ModBus通訊協(xié)議在艾默生Deltav中控DCS系統(tǒng)與虹潤智能儀表通訊中的應(yīng)用

王大安

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

ModBus通訊協(xié)議在艾默生Deltav中控DCS系統(tǒng)與虹潤智能儀表通訊中的應(yīng)用

王大安

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

自1979年Modicon公司制定Modbus通訊協(xié)議以來，其已經(jīng)成為工控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議。通過該協(xié)議可以實現(xiàn)兩個不同設(shè)備、控制系統(tǒng)之間的信息數(shù)據(jù)采集、交換，甚至可以擴展組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。從注水泵溫度監(jiān)控的實際應(yīng)用出發(fā)，介紹了ModBus通訊協(xié)議在海上平臺艾默生Deltav中控DCS系統(tǒng)串口通訊卡與虹潤智能顯示儀表通訊的設(shè)計、應(yīng)用及具體實施方法。通過艾默生Deltav中控DCS系統(tǒng)簡潔的通訊組態(tài)實現(xiàn)了注水泵溫度監(jiān)控參數(shù)遠(yuǎn)傳顯示、實時顯示、歷史記錄功能。

ModBus通訊協(xié)議 串口通訊卡 智能數(shù)字顯示儀

0 引 言

海上平臺注水泵監(jiān)控系統(tǒng)，其保護儀表由注水泵前后軸承、電機前后軸承、電機三相繞組溫度顯示儀和注水泵前后軸承振動檢測儀組成。由于設(shè)備投用時期采用的監(jiān)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)，原選型設(shè)計的溫度顯示儀表不具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。當(dāng)設(shè)備溫度達到報警值時，輸出一個開關(guān)量信號至繼電器控制系統(tǒng)，繼電器控制系統(tǒng)輸出一個綜合報警信號至艾默生Deltav中控DCS系統(tǒng)并在上位機上報警。維護人員只能依據(jù)接收到的距離報警時間最近的人工點檢記錄數(shù)據(jù)進行分析，缺乏溫度歷史趨勢變化數(shù)據(jù)，不利于故障分析的處理工作。

為了更好地掌握注水泵實時和歷史運轉(zhuǎn)工況，更科學(xué)、方便地對出現(xiàn)的故障進行分析處理，根據(jù)平臺現(xiàn)有的艾默生Deltav中控DCS系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用的ModBus通訊功能，選用虹潤精密儀器有限公司HR系列智能溫度數(shù)字顯示儀表進行替代改造。從溫度數(shù)字顯示儀表自帶串行通信接口作為ModBus從站，艾默生DELTAV中控DCS系統(tǒng)作為ModBus主站，通過簡潔的通訊配置實現(xiàn)了兩者之間穩(wěn)定、流暢的數(shù)據(jù)傳輸。將采集到的注水泵各項溫度監(jiān)控參數(shù)進行上位機組態(tài)，增加實時畫面監(jiān)控、溫度高限報警、實時趨勢、歷史趨勢記錄等功能。

1 智能數(shù)字顯示儀簡介

1.1 智能數(shù)字顯示儀特點

虹潤HR-WP系列智能數(shù)字顯示儀支持毫安、毫伏、熱電阻等多種信號輸入，兩組高低報警觸點輸出。支持顯示量程、報警值、報警方式、變送輸出范圍等配置參數(shù)在線修改，無需斷電重啟。采用數(shù)字化校準(zhǔn)技術(shù)、無電位器等可調(diào)部件，具有熱電偶冷端溫度及熱電阻引線電阻自動補償功能。[1]具備的DC24V饋電功能可對外接的二、三線制變送器提供電源。[1]具備RS232、RS485異步串口通訊功能，采用標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議與其他系統(tǒng)進行通訊連接，可擴展構(gòu)成多路數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。根據(jù)原溫控儀安裝尺寸和保護功能，此次改造選用HR-WP-XC703-8型號智能數(shù)字顯示儀(見圖1)。

圖1 XC703智能數(shù)顯示儀接線圖Fig.1 Wiring diagram of XC703 smart digital display

1.2 智能數(shù)字顯示儀通訊協(xié)議

智能數(shù)字顯示儀內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU從站通訊協(xié)議，即由其他DCS、PLC等系統(tǒng)配備的串行通訊卡或接口作為主站進行信息管理交換，且只能由主站發(fā)起信息查詢。主站根據(jù)起始設(shè)置的從站站號地址依次對從站進行輪流查詢。智能數(shù)字顯示儀從站地址設(shè)定在1～247之間，當(dāng)多個智能數(shù)字顯示儀聯(lián)合組網(wǎng)時，每個從站地址必須唯一。在主站發(fā)起信息查詢時，只有當(dāng)從站地址與主站需要查詢的地址相匹配，智能數(shù)字顯示儀從站才能回復(fù)數(shù)據(jù)信息，而智能數(shù)字顯示儀從站之間不能進行相互通信。智能數(shù)字顯示儀數(shù)據(jù)寄存器有讀(03H)、寫(10,H)兩種十六進制數(shù)格式，本文涉及的應(yīng)用只進行溫度數(shù)據(jù)采集，所以只進行讀寄存器操作。數(shù)據(jù)以二進制代碼傳輸，校驗采用CRC循環(huán)冗余校驗(見表1、2)。

智能數(shù)字顯示儀配有RS-485/RS-232兩種異步串行通訊接口，接口設(shè)置為一位起始位、八位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗、一位停止位。用戶根據(jù)需要可以在2,400～9,600,bps之間進行波特率選擇設(shè)置。

表1 寄存器楨[1]Tab.1 Read frames from the register[1]

表2 讀寄存器返回楨[1]Tab.2 Read return frames from the register[1]

表1、2中一次連續(xù)讀取的寄存器N的最大值為24，通信傳輸中帶小數(shù)點的數(shù)據(jù)全部用整數(shù)代替，通訊協(xié)議中數(shù)據(jù)格式都為雙字節(jié)有符號整型變量。由于在數(shù)據(jù)傳輸過程中寄存器數(shù)據(jù)采用十六進制數(shù)傳輸，所以數(shù)據(jù)分高低字節(jié)傳輸，先傳高字節(jié)，再傳低字節(jié)。智能數(shù)字顯示儀作為從站可以供主站查詢的地址數(shù)據(jù)有儀表類型、測量顯示值、報警值等多種數(shù)據(jù)，地址依次為40001至40036，本次應(yīng)用作顯示用，取4002測量顯示值。

2 串口通訊卡

艾默生Deltav中控DCS系統(tǒng)串口通訊卡基于Deltav背板通訊技術(shù)，為卡槽式安裝，串口通訊卡的安裝位置由用戶自由分配，配以專用的RS232、RS422/485串口通訊卡接線端子底座。串口通訊卡安裝在底槽后，可以使用Deltav上位機軟件Auto-Sensing自動檢測功能來識別。每塊串口通訊卡有兩個通訊口，通訊口需要激活才能使用。每個通訊口的底座上有16個接線端子。根據(jù)卡件支持的RS232、RS422/485半雙工或RS422/485全雙工信號3種異步串行通訊方式不同，接線端子的組合使用也不同。其中RS232通訊方式最多支持15,m數(shù)據(jù)傳輸，RS422/485通訊方式最多支持610,m數(shù)據(jù)傳輸。由于注水泵控制盤安裝位置距離中控室有200,m遠(yuǎn)，兩個系統(tǒng)之間的硬件連接選用抗干擾好、傳輸距離遠(yuǎn)、有較大級聯(lián)能力、非常適合組成現(xiàn)場多級通信的RS485通訊方式(見表3)。

表3 串口卡接線端子圖Tab.3 Terminals of serial port card

3 中控系統(tǒng)組態(tài)

3.1 通訊卡串口組態(tài)

艾默生Deltav中控DCS系統(tǒng)中的ModBus通訊組態(tài)已經(jīng)按照標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議進行內(nèi)核封裝，封裝編輯后的組態(tài)界面簡單明了。串口組態(tài)按照組態(tài)界面包含主、從站兩種設(shè)置，RTU或ASII兩種模式，波特率在300～115,200,bps范圍內(nèi)可選擇。校驗位提供奇校驗、偶校驗、無校驗3種方式進行選擇，七位、八位數(shù)據(jù)位，一位、二位停止位。[2]具體操作進行下拉菜單選擇即可(見圖2)。

圖2 通訊協(xié)議設(shè)置圖Fig.2 Setup diagram of the communication protocol

具體組態(tài)信息按照智能數(shù)字顯示儀從站的通訊參數(shù)進行匹配組態(tài)。此次應(yīng)用智能數(shù)字顯示儀為從站，中控DCS系統(tǒng)串口通訊卡為主站(master)，RTU模式，RS422/485半雙工通訊方式，波特率設(shè)置為19,200 bps，無奇偶校驗，八位數(shù)據(jù)位，一位停止位(見圖3)。

圖3 通訊參數(shù)設(shè)置圖Fig.3 Setup diagram of communication parameters

3.2 ModBus協(xié)議組態(tài)

串口通訊組態(tài)完成后，繼續(xù)進行從站地址設(shè)定組態(tài)。系統(tǒng)提供1～255個地址設(shè)定，coil和input register、holding register 等幾種格式數(shù)據(jù)功能代碼設(shè)定。采用布爾、8位、16位、32位整形變量(有符號/無符號)、浮點、字符串等幾種變量類型。數(shù)據(jù)讀取起始地址，地址讀取長度可以自由設(shè)定。由于每臺泵共有前后軸承、電機前后軸承、電機三相繞組等7個溫度監(jiān)控信號，現(xiàn)場流程安裝2臺注水泵，共需要14塊智能數(shù)字顯示儀，需要建立1～14個從站地址模塊。每個模塊功能代碼均采用03,H(holding register)，起始地址均從40001開始，地址讀取長度為2(見圖4)。

圖4 讀取從站設(shè)置圖Fig.4 Setup diagram of reading slave station

組態(tài)完成后需要進行下裝才可以使用。之后通過Deltav系統(tǒng)自帶的診斷功能對兩個設(shè)備的通訊情況進行功能測試。診斷信息包括串口工作狀態(tài)、完整性、固件版本、軟件版本、串口卡通訊模式、產(chǎn)品系列號等軟硬件信息。當(dāng)通訊出現(xiàn)故障時，會出現(xiàn)“BAD!”感嘆號提示。常見通訊故障包括波特率等個別通訊參數(shù)設(shè)置不匹配，RS-485信號線“＋、－”接反，地址讀取長度超出范圍，數(shù)據(jù)高低字節(jié)反置等情況(見圖5)。

4 智能數(shù)字顯儀設(shè)置

根據(jù)每臺泵前后軸承、電機前后軸承、電機三相繞組等7個溫度監(jiān)控信號分別設(shè)置各個智能數(shù)字顯示儀的報警值、停機值、探頭輸入信號類型(RTD)、從站地址、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)(見圖5)。

圖5 通訊診斷圖Fig.5 Diagnostic diagram of communication status

5 方案實施

根據(jù)原控制盤溫度顯示儀的安裝尺寸，選用合適的虹潤智能數(shù)字顯儀進行更換，連接好電源、RTD溫度傳感器接線、報警和停機信號線。在智能數(shù)字顯示儀上電后進行報警值、停機值、探頭輸入信號類型、從站地址、波特率等參數(shù)的設(shè)定核對工作。敷設(shè)現(xiàn)場注水泵控制盤到中控室標(biāo)準(zhǔn)鎧裝，屏蔽RS485數(shù)據(jù)線，按＋、－連接接線端子，做好屏蔽接地。在中控室與現(xiàn)場逐一對采集溫度顯示值進行校對(見圖6)。

6 總 結(jié)

通過選用帶通訊遠(yuǎn)傳功能的數(shù)顯儀改造后的注水泵溫度監(jiān)控系統(tǒng)，[3]不但滿足現(xiàn)場溫度監(jiān)視邏輯控制要求，而且增加了遠(yuǎn)傳中控顯示、實時報警、歷史趨勢記錄功能，極大地方便了操作人員對注水泵的運行監(jiān)控和維修人員對故障的分析、排查，對生產(chǎn)設(shè)備智能化、數(shù)字化和現(xiàn)代化的發(fā)展具有非常積極的意義?！?/p>

圖6 儀表聯(lián)網(wǎng)圖Fig.6 Networking diagram of instruments

［1］ HR-WP系列智能數(shù)字(光柱)單路顯示儀說明書[Z].

［2］ Deltav Books Online 8. 4 CN [Z].

［3］ 施玉書，朱若谷. 數(shù)顯儀特征部分的誤差分析[J]. 中國計量學(xué)院學(xué)報，2007(2)：108-113.

Application of ModBus Communication Protocol in the Communication Between Emerson Deltav DCS Control System and HongRun Intelligence Instrument

WANG Da’an
(CNOOC Ltd-Tianjin，Tianjin 300452，China)

Modbus communication protocol，developed by Modicon in 1979，has become awidely used bus protocol in industrial control field．Through the protocol，data collection and exchange between different equipment and control system can be realized，and this connection can even be extended to industrial control network．From the angle of practical application on water injection pump temperature monitoring，this paper introduces the design as well as the application and specific implementation method of Modbus communication protocol in the communication between Emerson DeltaV DCS control system serial communication card and HongRun intelligent display instrument on offshore platforms．Through the simple communication configuration in Emerson Deltav DCS control system，functions of remote and real-time display of temperature parameters and history record have been realized for water injection pumps.

ModBus communication protocol；serial communication card；intelligent digital display instrument

TH692.2

A

1006-8945(2016)03-0058-04

2016-01-26