基于MODBUS通訊協(xié)議的EPKS系統(tǒng)與TRICON系統(tǒng)通訊的實現(xiàn)

陳 玨

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430000)

在化工生產(chǎn)中，生產(chǎn)裝置一般使用DCS系統(tǒng)對整個工藝過程進行集中監(jiān)視、操作、管理。根據(jù)GB/50770-2013安全儀表設(shè)計規(guī)范規(guī)定，為確保安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(SIS系統(tǒng))在事故狀態(tài)下動作優(yōu)先，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)要分開。在實際生產(chǎn)過程中，操作人員需要在DCS上對SIS系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)參數(shù)進行監(jiān)視，因此兩系統(tǒng)之間需要進行數(shù)據(jù)通訊。MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器可以和其它設(shè)備之間可以互相通信，不同廠商的控制系統(tǒng)可以連成一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)集中監(jiān)控[1]。

1 MODBUS通訊原理

MODBUS協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求。當(dāng)在一個MODBUS網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用MODBUS協(xié)議發(fā)出[2]。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及組態(tài)軟件介紹

EPKS過程知識系統(tǒng)是Honeywell最新一代的過程自動化系統(tǒng)，它將人員與過程控制、經(jīng)營和資產(chǎn)管理融合在一起。Quick Builder是組態(tài)系統(tǒng)硬件的一種圖形工具。通過Quick Builder用戶可以對第三方控制器或RTU及控制器或RTU中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)點進行組態(tài)，并通過組態(tài)工作室將這些組態(tài)信息下載至Experion 的一體化數(shù)據(jù)庫。

與EPKS通訊的第三方設(shè)備連接到串口服務(wù)器Terminal server上，EPKS以MODBUS Master模式工作，與第三方通訊的Channel、Controller、Point在Quick builder中組態(tài)，EPKS與第三方控制器之間的鏈接可配置為冗余或非冗余。 串口服務(wù)器是一個帶有CPU和嵌入式OS及完整TCP/IP協(xié)議棧的獨立智能設(shè)備，主要工作是完成串行數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)IP包之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而完成終端登陸，擴展串口，將傳統(tǒng)的串行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，串行設(shè)備互相通信等功能。

圖1是EPKS與第三方設(shè)備使用MODBUS通訊的典型冗余結(jié)構(gòu)圖。

圖1 MODBUS串口通訊典型結(jié)構(gòu)圖

3 DCS系統(tǒng)組態(tài)配置

EPKS過程知識系統(tǒng)采用Quick Builder軟件組態(tài)MODBUS通訊點，組態(tài)主要內(nèi)容包括Channel(通道)，Controller(控制器)，Point(點)設(shè)置。

3.1 通道組態(tài)

EPKS服務(wù)器與第三方控制器通訊時，需要建立一個服務(wù)器可以識別的“通道”。每一個第三方控制器都會有與之匹配的通道。在 Main 列表中定義 MODBUS 通道的基本參數(shù)：

Name：通道的唯一名稱；

Description：通道的描述；

Marginal Alarm Limit：通信報警邊緣線，當(dāng)?shù)竭_(dá)該界限時產(chǎn)生一高報警；

Fail Alarm Limit:通訊失敗時的通信報警界限當(dāng)?shù)竭_(dá)該界限時產(chǎn)生一緊急報警；

Diagnostic Scan Rate: 與控制器校驗通訊完整性的掃描周期(單位為秒)；

Item Type：建立通道時指定的類型；

Item Number：分配到該通道的唯一通道號。

3.2 控制器組態(tài)

創(chuàng)建組態(tài)好Channel后，就需要定義多個不同的控制器，該控制器依據(jù)MODBUS協(xié)議定義的邏輯控制器。共有四種的數(shù)據(jù)類型，只讀或可寫的模擬量或狀態(tài)量,選擇數(shù)據(jù)類型DATATABLE：包括只讀數(shù)字量DIGITALINPUT、可讀寫數(shù)字量DIGITALOUTPUT、只讀模擬量INPUTREGISTER、可讀寫模擬量 HOLDINGRE GISTER，每個控制器必須與其匹配的通道相關(guān)聯(lián)。在 Main 列表中定義 MODBUS 控制器的部分基本參數(shù)：

Name: 控制器的唯一名稱；

Description：控制器的描述；

Channel Name：控制器所在的通道名稱；

Marginal Alarm Limit：控制器報警邊緣線，當(dāng)?shù)竭_(dá)該界限時產(chǎn)生一高報警；

Fail Alarm Limit:控制器失敗時的通信報警界限當(dāng)?shù)竭_(dá)該界限時產(chǎn)生一緊急報警；

Protocol：控制器所在的通道的協(xié)議(MODBUS RTU or MODBUS TCP)；

PLC Station ID：遠(yuǎn)程控制器站地址；

Date Table：控制器數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表地址范圍遵循以下格式：

Digital Output(read/write)：000001 to 032766；

Digital Input(read only)：100001 to 132766；

Input Register(read only)：300001 to 332766；

Holding Register(read/write)：400001 to 432766；

Item Type：建立控制器時指定的類型；

Item Number：分配到該控制器的唯一控制器號。

3.3 點的組態(tài)

建立點POINT，即DCS與第三方設(shè)備通訊的點，點的類型為Analog(模擬量)、Status(狀態(tài)量)?？梢越M態(tài)Point的位號、描述、量程、數(shù)據(jù)掃描周期、數(shù)據(jù)的來源和格式。其中控制點的Source Address(源地址)根據(jù)第三方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，源地址的格式為“控制器”地址“解析碼”。整型數(shù)據(jù)和浮點型數(shù)據(jù)是在MODBUS通訊中較常用的數(shù)據(jù)格式，其常用的解析碼如表1所示。

表 1 常用數(shù)據(jù)格式描述及值

4 SIS系統(tǒng)通訊配置

TRICON系統(tǒng)借助于網(wǎng)絡(luò)通訊模件(TCM)和MODBUS主機和從機，以及Honeywell分布控制系統(tǒng)(DCS)連接。主處理器通過通訊總線向通訊模件傳遞數(shù)據(jù)。使用TRICON系統(tǒng)組態(tài)軟件TriStation 1131對MODBUS端口進行一些必要的 MODBUS通訊參數(shù)的設(shè)置，比如波特率、量程等，參數(shù)設(shè)置對話框如圖2所示。

圖2 參數(shù)設(shè)置對話框

TRICON系統(tǒng)創(chuàng)建POINT時根據(jù)數(shù)據(jù)類型(BOOL型，DINT型，REAL型)自動分配相對應(yīng)的地址。對于MODBUS開關(guān)量的通訊，TRICON系統(tǒng)通過軟件組態(tài)將16個開關(guān)量打包(PACK)成一個16位整型數(shù)。

5 TRICON系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)地址通訊說明

開關(guān)量地址說明：DCS系統(tǒng)直接按照TRICON系統(tǒng)提供的地址表直接讀寫。

模擬量地址說明：TRICON系統(tǒng)模擬量提供雙整型(DINT型)和實型(REAL型)兩種類型通訊方式。當(dāng)以DINT類型通訊時，直接按照TRICON系統(tǒng)提供的地址讀取，但數(shù)據(jù)要進行轉(zhuǎn)換。TRICON系統(tǒng)DINT類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換范圍是819～4095，即4～20MA對應(yīng)的范圍，也就是量程的對應(yīng)范圍。當(dāng)以REAL型通訊時，需要進行地址映射，地址映射方式如下：

當(dāng)DCS讀取數(shù)據(jù)時，5位地址的前兩位與TRICON系統(tǒng)提供的地址對應(yīng)，后3位地址按×2-1或者×2+1就是DCS所需要的地址。例如TRICON系統(tǒng)提供的地址33003，DCS的地址就是：前兩位映射成35，后兩位003×2-1=005，即35005；或者003×2+1=007 ，即35005。上訴選擇是+1還是-1，與DCS系統(tǒng)編址方式是從“0”開始還是從“1”開始有關(guān)。

6 總結(jié)

MODBUS通訊是一種成熟、可靠的通訊解決方案。通過此方法可以使DCS與其他控制系統(tǒng)的通訊。滿足生產(chǎn)工藝人員在DCS畫面上監(jiān)視其他控制系統(tǒng)參數(shù)，通訊配置操作方便，實施成本低。