Modbus通信協(xié)議在CS3000中的應(yīng)用

王 翔,丁 偉

(獨(dú)山子石化公司煉油廠儀表車間,新疆克拉瑪依 833600)

Modbus通信協(xié)議在CS3000中的應(yīng)用

王 翔,丁 偉

(獨(dú)山子石化公司煉油廠儀表車間,新疆克拉瑪依 833600)

介紹了Modbus協(xié)議的含義及其數(shù)據(jù)傳輸方式,闡述了該廠CS3000系統(tǒng)與其他各子系統(tǒng)之間的應(yīng)用,分析了基于Modbus進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的硬件結(jié)構(gòu)配置及軟件組態(tài)的應(yīng)用。同時說明了利用Modbus通信協(xié)議來解決CS3000系統(tǒng)與第三方智能控制儀表之間的通信,在煉油自動控制系統(tǒng)的實(shí)際操作中極大地方便了現(xiàn)場的控制和操作,是一個值得推廣的方式。

Modbus通信協(xié)議;傳輸方式;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;主—從設(shè)備;硬件配置;軟件配置

0 引 言

某新建成的千萬噸煉油項(xiàng)目中,根據(jù)各個裝置的工況及生產(chǎn)要求不同,DCS采用CS3000系統(tǒng);緊急停車系統(tǒng)(ESD)采用TRICONEX控制系統(tǒng);電氣控制系統(tǒng)(ECS)采用RCS-9700后臺監(jiān)控系統(tǒng),而其他的一些小系統(tǒng)如PAS原油過濾系統(tǒng)、水利出焦系統(tǒng)等多采用PLC控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對不同系統(tǒng)控制設(shè)備的集中監(jiān)控,設(shè)置CS3000為主要監(jiān)控系統(tǒng),其他系統(tǒng)通過Modbus通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到CS3000系統(tǒng)中顯示的方法來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝對不同系統(tǒng)控制設(shè)備的集中監(jiān)控。

1 數(shù)據(jù)傳輸方式

如圖1所示,Modbus通信協(xié)議基本上遵循主—從設(shè)備(Master and Slave)。根據(jù)Modbus通信協(xié)議的規(guī)定,必須一方為主設(shè)備,另一方為從設(shè)備,不能互換角色。在該項(xiàng)目中以CS3000監(jiān)控系統(tǒng)為主設(shè)備,PLC,ECD,ECS等為從設(shè)備,CS3000系統(tǒng)一直檢查從設(shè)備的各種信息,然后顯示并對各種邏輯計算及控制進(jìn)行處理。

圖1 主—從設(shè)備查詢回應(yīng)表

2 通信硬件配置

在CS3000系統(tǒng)中用來與子系統(tǒng)建立串口通信的專用卡件是ALR121卡。ALR121通信卡支持RS-422/485通信,Modbus是其最常采用的協(xié)議,它可以提供兩個RS-422/RS485端口。在該項(xiàng)目中,CS3000系統(tǒng)與ESD,PLC,ECS等子系統(tǒng)之間皆采用的是 RS-485的兩線制和四線制連接。應(yīng)用層協(xié)議是Modbus,這是很典型的應(yīng)用,非常方便。

2.1 CS3000與ESD系統(tǒng)的Modbus硬件配置

按照安全獨(dú)立原則要求,ESD獨(dú)立于DCS,其安全級別高于DCS。CS3000與 ESD網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示,TRICON的通信功能是利用其固 有 的 通 信 模 件 TCM4351B 進(jìn) 行 的。TCM4351B提供了四個串行口,通過這些接口可以和 Modbus主機(jī)及DCS進(jìn)行 RS-232和RS-422/RS-485串行通信;模件還可以提供兩個 10/100 Mbit/s以太網(wǎng)端口和一個 RS-232調(diào)試端口。當(dāng)DCS與 ESD進(jìn)行通信時,采用RS-485接線的四線接法,將 ALR121的TX+,TX-,RX+,RX-,SG端 子 與TCM 4351B通信模件其中一個串口的1,2,3, 4,9端子連接即可。在該項(xiàng)目蒸餾、焦化、加氫裂化等 8個裝置中,采用了雙 TCM 冗余Modbus通信方式和ALR121通信卡進(jìn)行通信,這樣保證了通信的準(zhǔn)確性和快速性。

圖2 CS3000與ESD的網(wǎng)絡(luò)連接

2.2 CS3000與ECS的Modbus硬件配置

該項(xiàng)目中,ECS采用RCS-9700后臺監(jiān)控系統(tǒng)。CS3000與 ECS網(wǎng)絡(luò)連接如圖 3所示,和CS3000進(jìn)行Modbus通信的是RCS-9700系列中的RCS-9794A/B通信裝置。RCS-9794A/B通信裝置作為RCS-9700變電站自動化系統(tǒng)的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置,用于將各種繼電保護(hù)設(shè)備信息、交直流屏信息、電度表信息等智能設(shè)備信息經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后接入 RCS-9700變電站自動化系統(tǒng)。RCS-9794A/B對下支持多種標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約和通信接口,對上支持RCS-9700網(wǎng)絡(luò)103規(guī)約。進(jìn)行RS-485通信時采用普通的RS-485接線的兩線接法,將ALR121的 TX+,TX-,SG端子與 RCS-9794A/B中其中一個串口的 7,8,9端子連接即可。

圖3 CS3000與ECS的網(wǎng)絡(luò)連接

2.3 CS3000與PLC的Modbus硬件配置

該項(xiàng)目中,基于 PLC的結(jié)構(gòu)靈活、傳輸質(zhì)量高、成本低、使用面廣等特點(diǎn),PSA原油過濾系統(tǒng)、蠟油過濾、水利出焦、硫磺包裝機(jī)、火炬點(diǎn)火系統(tǒng)等19套小裝置都采用獨(dú)立的PLC。CS3000與PLC通信網(wǎng)絡(luò)示意如圖 4所示,PLC進(jìn)行Modbus通信采用CP341模塊,該模塊具有1個串行通信口?？梢允褂眠@個接口實(shí)現(xiàn) PLC與其他串行通信設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。在CS3000與PLC通信時,CS3000作為主設(shè)備,PLC作為從設(shè)備。Modbus為單主站網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以系統(tǒng)中只能夠有一個Modbus主站,并且只能夠?qū)崿F(xiàn)主站和從站的數(shù)據(jù)交換,從站之間不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采用普通的RS-485接線的兩線接法,將ALR121的 TX+,TX-,SG端子與CP341的4,8,11端子連接即可實(shí)現(xiàn)CS3000與PLC的通信。

圖4 CS3000與PLC的網(wǎng)絡(luò)連接

3 通信軟件配置及應(yīng)用

以該項(xiàng)目加氫裂化ESD,焦化ECS,水利出焦S7-300型PLC與CS3000系統(tǒng)間通信為例,介紹TCM,RCS-9794,CP341和ALR121如何進(jìn)行通信組態(tài)和編程的。

3.1 ESD軟件組態(tài)配置

在對 ESD軟件進(jìn)行組態(tài)配置時,首先硬件定義中在 TRICON主機(jī)架的COM槽上定義一塊TCM4351B通信卡,并進(jìn)行設(shè)置,在端口設(shè)置參數(shù)對話框下,選擇一個 TCM 模件上的通信端口(TCM共有4個通信端口)后,在接口組態(tài)設(shè)置中為選好的端口選擇通信方式。在和CS3000通信中將ESD控制器作為Modbus從站進(jìn)行通信,所以通信方式要選擇“Modbus Slave RTU”。在ESD軟件組態(tài)配置中非常重要的一點(diǎn)就是 ESD作為Modbus通信的從站地址的定義,從站地址字段表示接受主站報文的從站地址,用戶必須設(shè)定每臺從站的專用地址,只有被編地址的設(shè)備才能對主機(jī)的命令做出應(yīng)答,從站發(fā)送應(yīng)答報文時報文中地址的作用是向主站報告正在通信的是哪臺從站當(dāng)設(shè)定好Modbus通信從站地址后,還需要對該Modbus端口進(jìn)行通信軟件參數(shù)的設(shè)置,比如波特率、量程等,具體參數(shù)要參考Modbus通信協(xié)議以及該項(xiàng)目實(shí)際情況。組態(tài)完通信參數(shù)后對組態(tài)進(jìn)行下裝就完成了對 ESD的通信組態(tài)。ESD組態(tài)流程如圖5所示。

圖5 ESD軟件組態(tài)流程

3.2 ECS軟件組態(tài)配置

在對ECS軟件進(jìn)行組態(tài)配置時,如圖6所示首先在 RCS-9793組態(tài)工具中選擇“板卡 0 (CPU1)”,然后根據(jù)現(xiàn)場硬件接線的實(shí)際情況來對串行口進(jìn)行組態(tài),在焦化裝置中用的是卡板0的第二個串行口,所以在“板卡串行口列表”中對串行口2進(jìn)行組態(tài),在串口2對應(yīng)行“通信規(guī)約”對應(yīng)列的位置,要選擇“Modbus串口對上規(guī)約”因?yàn)镋CS是作為從站與CS3000通信的。同時要修改串行口2端口對應(yīng)的線路模式、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)等參數(shù),具體的設(shè)置要參考Modbus通信協(xié)議以及該項(xiàng)目實(shí)際情況。做完上述的組態(tài)并下裝后即完成了對RCS-9794A/B的通信組態(tài)

圖6 ECS軟件組態(tài)流程

3.3 PLC軟件組態(tài)配置

在對PLC軟件進(jìn)行組態(tài)配置時,如圖7所示首先在STEP 7 V5.3版編程軟件的硬件配置中定義CP341通信卡。然后在CP341的參數(shù)設(shè)定中,對CP341參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,在設(shè)置參數(shù)時從站的定義非常重要,因?yàn)橥鲜龅淖酉到y(tǒng)一樣,PLC作為和CS3000通信的Modbus從站用戶必須設(shè)定專用地址,只有被編地址的設(shè)備才能對主機(jī)的命令做出應(yīng)答。接下來要對CP341通信協(xié)議進(jìn)行定義,其定義必須和現(xiàn)場硬件進(jìn)行匹配,水利出焦裝置現(xiàn)場CP341用的是RS-485兩線制,所以必須定義為RS-485兩線制協(xié)議。定義完通信方式并且下裝后即完成了對 CP341的通信組態(tài)。

圖7 PLC軟件組態(tài)流程

3.4 CS3000系統(tǒng)軟件組態(tài)配置

在CS3000組態(tài)中,如圖 8所示,首先要對ALR121進(jìn)行定義。進(jìn)入CS3000組態(tài)管理軟件SYSTEM VIEW,對已與子系統(tǒng)連接的ALR121卡進(jìn)行屬性設(shè)置,定義端口 PORT1的通信參數(shù),如波特率,奇偶校驗(yàn),響應(yīng)時間等,在參數(shù)設(shè)定時要根據(jù)上述子系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù),保持和子系統(tǒng)通信雙方的參數(shù)一致,其中通信方式是兩線制還是四線制要根據(jù)現(xiàn)場ALR121卡件接線方式保持一致,其中同ESD通信ALR121卡件使用的是四線制,而和ECS和PLC使用的是兩線制。

在定義完通信卡屬性后,接下來是在ALR121中對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)定義。CS3000與子系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的定義在通信點(diǎn)編輯器“COMMUNICA TION I/O BUILDER”中完成,其中組態(tài)要根據(jù)子系統(tǒng)提供的資料進(jìn)行定義。關(guān)鍵參數(shù)定義如下。

a)緩沖區(qū)的大小“SIZE”,其根據(jù)與子系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)量來定義,不能超出子系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)量,否則多出的數(shù)據(jù)點(diǎn)會在錯誤檢測過程中被判斷為故障點(diǎn),從而使系統(tǒng)將ALR121判斷為故障。

b)端口“PORT”,在“PORT”中填入與子系統(tǒng)通信的現(xiàn)場接線端口即可。

c)從站地址“STA TION”,即上述各子系統(tǒng)中“slave”的地址,必須要保證與通信的子系統(tǒng)的從站地址一致。

圖8 CS3000系統(tǒng)Modbus軟件組態(tài)流程

d)設(shè)備類型和通信數(shù)據(jù)起始地址“DEVICE&ADDRESS”,它是根據(jù)子系統(tǒng)提供的Modbus通信地址的起始地址進(jìn)行設(shè)定的,以后的排列順序必須與子系統(tǒng)提供的地址表相一致。

e)數(shù)據(jù)類型“DATA TYPE”,它的設(shè)定根據(jù)與子系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的類型選擇的,如果是模擬量數(shù)據(jù)類型就選擇“16位無符號整型”,其他類型以此類推。

f)位號說明“LABEL”等信息。

4 CS3000中Modbus信息換算方法

利用CS3000系統(tǒng)FUCTION BLOCK建立一個通信顯示時,根據(jù)Modbus通信系統(tǒng)信息的機(jī)構(gòu)特點(diǎn),PLC,ESD,ECS等系統(tǒng)通信給CS3000的原始報文是16位整數(shù)值,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。將Modbus通信的16位整數(shù)值轉(zhuǎn)換為CS3000用戶所能識別的浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值。在CS3000系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)設(shè)置中,在輸入信號轉(zhuǎn)換這一項(xiàng)選擇通信輸入“SUBSYS”,CS3000通過內(nèi)部換算公式將數(shù)值轉(zhuǎn)換為外部的浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值,兩者之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系,這個關(guān)系就是 Modbus數(shù)值量的換算關(guān)系。

5 結(jié)束語

該項(xiàng)目自使用Modbus通信協(xié)議將各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信集中到CS3000系統(tǒng)以來,CS3000通過RS-422,RS-485接口用Modbus RTU協(xié)議同PLC,ESD,ECS間的通信一直正常,從未出現(xiàn)過任何軟、硬件故障以及其他干擾現(xiàn)象,有效地保證了 DCS的正常運(yùn)行?？梢?CS3000通過Modbus與PLC,ESD,ECS等系統(tǒng)通信是一種行之有效的方法。DCS中可以讀取PLC,ESD,ECS等系統(tǒng)中的測量值、設(shè)定值等,同時可以遠(yuǎn)程設(shè)置和監(jiān)視PLC,ESD,ECS等系統(tǒng)中控制閥的數(shù)據(jù),極大地方便了現(xiàn)場的控制和操作。

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The Application of the Modbus Communication Protocol in CS3000

Wang Xiang,Ding Wei
(The Dushanzi Petrochemi.Co.Refinery Plant, instru.workshop,Kelamayi,833600,China)

The contents and means of data transmission of the Modbus protocol are introduced.The application of CS3000 system and other subsystems in the plant is presented,the hardware disposition and software configuration fordata exchangebased on theModbus are expounded. How the communication between CS3000 and intelligent control instruments of third part is realized by the Modbus communication protocol is described.That has made control and operation more convenient in the operation of refinery automatic control system and is worth promoting.

the Modbus communication protocol;transmission mode;data conversion;master and slave equipments;hardware configuration;software configuration

TP273

B

1007-7324(2011)01-0057-04

2010-11-29(修改稿)。

王 翔(1982—),男,主要從事儀表自動化及DCS應(yīng)用軟件開發(fā)和維護(hù)工作,任助理工程師。