彭　宇

(宜興華潤熱電有限公司，江蘇 宜興 214200)

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MODBUS RTU通信在脫硝尿素系統(tǒng)程控中的應(yīng)用

彭宇

(宜興華潤熱電有限公司，江蘇 宜興 214200)

摘要：基于支持MODBUS RTU通信的設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集接口，通過異步串行傳輸RS-232-C進行連接，由美國通用公司(GE)集散控制系統(tǒng)(DCS)中的虛擬分散處理單元(VDPU)進行數(shù)據(jù)處理、運行控制，實現(xiàn)DCS系統(tǒng)遠程監(jiān)控吹灰的目的。通過MODBUS將鍋爐蒸汽吹灰可編程邏輯控制器(PLC)與DCS進行通信，納入DCS一體化控制。

關(guān)鍵詞：MODBUS RTU通信協(xié)議；可編程邏輯控制器(PLC) ；虛擬虛擬分散處理單元(VDPU)

近年來，在國家環(huán)保部設(shè)定了現(xiàn)有火力發(fā)電廠執(zhí)行的新大氣污染排放標準中NOx的限值后，筆者所在單位作為眾多火力發(fā)電廠環(huán)境污染治理“參與者”的一員，深感環(huán)保壓力和社會責任與日俱增。這就要求主爐運行人員需要實時監(jiān)測煙氣中NOx排放量是否達標。脫硝尿素系統(tǒng)是降低NOx排放量的源頭，現(xiàn)有模式更多依賴于值長電話通知化學(xué)運行人員進行尿素投入量的操作，反應(yīng)周期長，而且運行人員不能實時遠程監(jiān)控及操作，這給NOx排放量的達標帶來很大困難。若能將脫硝尿素系統(tǒng)納入到主爐集散控制系統(tǒng)(DCS)，以上問題也就迎刃而解。筆者所在單位經(jīng)過調(diào)研和反復(fù)論證，決定采用MODBUS通信方式將可編程邏輯控制器(PLC)和DCS連接起來，從而將脫硝尿素系統(tǒng)納入到DCS進行一體化控制。

1方案確定

方案1：筆者所在單位DCS系統(tǒng)采用的是美國通用電氣公司(GE)新華DCS，硬件版本為XDPS400+，軟件版本為XDPS2.0?？紤]將脫硝尿素系統(tǒng)改為全部由DCS系統(tǒng)控制，需將PLC柜全部取消，同時增加2臺DCS遠程柜，增加2臺分散處理單元(DPU)從站，原先接線方式需要全部改動到DCS遠程柜中。此方案改造費用需要60多萬元。

方案2：利用MODBUS網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實現(xiàn)DCS系統(tǒng)與PLC通信。查閱GE新華DCS技術(shù)資料，系統(tǒng)支持MODBUS通信協(xié)議，采用在人機接口站(MMI)上設(shè)置虛擬分散處理單元(VDPU)的方式實現(xiàn)通信。為此，只需配置2臺安裝有GE DCS軟件的工控機，增加1臺GE PLC中央處理器(CPU)，從而實現(xiàn)冗余通信。此方案改造費用在10余萬元。

上述兩種方案各有優(yōu)缺點：方案1工作量大，改造周期長，費用高，還增加了DCS CPU使用率，但穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)傳輸迅捷；方案2工期短，費用低，不會增加DCS CPU使用率，但傳輸穩(wěn)定性較差。改造人員經(jīng)過反復(fù)的調(diào)研與論證后認為，第2種方案是可行的，冗余通信模式能夠彌補傳輸穩(wěn)定性差這一缺點，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，兩條通信終端的切換時間小于1 s。

2MODBUS通信的具體實現(xiàn)

2.1MODBUS通信協(xié)議

MODBUS是Modicon公司為該公司生產(chǎn)的PLC設(shè)計的一種通信協(xié)議，MODBUS傳輸協(xié)議定義了控制器可以識別和使用的信息結(jié)構(gòu)，而不須考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，是一種開放協(xié)議，一種廣泛應(yīng)用于電子控制器的通用語言，已成為通用工業(yè)標準。從功能上講，MODBUS包括24種命令，每個功能都有相應(yīng)的功能碼，最基本的功能主要包括AI/AO、DI/DO的數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括輸入離散量、線圈、輸入寄存器、保存寄存器等4個基本單元。

目前MODBUS有3種通信方式：以太網(wǎng)，對應(yīng)的通信模式為MODBUS TCP；異步串行傳輸模式(各種介質(zhì)有RS485/232、光纖、無線等)，對應(yīng)的通信模式是MODBUS遠程終端單元(RTU)或者MODBUS美國信息標準交換代碼(ASCII)；高速令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)的通信模式是MODBUS PLUS。筆者所在單位采用的通信模式為MODBUS RTU。

2.2MODBUS RTU在 GE PLC中的配置[1]

GERX3I型號中單槽可編程協(xié)處理器(PCM)模塊是一個用來執(zhí)行協(xié)處理功能的高性能微型計算機，同時具有通信模塊和編程模塊的功能。PCM有兩個獨立的串行口port1和port2，均支持RS232，其中port2還支持RS485，用戶可以根據(jù)不同需求進行配置。PCM內(nèi)置MODBUS RTU協(xié)議和主/從站協(xié)議(CCM)。

PCM模塊與主機的連接非常簡單，一般選用port1為編程口，port2為通信口。port1與工控機連接，主機可以對其進行編程及現(xiàn)場調(diào)試，在port1中首先需要對通信方式進行設(shè)置[2]，如圖1所示。

圖1　port1通信方式設(shè)置

Port Made為通信方式設(shè)置，其中有RTU模式、TCP/IP模式，筆者所在單位選擇RTU模式。設(shè)置完通信模式，再進行數(shù)據(jù)位、波特率、功能碼、有無校驗、停止位的設(shè)置。將設(shè)置的數(shù)據(jù)記錄下來，因為在主機VDPU中也需進行設(shè)置，必須保證主機與從機在設(shè)置上的一致性。

2.3GE新華DCS主機中VDPU的配置

DPU機柜因成本費用較高，此次脫硝尿素系統(tǒng)采用VDPU。在GE新華DCS中，將運行在人機接口MMI 站上實現(xiàn)全部或部分 DPU 功能的計算機或軟件包，或與非標 I/O 接口的計算機、專用的與外部控制系統(tǒng)接口的計算機都定義為VDPU。人機接口MMI 站支持VDPU 映射功能，通過通信接口將非本系統(tǒng)的控制設(shè)備在邏輯上映射為系統(tǒng)的一個 DPU 節(jié)點，如同操作本系統(tǒng)的其他DPU 一樣。

VDPU由執(zhí)行文件(EXE)、動態(tài)聯(lián)接庫(DLL)和配置文件組成，具有以下功能：系統(tǒng)仿真，使用該功能可離線調(diào)試系統(tǒng)組態(tài)；接口，與相應(yīng)驅(qū)動配合，可實現(xiàn)與非本系統(tǒng)的控制設(shè)備或現(xiàn)場智能儀表通信并控制；性能計算，利用 DPU 的算法可完成性能計算的功能。

MMI站上運行的VDPU通過調(diào)用Modiplc.dll通信接口程序，將DCS與PLC互相交換發(fā)送的數(shù)據(jù)映射到新華分散處理系統(tǒng)(XDPS)的虛擬I/O卡件上，每個數(shù)據(jù)對應(yīng)在虛擬卡件的虛擬通道上，實現(xiàn)與XDPS系統(tǒng)采集處理數(shù)據(jù)的相同功能[3]，通信原理見圖2。

通信接口采用二線制RS485，PLC端使用一塊RS232轉(zhuǎn)RS485的設(shè)備。通信規(guī)約為MODBUS RTU。

XDPS系統(tǒng)接口軟件由動態(tài)鏈接文件modiplc.dll和modiplc.ini配置文件組成。VDPU運行程序為VDPU.exe。VDPU.cfg文件及modiplc.ini文件的置配及說明見表1及表2。

表1　VDPU配置文件(VDPU.cfg)及說明

3系統(tǒng)調(diào)試運行

1)調(diào)試過程中遇到的問題和解決方法。首次送電后出現(xiàn)DCS畫面測點壞點較多，測點數(shù)據(jù)無法實時更新，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，這是由DCS側(cè)VDPU中測點位置與PLC中排序錯位造成，重新排序后正常。因此在日常維護中，需要進入VDPU中進行邏輯修改，一定要注意測點排序，不能打亂，在修改邏輯時一定要有專業(yè)人員進行監(jiān)護。在線修改邏輯時杜絕在備用VDPU中進行，因為在線保存時會出現(xiàn)備用VDPU強制切換為主VDPU，而主VDPU瞬間會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，使運行中的尿素循環(huán)泵及稀釋水泵停運，從而造成NOx超標。

2)調(diào)試后運行效果。系統(tǒng)遠控操作反應(yīng)迅捷，實時數(shù)據(jù)更新正常；能查詢實時、歷史趨勢及報警信息。

表2　驅(qū)動配置文件及說明

4結(jié)束語

脫硝尿素系統(tǒng)在改造后運行良好，解決了運行人員實時投入尿素量信息的滯后性，提高了主爐運行人員對NOx排放值的可控性。新華DCS系統(tǒng)開放式結(jié)構(gòu)及模塊化的設(shè)計，為實現(xiàn)與第三方通信提供了極大的便利。通過這次改造，對MODBUS通信協(xié)議在實際工程中的應(yīng)用也有了更深刻的體會。

參考文獻：

[1]趙海英.淺談MODBUS協(xié)議在DCS與PLC通訊中的應(yīng)用[J].濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011(3)：10.

[2]于樹新.MODBUS協(xié)議在DCS通信中的應(yīng)用[J].儀器儀表與分析檢測，2007(1)：2-3.

[3]劉國利.基于MODBUS的DCS與PLC吹灰程控的通訊實現(xiàn)[J].熱電技術(shù)，2011(1)：31-34.

A Study on the Application of the MODBUS RTU Communication in the Stored Program Control of the Urea Denitration System

PENG Yu

(Yixing Thermal Power Co., Ltd. of CR Power，Yixing Jiangsu 214200，P.R.China)

Abstract：The device which supports the MODBUS RTU communication is used as the interface of data acquisition．Then，it is connected by the RS-232-C asynchronous serial transmission．The virtual VDPU of the GE DCS is used in data processing and operational control to realize the remote monitoring of the soot-blowing with the DCS system．The communication between the GE PLC and GE DCS of the stored program system of the steam soot-blowing of the boiler is realized by the MODBUS and brought into the DCS integrated control．

Key words：MODBUS RTU communication；programmable logic controller(PLC)；virtual distributed processing(VDPU)

收稿日期：2015-02-26

作者簡介：彭宇(1985-)，工程師，主要從事火電廠熱控工作。

中圖分類號：TM621

文獻標識碼：A

文章編號：1008- 8032(2016)03- 0040- 03