摘要：MODBUS是MODCON公司開發(fā)的一種應(yīng)用層消息結(jié)構(gòu)，用來在各個(gè)智能設(shè)備之間建立方便可靠的通訊。本文論述了YOKOGAWA公司的新一代DCS控制系統(tǒng)CENTUM VP系統(tǒng)與HIMA公司SIS系統(tǒng)HIquard系統(tǒng)通過MODBUS RS485通訊協(xié)議建立通訊。

關(guān)鍵詞：MODBUS；CENTUM VP；HIquad

引言

中國(guó)石油云南石化公司全廠采用的DCS系統(tǒng)CENTUM VP系統(tǒng)，聯(lián)鎖系統(tǒng)為HIMA公司的HIquad系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)之間采用MODBUS進(jìn)行相互通訊，保證生產(chǎn)的平穩(wěn)以及安全運(yùn)行。

1 MODBUS協(xié)議

MODBUS是MODICON公司為該公司生產(chǎn)的PLC設(shè)計(jì)的一種通信協(xié)議，從其功能上看，可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場(chǎng)總線。它通過24種總線命令實(shí)現(xiàn)PLC與外界的信息交換。MODBUS把通信參與者規(guī)定為“主站”（MASTER）和“從站”（SLAVE）。

1.1 MODBUS的結(jié)構(gòu)

MODBUS有兩種傳送方式，RTU（Remote Terminal Unit）方式和ASCⅡ方式。MODBUS以LSB在先的形式傳送數(shù)字量，以MSB在先的形式傳送模擬量。

控制器以RTU模式在MODBUS總線上進(jìn)行傳輸時(shí)，消息中均為二進(jìn)制的數(shù)據(jù)，該模式的優(yōu)點(diǎn)是在相同波特率下其傳輸字符的密度高于ASCII模式，即效率高于ASCII模式。

1.2 MODBUS消息結(jié)構(gòu)

CENTUM VP系統(tǒng)與所有其他系統(tǒng)的MODBUS通訊均通過ALR121卡實(shí)現(xiàn)，且CENTUM VP通常作為主站。ALR121卡只支持RTU模式傳輸。使用RTU模式消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始，在網(wǎng)絡(luò)波特率下多樣的字符時(shí)間，這是最容易實(shí)現(xiàn)的（如圖1所示）。

1.2.1地址域

地址碼是每次通訊信息幀的第一字節(jié)（8位），從0到255。這個(gè)字節(jié)表明由用戶設(shè)置地址的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來的信息。每個(gè)從機(jī)都必須有唯一的地址碼，并且只有符合地址碼的從機(jī)才能響應(yīng)回送信息。當(dāng)從機(jī)回送信息時(shí)，回送數(shù)據(jù)均以各自的地址碼開始。

1.2.2功能碼

功能碼是每次通訊信息幀傳送的第二個(gè)字節(jié)。ModBus通訊規(guī)約可定義的功能碼為1到127。作為主機(jī)請(qǐng)求發(fā)送，通過功能碼告訴從機(jī)應(yīng)執(zhí)行什么動(dòng)作。作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)返回的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)并且已進(jìn)行相關(guān)的操作。

1.2.3數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不定。在查詢消息中，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個(gè)字節(jié)。在響應(yīng)消息中，數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（2個(gè)字節(jié)）和數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)以字節(jié)的方式傳輸。

1.2.4 校驗(yàn)域

MODBUS消息中的校驗(yàn)域允許各個(gè)設(shè)備檢查傳輸過程中的錯(cuò)誤。有時(shí)，由于電噪聲和其它干擾，一條消息傳輸過程中可能會(huì)發(fā)生一些改變，校驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC設(shè)備不去響應(yīng)錯(cuò)誤消息，這就提高了系統(tǒng)的安全性和效率。

MODBUS消息結(jié)構(gòu)就是這樣簡(jiǎn)單。因?yàn)楹?jiǎn)單而且免費(fèi)，所以得到眾多廠家的支持，從而成為工控領(lǐng)域串行通訊事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

2.通訊配置

2.1硬件配置

CENTUM VP系統(tǒng)為日本橫河公司新一代DCS系統(tǒng)，在CS3000系統(tǒng)上升級(jí)而來，優(yōu)化了下位機(jī)組態(tài)界面，上位機(jī)組態(tài)界面，增加了新功能。

CENTUM VP系統(tǒng)與HIquad系統(tǒng)連接采用MODBUS協(xié)議通過ALR121卡連接，CENTUM VP系統(tǒng)為主站，HIquad系統(tǒng)為從站，使用RS485兩線制連接方式，DCS系統(tǒng)采用雙重化冗余。HIquad系統(tǒng)使用F8621A MODBUS通訊卡件，四重化冗余通訊方式，即系統(tǒng)雙卡冗余，每個(gè)卡件雙線制冗余，連接到CENTUM VP系統(tǒng)ALR121卡的一個(gè)Port的上。如下圖2

HIquad系統(tǒng)為德國(guó)HIMA公司的一種SIS系統(tǒng)，其價(jià)格低廉，實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高。它的功能主要是當(dāng)工廠的生產(chǎn)過程發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)，自動(dòng)的按照預(yù)先設(shè)定好的安全功能進(jìn)行保護(hù)，以防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生或者減輕其后果。

HIMA公司的HIquad系統(tǒng)采用F8621A通訊卡件與DCS進(jìn)行通訊，只需插好卡件配置好連接線即可。每個(gè)通訊卡配置兩條連接線，通訊電纜接到DCS系統(tǒng)之后，為端子式接法，四根通訊電纜一共有六根根通訊線纜，根據(jù)顏色的不同接到CENTUM VP系統(tǒng)的ALR121卡上面的接受和發(fā)送的端子上。六根線分別接在RX+，RX-，SG上面，連接完畢后指示燈讀取，發(fā)送以及數(shù)字1跳動(dòng)表示連接正常，該項(xiàng)目通訊卡為冗余模塊。

硬件連接完畢之后需要進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)之間的軟件配置才能真正的互相通訊數(shù)據(jù)。

2.2軟件配置

2.2.1 DCS軟件設(shè)置

首先打開CENTUM VP系統(tǒng)的組態(tài)軟件SYSTEM VIEW，選中與HIquad系統(tǒng)連接的ALR121卡件，右鍵單擊—屬性，出現(xiàn)以下畫面，如圖3

在屬性畫面中可以定義奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位，停止位，波特率，響應(yīng)時(shí)間，兩或四線制等通訊參數(shù)，Card Common頁(yè)面中必須選擇MODBUS。本例中選擇Port1端口與HIquad系統(tǒng)連接，根據(jù)HIMA公司提供的各項(xiàng)參數(shù)，在Port1中設(shè)置波特率為9600bps，偶校驗(yàn)，停止位為1。雙擊卡件進(jìn)入編輯頁(yè)面

選擇通訊容積BUFFER根據(jù)HIAM系統(tǒng)廠家提供的緩沖區(qū)填寫；通訊方式選擇MODBUS；由HIMA廠家提供通訊點(diǎn)數(shù)量SIZE；ALR121卡通訊口Port設(shè)置為1；從站設(shè)置地址，根據(jù)HIquad設(shè)置為1；起始地址為A30011，輸入第一個(gè)之后按照順序向下排列；數(shù)據(jù)類型，可以為數(shù)字量或模擬量輸入輸出；數(shù)字量正向反向設(shè)定，本例中輸入的是無符號(hào)的16位浮點(diǎn)數(shù)；設(shè)置掃描速度為普通；在最后面一欄里填寫具體檢測(cè)描述以及DCS軟件組態(tài)中應(yīng)用的位號(hào)。

2.2.2 SIS系統(tǒng)的軟件設(shè)置

HIquad系統(tǒng)主要在ELOP II下位機(jī)軟件中選中項(xiàng)目，點(diǎn)擊右鍵，打開硬件組態(tài)雙擊通訊模塊F8621出現(xiàn)如圖4編輯頁(yè)面，與DCS設(shè)置一致即可連接。

2.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

由于MODBUS只負(fù)責(zé)將HIquad中的數(shù)據(jù)傳輸至DCS。為了讓數(shù)據(jù)正確顯示，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的計(jì)算。在DCS中利用如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：Y= GAIN*X+BIAS； 其中

Y：HIS中顯示的PV，

X：通過MODBUS傳到DCS的數(shù)據(jù)；

GAIN：可以理解為“斜率”

BIAS：偏差值

3.結(jié)論

在聯(lián)鎖調(diào)試以及投用過程中，HIquad系統(tǒng)與CENTUM VP系統(tǒng)通過MODBUS通訊穩(wěn)定且迅速。而且HIquad系統(tǒng)報(bào)警DCS系統(tǒng)也有提示，可以提醒維護(hù)人員進(jìn)行更好的維護(hù)。這進(jìn)一步增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的安全性，降低了故障率。若后續(xù)需要小幅升級(jí)改造，需要增加SIS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的通訊點(diǎn)的數(shù)量，可以在軟件里面直接增加。

作者簡(jiǎn)介：陳派，中國(guó)石油天然氣有限公司廣東石化分公司設(shè)備管理中心儀表組，研究方向：儀器儀表自動(dòng)化。endprint