李春峰

（撫順石化工程建設(shè)有限公司，廣西 欽州 535008）

0 引言

溫度是石化行業(yè)最重要的測(cè)量參數(shù)之一，在部分裝置大型反應(yīng)器上，有大量的溫度需要進(jìn)行測(cè)量監(jiān)視。在一般的解決方案中，是將現(xiàn)場(chǎng)溫度通過溫變連接至DCS系統(tǒng)AI卡，或者通過導(dǎo)線進(jìn)入DCS系統(tǒng)TC或RTD卡件。

廣西石化大量采用多路溫度采集器，通過Modbus通訊將現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)送入DCS內(nèi)。達(dá)到測(cè)量監(jiān)視的目的。

通過通訊的方式監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)溫度，在保證測(cè)量精度的同時(shí)，還能減少現(xiàn)場(chǎng)電纜的數(shù)量，節(jié)省DCS通道數(shù)量。

1 Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議目前已經(jīng)廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、協(xié)議中，只能有一個(gè)主站，其他為從站，從站地址唯一，范圍從1～255。它采用主從應(yīng)答原則，主站發(fā)出命令，從站響應(yīng)主站的請(qǐng)求，從站之間不能通訊。本應(yīng)用中，采用橫河ALR121通訊卡作為主站，Moore溫度采集器作為從站，最多從站數(shù)量為32個(gè)。 結(jié)構(gòu)圖如圖1。

Modbus的通訊距離與波特率、電纜線徑、電容、阻抗特性、Modbus結(jié)構(gòu)、通訊負(fù)荷有關(guān)；例如在選用波特率為9 600情況下、采用AWG26電纜（相當(dāng)6類雙絞線），兩線制連接通訊距離為1 000 m；四線制連接通訊距離為500m；采用5類雙絞線兩線制連接通訊距離一般600 m；四線制連接通訊距離300 m。MODBUS SLAVE節(jié)點(diǎn)數(shù)量與通訊距離的關(guān)系：沒有中繼器的情況下一般最多32個(gè)SLAVE;分支電纜長度一般小于20 m；每段分支一般要小于40/分支數(shù)量；例如有10個(gè)slave節(jié)點(diǎn)，那么每段通訊電纜一般來說要小于4m[1]。本應(yīng)用的實(shí)際情況為從站都安裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，數(shù)量在10個(gè)以內(nèi)；同時(shí)主從站的機(jī)柜距離都小于40 m，因此，滿足上述距離的要求。

圖1 結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram

圖2 TCM接線圖[3]Fig.2 Wiring diagram of TCM

2 Moore溫度采集器

Moore溫度采集器由兩部分構(gòu)成：TCM(Temperature Concentrator Module） 和 HMC(HART-Modbus Converter),它們之間為HART協(xié)議通訊，可以連接HART設(shè)備（375、475等）對(duì)TCM進(jìn)行組態(tài)。

HART協(xié)議通訊支持模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在同一線路上傳輸，其傳輸速率為：在4～20 mA DC模擬信號(hào)上疊加FSK數(shù)字信號(hào)時(shí)為1 200 b/s，用屏蔽雙絞線單臺(tái)距離可達(dá)3000 m；而多臺(tái)互連距離可達(dá)1 500 m。采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時(shí)，最大傳輸距離可達(dá)1 500 m[2]。對(duì)于一般的煉油裝置，測(cè)量點(diǎn)到儀表機(jī)柜間的距離都小于500 m，采用屏蔽雙絞線完全滿足HART通訊距離的要求。本應(yīng)用中在機(jī)柜內(nèi)HART通訊線路上加裝了型號(hào)為MTL5042的隔離柵，成為本安型系統(tǒng)，因?yàn)楸镜貐^(qū)雷雨較多，所以又在隔離柵前加裝了型號(hào)為SD16R的防雷柵。

2.1 TCM（Temperature Concentrator Module)

TCM設(shè)置在測(cè)量點(diǎn)附近，安裝在防雨接線箱內(nèi)，它有16個(gè)通道，可以接熱電阻、熱電偶和類似的阻值、毫伏信號(hào)。接線方法可以參照?qǐng)D2。圖中熱電偶接在通道0上，正極接端子1，負(fù)極接端子3；兩線制熱電阻接端子1和3；三線制熱電阻接端子1、2和3；四線制熱電阻接端子1、2、3和4。

電腦串口組態(tài)窗口設(shè)置，當(dāng)選HART Mode時(shí)，TCM被獨(dú)立使用；只有Mode被選為 TCS Mode時(shí)，TCS和HMC才能作為整體使用，因此，這里選TCS Mode，Module中的1和2是TCM的編號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)一般是兩個(gè)TCM,一個(gè)設(shè)置為1，另一個(gè)為2。Configure中的Channel項(xiàng)可以設(shè)置0到15的通道號(hào)，每個(gè)通道中Input Type項(xiàng)可以選擇熱電偶類型和熱電阻類型等測(cè)量元件。Filter的選擇是電源的頻率為50Hz。Lower Rang和Upper Rang設(shè)置根據(jù)Input Type中所選測(cè)量元件。Sensor trimming可以改變測(cè)量元件的測(cè)量值變?yōu)樵O(shè)定值。這里不介紹其它沒有應(yīng)用到功能。

2.2 HMC(HART-Modbus Converter)

需要24 V供電，單獨(dú)給TCM供電和由HMC給TCM供電，HMC的接線是不同的；隔離柵需要單獨(dú)供電的和隔離柵不需要單獨(dú)供電的，HCM的接線又有所不同。詳細(xì)接線可以參見 Moore溫度采集器電子說明書中的接線圖，本應(yīng)用的接線圖參見圖3。

圖3 HMC接線圖Fig.3 Wiring diagram of HMC

電腦串口組態(tài)中，HART項(xiàng)→Number of Reties項(xiàng)設(shè)置為1～9，它是HART連接失敗后，嘗試重?fù)艿拇螖?shù)。TCM 1 Enabled和TCM 2 Enabled打勾激活后可以監(jiān)視TCM各通道PV值和狀態(tài)。Alarms項(xiàng)可以選擇TCM1和TCM2的報(bào)警狀態(tài)。這里只選NO HART,就是沒有HART連接時(shí)在HMC上對(duì)應(yīng)的FAULT燈變紅。如果Fail Safe項(xiàng)打勾并且報(bào)警出現(xiàn)會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的繼電器動(dòng)作，可以連接其它的系統(tǒng)。MODBUS項(xiàng)可以設(shè)置MODBUS地址、波特率、奇偶校驗(yàn)位，它們與ALR121卡保持一致。Floating Point Word Order項(xiàng)中可以選擇高位字和低位字的登記順序。選擇Standard LSW時(shí)，ALR121卡中Reverse必須定義為Words。Failed TCM’s Register Value項(xiàng)選擇Hold Last，就是數(shù)據(jù)中斷后保持原來的值。HMC支持16 Bits保持型寄存器的信號(hào)傳送。寄存器的地址范圍是40 001到40 064，其中每兩個(gè)地址對(duì)應(yīng)TCM的一個(gè)通道，即是40 001和40 002是一個(gè)通道；40 003和40 004是一個(gè)通道……40 063和40 064是一個(gè)通道。前32個(gè)地址屬于TCM1，后32個(gè)地址屬于TCM2。

3 CS3000系統(tǒng)通訊卡及內(nèi)部組態(tài)

本例中選擇ALR121卡，它為Modbus RTU模式，RS-422/485通訊口。 先將卡件插入所選槽內(nèi)。接著在工程師站選擇開始菜單→system view→控制站→IOM→node，創(chuàng)建新卡時(shí)，在category中選擇serial communication,在Type中選 ALR121（RS-422/RS-485 Serial communication interface）接著根據(jù)卡件插入的位置，在slot中設(shè)置卡件位置。本應(yīng)用不是冗余卡，不需要在Duplicate Next Card項(xiàng)上打勾。Card Common選項(xiàng)中Connection Device為MODBUS.在port1或port2中設(shè)置波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位等，必須與溫度采集器保持一致。對(duì)于2-Wire和4-wire設(shè)置，這里選擇2-Wire，接線時(shí)，HMC的A端子接ALR121卡的RX+端子；HMC的B端子接ALR121的RX-端子。編輯窗口各項(xiàng)介紹如下：

Element number為每行的地址，從%WW0001到%WW2000,每行都是16bit的二進(jìn)制數(shù)；

Buffer size定義需要的總行數(shù)；

Program name定義ALR121卡的位置，根據(jù)卡件的實(shí)際位置定義；

Size定義需要的行數(shù),它的數(shù)值要小于Buffer size的數(shù)值；

port定義ALR121卡port口，數(shù)值為1或2，根據(jù)實(shí)際接口選擇；

Station定義MODBUS地址，即是每個(gè)HMC已經(jīng)設(shè)置的MODBUS地址；

Data Type定義數(shù)據(jù)類型，本應(yīng)用定義為Input（32-Bit Floating）；

Reverse定義32位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的高16位和低16位的接收順序，這里定義為Words，對(duì)應(yīng)HMC的Floating Point Word Order項(xiàng)選擇Standard LSW。

Scan為掃描速度，定義為Normal；

Service Comment的定義可以替代Element number的地址用于功能塊的連接；

Device＆Address項(xiàng)定義對(duì)應(yīng)TCM的通道地址，ALR121讀取16Bits保持型寄存器的字母代碼可以為A、B或者C,本應(yīng)用中我們選擇A，那么每行定義的內(nèi)容為A40001到A40064的地址。

下裝組態(tài)后，可以在橫河工程師站的監(jiān)視畫面上看到每個(gè)地址發(fā)送來的16Bits數(shù)據(jù)。

下裝時(shí)，如果是利用原卡件，卡件中原來的通訊數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)復(fù)位和中斷，因?yàn)閺S內(nèi)所有的通訊數(shù)據(jù)只作為監(jiān)視用，所以下裝前和工藝操作人員說明情況，不會(huì)影響正常生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

Modbus通訊以其廣泛的應(yīng)用和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換提供方法。本應(yīng)用中，在節(jié)約信號(hào)電纜、減小施工量、節(jié)省DCS通道方面做出突出的貢獻(xiàn)。

[1]馬建東.MODBUS通訊在煉廠控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣東化工，2010（6）：279.

[2]丁穎，盛惠興.HART協(xié)議解析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（1）：14.

[3]Moore溫度采集器電子說明書[Z].