Modbus通信協(xié)議在DCS與PLC通信中的應(yīng)用

劉春艷 吳明生 羅炳浩

(甘肅銀光聚銀化工有限公司，甘肅 白銀 730900)

隨著DCS在化工自控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要PLC與DCS間進(jìn)行通信，最常見的通信方式是通過通信卡點(diǎn)對點(diǎn)連接方式中的Modbus RS-485通信?，F(xiàn)以CP341模塊與CS3000的ALR121模塊為例，介紹基于Modbus協(xié)議通信的硬件結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置。

1 Modbus簡介①

Modbus將通信參與者規(guī)定為主機(jī)(master)和客戶端(slave)，主機(jī)首先向客戶端發(fā)送通信請求指令，客戶端根據(jù)請求指令中指定的內(nèi)容向主機(jī)發(fā)回數(shù)據(jù)，一個主機(jī)可以向多個客戶端發(fā)送通信請求，最多可有255個請求指令。每個客戶端都有設(shè)有唯一編號，該編號為客戶端地址(slave address)或識別碼(slave id)。

Modbus協(xié)議中只對各種通信字符串格式作了規(guī)定，并未對通信參數(shù)作規(guī)定。

控制器能設(shè)置為ASCII或RTU兩種傳輸模式中的任何一種，在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)(波特率及檢驗(yàn)方式等)，在配置每個控制器時，在一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII模式通信，在消息中的每個8bit都作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時間間隔可達(dá)到1s而不產(chǎn)生錯誤。當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU模式通信，在消息中的每個8bit包含兩個4bit的十六進(jìn)制字符，其優(yōu)點(diǎn)是在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

2 硬件配置

2.1 PLC

CP341模塊是S7-300/400 PLC中支持Modbus串行通信的模塊，CP341有一個串行通信口(RS-232C或TTY或RS-485/422)。要實(shí)現(xiàn)Modbus通信，需在CP341模塊上插入相應(yīng)協(xié)議的硬件狗，CP模板才能支持Modbus(RTU格式)。

CP341模塊的安裝步驟：

a. 將CPU切換至STOP模式；

b. 關(guān)閉電源；

c. CP341附帶擴(kuò)展總線，將該總線插入CP341左側(cè)模塊的背板連接器上；

d. 如果要在CP341的右側(cè)安裝模塊，則將下一個模塊的擴(kuò)展總線插到CP341右側(cè)背板連接器上；

e. 將FM341掛在安裝導(dǎo)軌上并向下旋轉(zhuǎn)；

f. 擰緊CP341；

g. 將24V(DC)的負(fù)載電源連接至CP341。

參數(shù)分配接口與功能塊和編程實(shí)例均位于CD上。安裝參數(shù)分配接口，執(zhí)行的操作：將CD放入編程設(shè)備或PC的CD驅(qū)動器；在Windows操作系統(tǒng)中雙擊控制面板中的“添加/刪除程序”圖標(biāo)，打開安裝軟件的對話框；在該對話框中選擇CD驅(qū)動器，然后選擇“Setup.exe”文件，開始安裝；按照屏幕上的安裝程序提供的說明進(jìn)行操作。

CP341組態(tài)步驟如下：

a. 通過STEP 7創(chuàng)建一個項(xiàng)目和站。

b. 在STEP 7的組態(tài)表中輸入CP341的機(jī)架號、插槽號和訂貨號，STEP 7自動給CP341分配地址，這樣CPU就能通過地址在機(jī)架插槽中找到CP341。

c. 通過在組態(tài)表中雙擊訂貨號(CP341)或通過選擇CP341，然后選擇編輯(Edit)-->對象屬性(Object Properties)菜單命令來啟動參數(shù)分配接口。將出現(xiàn)“屬性-CP341”(Properties-CP341)對話框。單擊“參數(shù)”(Parameters)按鈕轉(zhuǎn)至協(xié)議選項(xiàng)，設(shè)置協(xié)議并雙擊傳輸協(xié)議的圖標(biāo)(信封形狀)。這樣進(jìn)入了設(shè)置協(xié)議特定參數(shù)的對話框。

d. 數(shù)據(jù)組態(tài)。通過選擇站(Station)-->保存(Save)或站(Station)-->另存為(Save As)菜單命令退出組態(tài)表時，系統(tǒng)自動將組態(tài)數(shù)據(jù)和參數(shù)分配數(shù)據(jù)(包括模塊參數(shù))存儲到已創(chuàng)建的項(xiàng)目/用戶文件中。

e. 在線將組態(tài)數(shù)據(jù)和參數(shù)分配數(shù)據(jù)從編程設(shè)備下載到CPU，菜單命令PLC-->下載(Download)。下載后CPU立即接收參數(shù)。

2.2 DCS

DCS的硬件包括：ALR121(RS-422/RS-485 communication module)和ALR121。ALR121卡件連接的方式如圖1所示。

圖1 ALR121卡件的連接示意圖

3 組態(tài)

打開CS3000軟件，生成ALR121卡件，開始→YOKOGAWA CENTUM→System View。在控制站(FCS010x)節(jié)點(diǎn)(NODEx)下點(diǎn)擊右鍵→Create New→IOM，彈出Create New IOM窗口，在Category 中選擇Serial Communication，在Type中選擇ALR121(RS-422/RS-485 SerialCommunication Interface)→在Slot中設(shè)置卡件位置“x”。

點(diǎn)擊“Card Common”標(biāo)簽，選擇卡件常規(guī)項(xiàng)，連接設(shè)備選擇“Modbus”。

點(diǎn)擊Port1標(biāo)簽，設(shè)置Modbus通信端口屬性(圖2)。主、從站的波特率、數(shù)據(jù)位、結(jié)束位、奇偶校驗(yàn)規(guī)則和接線方式都是雙方約定好的，必須保持一致。

圖2 Modbus通信端口屬性

通信I/O組態(tài)。雙擊ALR121卡件，彈出“Communication I/O Builder”窗口，開始通信I/O組態(tài)。通信I/O組態(tài)說明各項(xiàng)定義如圖3所示，Buffer area針對本塊ALR121所存儲的總數(shù)據(jù)大??；Program Name為Modbus通信模塊的安裝位置，格式為“K1-節(jié)點(diǎn)號-插槽號Modbus”；Size為所選數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)長度，以“Words(2Byte)”為單位進(jìn)行分配，范圍1～126；Port為端口號，Modbus有兩個端口，在此設(shè)置1或2；IP Address為IP地址(對Modbus組態(tài)不起作用，適用于Ethernet，如填寫也不會報錯)；Station為從站設(shè)備的地址，范圍0～32的數(shù)字(對從站設(shè)備進(jìn)行識別)；Device & Address為從站設(shè)備數(shù)據(jù)保存的內(nèi)存地址，如S7-300默認(rèn)從站地址為222；Data Type為數(shù)據(jù)類型，必須與從站數(shù)據(jù)類型一致；Reverse為是否將控制站(FCS)和子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)位“bit”取反，有“NO”和“YES”可選；Scan為設(shè)置通信掃描方式，有“NORMAL”和“FAST”可選。

圖3 I/O組態(tài)各項(xiàng)定義

在“Communication I/O Builder”中組態(tài)模擬量點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 組態(tài)模擬量點(diǎn)

在“WBTagDef”中組態(tài)數(shù)字量點(diǎn)：在Element中填寫通信的數(shù)字工位，如%WB001102；在Tag Name中填寫工位名稱，如XI-P102A；在Tag Comment中填寫相對應(yīng)的工位注釋。具體如圖5所示。

圖5 組態(tài)數(shù)字量點(diǎn)

下裝，完成通信I/O組態(tài)。

在Drawing圖中組態(tài)，如圖6所示。

圖6 Drawing中的組態(tài)

對于模擬量輸入的PVI，選中PI-101，右鍵單擊“Edit details”進(jìn)入詳細(xì)編輯，將“輸入信號處理”與“輸出信號處理”方式選擇為子系統(tǒng)通信，并設(shè)置一定的增益和偏差(圖7)。

圖7 增益和偏差的設(shè)置界面

數(shù)字量點(diǎn)可以使用“開關(guān)儀表”進(jìn)行接收，也可以直接調(diào)用“%WB000102”或設(shè)置的工位直接進(jìn)行調(diào)用。下裝后，系統(tǒng)組態(tài)完成。

調(diào)試步驟：

a. 在“FCS010x Station Status Display”中觀察卡件狀態(tài)，在硬件ALR121卡件上觀察接收、發(fā)送燈是否正常。

b. 調(diào)出Process Report，看是否有“1”，如果有“1”表示有數(shù)據(jù)發(fā)送過來；如果沒有，則表示沒有數(shù)據(jù)發(fā)送過來。如圖8所示。

c. 調(diào)出工位，核對和子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)差別。調(diào)試結(jié)束。

圖8 數(shù)據(jù)發(fā)送判斷界面

4 結(jié)束語

DCS的功能不能局限于完成自身系統(tǒng)的控制和操作，還要整合其他各輔助系統(tǒng)的運(yùn)行信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)提供給操作人員和管理者。筆者采用Modbus通信協(xié)議和硬件設(shè)備的互連，實(shí)現(xiàn)了第三方系統(tǒng)間的通信和數(shù)據(jù)交換，極大地方便了操作人員的監(jiān)護(hù)和控制，人力成本降低，生產(chǎn)自動化水平提高。