CS3000所需要的工程值。Tricon整型數(shù)與實(shí)型數(shù)對(duì)應(yīng)圖如圖4所示。

圖4 Tricon整型數(shù)與實(shí)型數(shù)對(duì)應(yīng)圖Fig.4 Corresponding graph of Tricon integer and real number

式中:Y為HIS中顯示的PV，即圖4中的實(shí)數(shù)值;X為通過(guò)Modbus傳到DCS的數(shù)據(jù)(無(wú)符號(hào)16 bit整型數(shù))，即圖4中(Modbus最大值－Modbus最小值)之間的值，這里取值范圍為0～32 767;GAIN為“斜率”，即圖4中(量程上限 －量限下限)/(Modbus最大值 －Modbus最小值);BIAS為偏差值，即圖4中量程下限。

3.2.3.2 以浮點(diǎn)數(shù)的形式傳輸

以浮點(diǎn)數(shù)的形式傳輸是指Tricon將一個(gè)模擬量直接轉(zhuǎn)換成用浮點(diǎn)數(shù)表示的工程量，并賦予別名，每個(gè)別名對(duì)應(yīng)一個(gè)Modbus地址。CS3000根據(jù)Modbus地址收到該信號(hào)后，將此浮點(diǎn)數(shù)放在ALR121的一個(gè)%WWxxxx中，并在Data Type中選32-bit floating(32位浮點(diǎn)數(shù))。然后在Control Drawing中組態(tài)時(shí)采用PVI顯示模塊，模塊輸入地址為%WWxxxx，從而將信號(hào)值傳至PVI中。此時(shí)無(wú)需再利用式(1)就可以在DCS中顯示該值的工程量。

3.2.4 Tricon 別名的使用規(guī)則

Tricon系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)變量分配一個(gè)別名，每個(gè)別名對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的Modbus地址，這樣Modbus主機(jī)或其他外部的計(jì)算機(jī)可以通過(guò)Modbus地址來(lái)訪問(wèn)Tricon控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)。

Tricon系統(tǒng)使用三種類(lèi)型的變量和別名，即輸入/輸出變量、內(nèi)存變量、系統(tǒng)變量。

①輸入/輸出別名是在用戶(hù)安裝或拆下輸入/輸出卡件時(shí)由Tricon自動(dòng)分配的。

②內(nèi)存別名必須由編程者根據(jù)協(xié)議、規(guī)則制定分配。

③系統(tǒng)別名由Tricon預(yù)定義，而且不能改變。

別名由五個(gè)數(shù)字組成，表2給出了Modbus數(shù)據(jù)類(lèi)型表示方法。

表2 別名與Modbus數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)照表Tab.2 Contrast between alias and Modbus data type

值得注意的是，數(shù)字2～數(shù)字5中的數(shù)據(jù)須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才是真正的Modbus地址。

3.2.5 Tricon 中的 Modbus程序

Tricon支持布爾型數(shù)、16位整型數(shù)、32位整型數(shù)和32位實(shí)型數(shù)等。假如Tricon有16個(gè)數(shù)字量信號(hào)需要傳輸?shù)紻CS，則系統(tǒng)將這16個(gè)數(shù)字量信號(hào)打包裝入一個(gè)16位輸入寄存器中，并且給它分配Modbus地址(從31030開(kāi)始)。DCS通過(guò)這個(gè)地址可以讀到相應(yīng)信息。然后CS3000使用Communication I/O Builder將信息包中信息分配給DCS系統(tǒng)中的Switch開(kāi)關(guān)量，同時(shí)給這些開(kāi)關(guān)量指定tag name，以備CS3000調(diào)用。若Tricon通過(guò)Modbus通信接收到來(lái)自CS3000的信息，則使用拆包程序，Tricon可以使用這些拆分好的開(kāi)關(guān)量信息參與邏輯運(yùn)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中DCS采用的是CS3000系統(tǒng)，SIS采用Tricon三重冗余系統(tǒng)，壓縮機(jī)狀態(tài)檢測(cè)采用本特利3500系統(tǒng)，壓縮機(jī)速度控制系統(tǒng)采用Woodward505。以上各系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)Modbus通信，因此，Modbus通信在實(shí)際應(yīng)用中非常普遍，發(fā)揮著十分重要的作用。本文僅對(duì)DCS和SIS之間的Modbus通信進(jìn)行了比較全面的闡述，希望對(duì)大家有一定的啟發(fā)作用。

［1］張喆，姜薇.TriStation 1131配置及應(yīng)用［M］.上海:上海?？怂共_有限公司，2006.

［2］劉文權(quán)，劉玲，張文.如何建立CS3000與子系統(tǒng)的MODBUS通訊［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(10):118 －120.

［3］趙恒.內(nèi)嵌Modbus協(xié)議的通用監(jiān)控模塊［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31(12):12 －15.

［4］王翔，丁偉.Modbus通信協(xié)議在CS3000中的應(yīng)用［J］.石油化工自動(dòng)化，2011(1):57－60.