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            用Modbus協議實現DCS與PLC之間的串行通訊

            作者:時間:2012-10-08來源:網絡收藏

            1 引言

            本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/153848.htm

            萬立氧空分裝置是2008年遼化公司20萬噸環氧乙烷/乙二醇改造的配套項目,該裝置儀控系統采用了先進的Honeywell PKS集散控制系統來對整個裝置的各系統及主要設備的工藝參數的監控,并各主要操作閥門、切換閥門的自動控制或遙控操作,以及必要 的聯鎖保護措施。氮壓機選用Ingersoll—rand的CENTAC 3C70MX5N2型壓縮機,該壓縮機配置獨立的控制系統CM C控制器,為了有效的監控氮壓機的運行參數,我們利用了Honeywell PKS集散系統與Ingersoll—rand CM C可編程序控制器。

            2 簡介

            是Modicon公司于1 979年提出的一種通信,經過多年的實際應用,已經成為一種應用于工業 控制器上的標準通信協議。有了它,不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡,進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設備的過程,以及怎樣偵測錯誤并記錄,它制定了消 息域格局和內容的公共格式[5]。當在Modbus網絡上通 信時,此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地 址,識別按地址發來的消息,決定要產生何種行動。如果需要回應,控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。標準的Modbus口是使用RS-232C兼容接口,它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗??刂破髂苤苯踊蚪浻蒑Odem組網。

            2.1 Modbus報文

            如圖1所示,Modbus通信使用主從技術,即僅設備 (主設備)能初始化傳輸(查詢)。其它設備(從設備)根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。主設備可單獨和從設備通信,也能以廣播方式和所有從設備通信。如果 單獨通信,從設備返回消息作為回應,如果是以廣播方式查詢的,則不作任何回應。Modbus協議建立主設備查詢的格式:設備(或廣播)地址、功能代碼、所有要 發送的數據、錯誤檢測域。從設備回應消息也由Modbus協議構成,包括確認要行動的域、任何要返回 的數據、和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發生錯誤,或從設備不能執行其命令,從設備將建立錯誤消息 并把它作為回應發送出去。

            2.2 Modbus傳輸I方式

            Modbus協議有兩種傳輸模式ASCII(美國標準信息交換代碼)或RTU(遠程終端單元)。它定義了在這些網絡上連續傳輸的消息段的每一位,以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。用戶選擇想要的模式,包括串口信參數(波特率、校驗方式等),在配置每個控制器的時候,在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。ASCII模式通信的主要優點是字符發送的時間間隔可達到1秒而不產生錯誤。RTU模式通信的主要優點是:在同樣的波特率下,可比ASCII方式傳送更多的數據。

            2.3錯誤檢測方法

            標準的Modbus網絡采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字符都可用,幀檢測(LRC或CRC)應用 于整個消息。它們都是在消息發送前由主設備產生的,從設備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。

            用戶要給主設備配置一預先定義的超時時間間隔,這個時間間隔要足夠長,以使任何從設備都能作為 正常反應。如果從設備測到一傳輸錯誤,消息將不會 接收,也不會向主設備作出回應。這樣超時事件將觸 發主設備來處理錯誤。發往不存在的從設備的地址也 會產生超時。

            3 CMC控制器

            CM C控制器是Ingersoll—rand CENTA C 3C70MX5N2型壓縮機隨機配置的可編程序控制器,用來管理氮壓機各種壓力的控制和監控功能,以及控制輔 助設備,如主電機啟動器,潤滑油加熱器和預潤滑油泵。 其功能如下:

            ·多功能LED顯示屏顯示數據和工作狀態。

            ·完成多種性能控制:卸載,調制和自動一雙重工 作方式。

            ·先進的喘振監測與控制。

            ·高電流限制,用于主驅動電機保護。

            ·快速指示和事件紀錄,有助于確定壓縮機跳閘的 根本原因。

            CM C控制器提供RS422/RS485串行接口,通 過MODBUS協議與具有RS422/485端口的系列裝置通 信,以適應遠程遙控和監控的需要。

            利用MOdbus協議www.cechina.cn,我們采用RTU模式,把 CM C控制器作為從設備,設備地址設置為2,通訊波特 率為9600,校驗方式為奇校驗,通訊方式為全雙工。

            4 PKS系統的通訊功能

            PKS系統是Honeywell公司推出的新一代系 統,全稱為Experion Process Knowledge Solution System,它支持多種類型的控制器通訊,例如Modicon S,Honeywell 9000系列和Alien—Bradley,并可以靈 活的采用多種連接方式。如果控制器本身帶網絡接口,可以直接連接到網絡上,如果控制器帶有串口,可以通 過“終端服務”(terminal sever)連接到網絡上。一個“終 端服務”允許多個控制器同時連接到網絡上,并提供多種的連接接口RS一232,RS-422,RS一485。所謂“終端 服務”其實質就是Modbos協議。我們利用“終端服務” 配置方式實現了Honeywell PKS集散系統與Ingersollrand CMC可編程序控制器串行通訊。如圖2所示。

            4.1硬件說明

            串行接口模件(SIM)是安裝在PKS系統標準卡槽上的雙寬度I/O模件,它的功能是實現通過FTA(現場端子 板)連接串行接口模件(SIM)的現場設備與PKS控制器通訊的橋梁。串行接口模件可以提供與單FTA電源 適配器連接的兩個FTA通訊的兩個串口的雙向通訊接 口,它不存儲和保持任何現場I/O設備的組態數據和實時數據,它只在與它相連接的現場設備與控制器之間傳送數據參數。

            F T A采用插接模件根據現場設備的需要選用指定的串行接口,共有兩種標準的FTA產品。

            ·MU—TSIMl2 Modbus型FTA提供點對點RTU EIA一232(RS一232)或EIA一422/485(RS-422/485)多點通 訊接口。

            ·MU—TSIAl2 Allen—Bradley(A—B)型FTA提供一 個EIA一232(RS-232)通訊接口用于DF 1通訊協議的A— B-2,-3CONTROL ENGINEERING China版權所有,PLC-5等現場設備。

            在此我們選用第一種產品

            一個SIM卡可帶兩個FTA接線端子板(即FTA A, FTA B圖2),由單獨電源模塊供電,每個FTA接線端子 板通過屏蔽雙絞通訊線與第三方設備連接。需要注意 各通訊設備以總線方式接入(即相互串連起來最后接人 FTA端子上),當通訊距離超過1 00米或干擾很強時兩端 均應加上120歐姆電阻,連接第三方通訊設備到FTA端 子的最大接線長度不應超過300米,如超過300米應采 用信號中繼器或放大器,每個FTA接線端子板最多可接 入的設備為1 5個。

            4.2軟件說明

            如圖3所示。PKS系統組態工具中提供一種SIM I/ O模件功能塊來實現將一個S I M組態并分配給一個控 制器。當SIM功能塊一旦指派并下裝到指定的控制器, SIM和控制器之間便可以建立通訊關系,但這并不意味 著SIM和現場設備也建立了通訊關系,為了與現場設備 建立起通訊關系必須還要組態、指派下裝串行接口通道陣列功能塊(SI)到CM(控制模件)。SI陣列通道功能塊有三種:

            Numeric(SINUMARRCH):接收/發送數值型量,包 括整數、浮點數;

            Flag(SIFLAGARRCH):接收/發送布爾量,即標志位;

            Text(SITEXTARRCH):接收/發送字符型量。

            4.3組態說明(以SlNUMARRCH功能塊為例)

            (1)每個SIM卡有32個軟通道(Channel),其中0~1 5通道與連接在FTA“A”板上的第三方設備的進行通訊,而16~31通道與通道與連接在FTA“B”板上的第三方設備的進行通訊。當只有1個FTA板時,那么這塊FTA板必須配置成FTA“A”使用(即按1圖將FTA 接到Power Adapter的“ChannelA”上),且只能使用 0~1 5通道。

            (2) Control Builder中SI通訊功能塊(軟通道類 型)有三種:

            對于一個“SINUMARR CH”功能塊(即一個軟通道),可接收/發送最多16個32位浮點數或32個16位 整型數。

            (3)組態

            具體組態見圖4。

            Serial Link Device Address:為設備地址,即 Modbus ID;

            Starting Element Index:為接收/發送數據的起始地址,此為第三方廠家提供的,是modbus通訊寄存器首地址,1個寄存器地址存儲一個1 6位二進制數;

            Number of Numeric Value:接收/發送的數據 的個數。

            其中Starting Element Index的設置也包含了接收/ 發送數據的類型控制工程網版權所有,這是通過其最高位的數字來識別的(如 圖4中的Starting Element Index設置為20020,其最高 位數字為2,表示接收/發送的數據類型為可讀寫的3 2 位浮點數)。

            這里需要注意的是一個S I N U M A R R C H塊 (SIFLAGARRCH或SITEXTARRCH)只能設置為一種數 據類型,且接收/發送數據的地址必須是連續的。故 Number。of Numeric Value這一項設置的值是從起始 地址開始連續存儲的數據的個數;如果第三方設備發 送/接收數據的Modbus存儲地址是放在不連續的幾個 地址段上,那么就必須用多個SINUMARRCH塊來接收 不同地址段的數據。

            圖4中右側的Auxiliary Config Data的設置,僅需要配置第3和4行即可,如圖4中紅圈所示(圖4紅圈中 配置表示采用串行485通訊方式、通訊波特率為9600、 校驗方式為奇校驗)。

            5 結束語

            目前,石油天然氣生產裝置中,普遍存在著與 其他多個專用控制系統同時使用的情況,這些專用控制 系統包括PL C、數據采集器和各種智能儀表。若將多個 系統融合成一個整體,使所有監視、控制都在D CS上進 行,就涉及D C S與其他專用控制系統的通訊問題。目前,Modbus協議是應用最為廣泛的一種形式,需特別注 意的是:在MOdbuS網絡上傳輸方式和串行參數(波特 率、校驗方式等)對各裝置的設置必須是相同的。

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