淺談如何實現(xiàn)ABB DCS與和利時DCS通信

黃 景，胡勇剛，彭光華

（江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司 ，江西 九江 332500）

1 引言

鉛鋅公司采用了當(dāng)今世界技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)先進、自動化程度高的基夫賽特法煉鉛工藝和常規(guī)濕法煉鋅工藝，該工藝可建立企業(yè)內(nèi)部物料循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。即利用鉛系統(tǒng)處理鋅系統(tǒng)的二次物料，利用鋅系統(tǒng)處理鉛系統(tǒng)的二次物料，提高金屬回收率和資源綜合利用水平，盡量實現(xiàn)資源綜合利用的最大化和廢水、廢渣、廢氣排放的最小化，形成了鉛鋅聯(lián)合冶煉循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)模式。

鉛冶煉工藝過程控制系統(tǒng)項目選用了ABB公司的ABB IndustrialIT Freelance 800F DCS控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置了六個冗余的過程控制單元，各控制單元之間通過以太網(wǎng)組成一個通訊環(huán)網(wǎng)，根據(jù)鉛鋅聯(lián)合冶煉工藝要求，其中有2個控制單元控制鋅渣過濾干燥工序和煙氣堿洗工序。鋅冶煉系統(tǒng)項目采用了和利時DCS系統(tǒng)，配置了三個冗余控制器。公司根據(jù)實際生產(chǎn)需要，便于工藝生產(chǎn)管理操作，將鋅渣過濾干燥工序和煙氣堿洗工序分配給鋅冶煉工藝人員管理。為實現(xiàn)鋅冶煉中央控制室監(jiān)測和控制鋅渣過濾干燥工序和煙氣堿洗工序中的設(shè)備，兩套DCS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信是必要的，本文主要介紹了ABB PM802控制器和和利時SM202控制器之間的通信構(gòu)建和應(yīng)用。

2 DCS系統(tǒng)概述及構(gòu)造

DCS系統(tǒng)又稱集散型控制系統(tǒng)，是計算機（computer）、通信（communication）、CRT顯示和控制（control）技術(shù)（簡稱四C技術(shù)）發(fā)展起來的產(chǎn)物。它采用危險分散、控制分散，而操作和管理集中的基本設(shè)計思想，以及分層、分級和合作自治的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)和管理要求。常規(guī)模擬調(diào)節(jié)儀表組成的過程控制系統(tǒng)存在許多局限性，如難以實現(xiàn)多變量相關(guān)對象的控制；難以實現(xiàn)復(fù)雜的高級控制規(guī)律和參數(shù)的集中顯示與操作。由于生產(chǎn)規(guī)模的擴大和工藝過程的復(fù)雜，就要增加儀表，相應(yīng)的模擬儀表屏也要增大。而計算機的集中DDC控制會導(dǎo)致危險集中。不難實現(xiàn)用一臺計算機去控制幾十個甚至上百個回路，但這樣必然會降低系統(tǒng)的安全運行性能。集散型控制系統(tǒng)吸收了模擬儀表和計算機集中控制的優(yōu)點，將多臺微機分散應(yīng)用于過程控制、全部信息經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)由上級計算機監(jiān)控；通過顯示裝置、通信總線、鍵盤和打印機等設(shè)備，又能集中地操作、顯示和報警。因此，DCS系統(tǒng)不僅具備極高的可靠性、多功能性，而且人—機聯(lián)系便利，能夠完成各類數(shù)據(jù)的采集與處理以及復(fù)雜高級的控制［1］。

一個最基本的DCS應(yīng)包括四個大的部分：至少一臺現(xiàn)場控制站，至少一臺操作員站一臺工程師站（也可利用一臺操作員站兼做工程師站），一條系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。一個典型的DCS體系結(jié)構(gòu)如圖所示，圖1中表明了DCS各主要組成部分和各部分之間的連接關(guān)系。

圖1 典型的DCS體系結(jié)構(gòu)

3 通信系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1 Modbus通信協(xié)議

Modbus通信協(xié)議，它簡單可靠，通用性強，Modbus通信協(xié)議按電氣特性可分為RS-232、RS-422與RS-485，按照數(shù)據(jù)流的方向可分成三種基本的傳送方式：全雙工、半雙工、和單工。它們都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議利用串口通訊實現(xiàn)PC機與設(shè)備之間的通訊。標(biāo)準(zhǔn)波特率系列為 110、300、600、1200、4800、9600和19200bps等［2］。Modbus 協(xié)議是主從站通訊協(xié)議，用異步串行口完成通訊，物理層采用RS485或RS232。傳輸速率可以達到115kbps，理論上可接（尋址）一臺主站和至多247臺從站［6］。受線路和設(shè)備的限制，最多可接一臺主站和32臺從站。Modbus 協(xié)議的某些特性是固定的，如幀格式、幀順序、通訊錯誤和異常情況的處理，以及所執(zhí)行的功能等，都不能隨便改動。其他特性屬于用戶可選的，如傳輸介質(zhì)、波特率、字符奇偶校驗、停止位的個數(shù)等等，傳輸模式為RTU。用戶所選擇的參數(shù)對于各個站必須一致，在系統(tǒng)運行時不能改變［3］。

3.2 通信接口的設(shè)計

鉛鋅公司鉛冶煉項目采用了ABB IndustrialIT Freelance 800F DCS系統(tǒng)，鋅冶煉項目采用了和利時公司生產(chǎn)的 MACS_V4 DCS系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)內(nèi)部的控制器與I/O卡件之間均采用了Profibus DP通信協(xié)議，均開發(fā)了與Modbus協(xié)議通信的相對應(yīng)的軟件，支持串口通信和以太網(wǎng)通信，因此選用Modbus 協(xié)議將兩個系統(tǒng)聯(lián)合起來是可行的。 ABB一側(cè)做Modbus主站,和利時一側(cè)做Modbus從站，由此涉及到DP協(xié)議和Modbus協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，需通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，且鉛備料（ABB 4#控制器）和鋅焙燒（和利時1#控制器）所在廠房距離較遠，因此還有用到光纖連接，需光電收發(fā)模塊。具體通信結(jié)構(gòu)示意圖如圖2［5］：

圖2 DCS通信結(jié)構(gòu)

3.3 通訊模塊

FM020模塊是和利時公司生產(chǎn)Modbus通訊模塊，支持Profibus DP總線協(xié)議與Modbus協(xié)議，通過支持Profibus DP總線協(xié)議與控制器進行參數(shù)與數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)DP從站功能，同時通過Modbus通訊協(xié)議獲取或下發(fā)Modbus數(shù)據(jù)，支持功能碼01、02、03、04、05、06、0F、10，F(xiàn)M020 模塊在 Modbus一側(cè)即可以做Modbus主站，也可以做Modbus從站［7］。

FM1202模塊是和利時公司生產(chǎn)的光電收發(fā)模塊，支持Profibus DP和RS485協(xié)議，實現(xiàn)了光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換功能，拓展總線的物理長度，也避免了電磁干擾、雷擊及化學(xué)腐蝕對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

4 基于ABB Freelance 800F系統(tǒng)的硬件配置和軟件組態(tài)

4.1 硬件連接

ABB系統(tǒng)采用PM803F控制器帶Profibus-DP通訊模件FI830F，F(xiàn)I830F模件與FM020模件之間連接采用DP插頭連接，F(xiàn)MO20與FM1202之間采用普通屏蔽雙絞線傳輸，即FMO20模塊上RS485+接FM1202模塊上的A1，F(xiàn)MO20模塊上RS485-接FM1202模塊上的B1，光電收發(fā)模塊FM1202與光纖終端盒之間用尾纖連接。

4.2 軟件組態(tài)

為了將ABB系統(tǒng)與和利時FM020模塊連接,需要和利時公司提供FM020模塊的GSD文件，使用根據(jù)GSD文件組態(tài)的工具，可以將FM020和ABB DCS系統(tǒng)集成在同一組態(tài)環(huán)境中。具體組態(tài)步驟：打開ABB系統(tǒng)項目文件，進入硬件結(jié)構(gòu)，點擊4#控制器AC800FR(AC800FR4)，右擊插入新對象，選擇FI830FR Profibus 模件冗余，選擇槽位F2并確認；點擊FI830FR ，右擊插入新對象，選擇PROFI_M_DEV Profibus 主站，點擊PROFI_M_DEV，右擊插入新對象，選擇PROFI_S_DEV Profibus 從設(shè)備（基于GSD),出現(xiàn)從設(shè)備位置對話框，輸入節(jié)點號3和總線地址3后確認，選擇從磁盤導(dǎo)入FM020模塊的GSD文件即可， 最終形成DP網(wǎng)拓補示意圖如圖3［6］：

圖3 ABB DCS系統(tǒng)DP網(wǎng)拓補

上圖中總線地址為3的FM020-Master模塊就是此次組態(tài)設(shè)置的對象。

GSD文件導(dǎo)入成功后，在里面按順序插入設(shè)備狀態(tài)status和設(shè)備控制control，然后添加WORD型模塊read 16 words（3xxxx) 和 write 32 words（4xxxx)各一個（按通信變量100個I/O點數(shù)配置），然后在相應(yīng)的字里加入需要的通信變量，在read 16 words（3xxxx)模塊和 write 32 words（4xxxx)模塊進行I/O編輯，進行I/O編輯，然后將要通信的變量定義，接收的通信的變量直接讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送的通信變量直接寫入數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。

4.3 參數(shù)設(shè)置

ABB DCS系統(tǒng)通信參數(shù)設(shè)置如表所下表1所示：主要有波特率選擇19200、校驗方式選擇偶校驗、Modbus選擇主站、數(shù)據(jù)傳輸模式選擇RTU，數(shù)據(jù)更新模式選擇At Evry MD End,超時時間設(shè)置200 ms,RS232/RS485選 擇 RS485，Max polling no從站回復(fù)超時最大輪訓(xùn)次數(shù)為10次。

表1 通信參數(shù)設(shè)置

5 基于和利時MACS_V4系統(tǒng)的硬件配置和軟件組態(tài)

5.1 硬件連接

和利時MACS_V4 DCS系統(tǒng)采用SM系列硬件，其中主控單元由主控模塊SM201主控機籠構(gòu)成，I/O模塊插入I/O機籠，機籠之間用DP電纜連接，在DP鏈路末端直接用DP電纜接入FM020模塊，F(xiàn)MO20與FM1202之間連接方式和ABB DCS一端相同。

5.2 軟件組態(tài)

和利時MACS_V4 DCS系統(tǒng)內(nèi)已集成FM020模塊，因此不需要GSD文件，具體組態(tài)步驟：打開項目文件，在10#控制站左方點擊“+”，出現(xiàn)主控模塊SM202，點擊SM202，右擊新增模塊、選擇模塊、功能模塊、通訊模塊、FM020-Slave Modbus從站通訊模塊，最終確認地址為46，在輸入輸出模塊中添加變量后定義變量類型，因為ABB系統(tǒng)輸出/接收的變量類型和和利時系統(tǒng)接收/輸出的變量類型不一樣，組態(tài)時只需加入變量類型轉(zhuǎn)換功能塊即可讀取或發(fā)送。

5.3 FM020/Slave的配置說明

FM020模塊添加完之后，點擊FM020-Slave，進入DP設(shè)備屬性，首先添加設(shè)備狀態(tài)status和設(shè)備控制control，然后添加2個WORD型模塊16 words in（4xxxx) 和 16 words out（3xxxx)一個，在此要說明的是MACS_V4 DCS系統(tǒng) FM020模塊里沒有32words in（4xxxx)，因此用了2個WORD型模塊16 words in（4xxxx)。在此說明的是兩DCS系統(tǒng)組態(tài)時要保證Modbus存儲區(qū)標(biāo)識符（4xxxx) 、（3xxxx) 輸入輸出一 一對應(yīng)。波特率、檢驗方式等參數(shù)都與ABB DCS系統(tǒng)相同，配置不同的是和利時一側(cè)MODBUS 只能為從站。

6 FM020調(diào)試

地址設(shè)定，F(xiàn)M020模塊的地址必須與DCS系統(tǒng)中定義的地址一致。 終端匹配開關(guān)的設(shè)置，F(xiàn)M020模塊上有兩個中端匹配開關(guān)（DP TRMODBUS TR)，通過匹配開關(guān)選擇是否為Profibus DP總線和Modbus總線的RS485接口連接有源匹配電阻網(wǎng)絡(luò)。

FM020模塊有四個指示燈，分別代表著模塊的運行狀態(tài)和通信狀態(tài)，可以方便地對模塊的工作及運行狀態(tài)進行檢測，狀態(tài)指示燈組合及含義如表 2［7］：

表2 FM020模塊指示燈含義

7 結(jié)束語

在鉛鋅聯(lián)合冶煉工藝系統(tǒng)中，通過Modbus協(xié)議將兩個不同的DCS系統(tǒng)構(gòu)成了一個可以交換信息的整體，而且通訊數(shù)據(jù)量可根據(jù)需求隨時擴展，大大的方便了兩套工藝間的數(shù)據(jù)交換的需求。這種通信模式，已成為當(dāng)今自動化領(lǐng)域的應(yīng)用方向［4］。該通信系統(tǒng)投入應(yīng)用到現(xiàn)在近5年了，兩系統(tǒng)之間通信性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。滿足了工藝的需求。

［1］董瑞龍. DCS系統(tǒng)設(shè)計及先進控制在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化, 2016, 6(11):98-99.

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［6］陳蘭芳,柴山,孔彥虎. 淺談MODBUS轉(zhuǎn)PROFIBUS通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換在實際中的應(yīng)用[J]. 酒鋼科技, 2014(3):92-96.

［7］FM020 Modbus 通訊模塊使用說明書. 和利時公司.