一種基于MVI56E-MCM的冗余Modbus通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李志剛，王 偉，楊靈飛，李婷婷，董偉光

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

當(dāng)前，工業(yè)控制逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程度更加集中的集散控制方式。Modbus作為一種開放的通信協(xié)議，已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。在某些大型工業(yè)控制系統(tǒng)中，例如石油/天然氣開采運(yùn)輸、石油化工、發(fā)電等為代表的過程工業(yè)領(lǐng)域中，由于設(shè)備繁復(fù)，工藝復(fù)雜且造價(jià)昂貴，對(duì)其中央控制系統(tǒng)與相連的重要子系統(tǒng)之間通信的穩(wěn)定性要求很高，冗余Modbus通信成為了一種不錯(cuò)的選擇。

1 項(xiàng)目背景

圖1 通信結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Communication structure diagram

海洋油氣田自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)作為海洋油氣田開采的關(guān)鍵系統(tǒng)，對(duì)油氣開采工藝過程控制及配電安全起到至關(guān)重要的作用。

某大型海上油氣平臺(tái)中央控制系統(tǒng)采用了Rockwelll品牌的集散控制系統(tǒng)，操作人員可以對(duì)平臺(tái)設(shè)備遠(yuǎn)程、集中監(jiān)控。但有部分大型設(shè)備，由于工藝及控制邏輯較為復(fù)雜，控制點(diǎn)數(shù)較多，為減小其并入中央控制系統(tǒng)所造成的負(fù)荷突增，保證各控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，因而對(duì)這些大型關(guān)鍵設(shè)備仍采用獨(dú)立控制的方式。這樣中央控制系統(tǒng)與這些獨(dú)立控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信就變得尤為重要。

本項(xiàng)目采用了冗余的Modbus通信方式，有效地解決了這一問題。該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，硬件上只需要在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并列安裝兩塊互為冗余的Modbus卡件，更重要的是其可靠性較高。Modbus是一種在工業(yè)領(lǐng)域被廣為應(yīng)用的真正開放、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，有著廣泛的知識(shí)資源支持等特點(diǎn)，已經(jīng)成為一種公認(rèn)的通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。而本案所采用的冗余Modbus通信方式將其可靠性成倍增加，保證了平臺(tái)上各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定進(jìn)行。

2 MVI56E-MCM實(shí)現(xiàn)冗余Modbus通信的結(jié)構(gòu)配置

Prosoft Technology公司的Modbus通信卡件可以將羅克韋爾的控制器方便地連接到支持Modbus的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，該類插槽類通信卡件支持眾多系統(tǒng)[2]，其中MVI56專門為ControlLogix系列PLC擴(kuò)展Modbus通訊接口。

本方案提供兩塊MVI56E-MCM卡件作為Modbus主站，分別安裝于該海上油氣平臺(tái)中央控制系統(tǒng)中的兩個(gè)不同的機(jī)架上，每塊MVI56E-MCM卡件的一個(gè)端口與第三方設(shè)備相連接。圖1為該冗余Modbus通信的結(jié)構(gòu)圖。

MVI56E-MCM是一塊具有Modbus TCP/IP通訊能力的模塊。此模塊在Modbus以太網(wǎng)中既可以作為Server被讀寫數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以作為Client來讀寫網(wǎng)絡(luò)上其他Server的數(shù)據(jù)。圖1結(jié)構(gòu)中，兩塊MVI56E-MCM模塊分別位于兩個(gè)Logix5000從站機(jī)架上，作為Server，形成冗余鏈路，與第三方設(shè)備進(jìn)行Modbus通信。

圖2 MVI56E-MCM工作原理圖Fig.2 MVI56E-MCM schematic diagram

圖3 Genegic 1756 Module參數(shù)配置Fig.3 Genegic 1756 Parameter configuration

如圖2所示，模塊的內(nèi)部有一個(gè)用于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫。通過背板，利用模塊的輸入和輸出，這個(gè)數(shù)據(jù)庫和Control Logix處理器中的MCM.WriteData和MCM.ReadData這兩個(gè)數(shù)組取得同步。對(duì)于關(guān)系參考圖2。而在模塊的另一側(cè)，Modbus TCP/IP的Client驅(qū)動(dòng)可以從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)放置在內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中，也可以把內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部設(shè)備。Server驅(qū)動(dòng)則可以把內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)服務(wù)給外部設(shè)備來讀寫。利用內(nèi)部數(shù)據(jù)庫這個(gè)紐帶，Control Logix處理器就可以和外部的Modbus TCP/IP設(shè)備取得通信[3]。

3 軟件配置與編程

3.1 RSLogix 5000編程

在Logix5000硬件配置中，相應(yīng)添加兩塊Genegic 1756 Module，參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖4 程序塊導(dǎo)入Fig.4 Block import

新建一個(gè)梯形圖程序塊，導(dǎo)入MVI56E-MCM自帶光盤里的文件MVI56EMCM_ADDON_RUNG_V2.8.L5X，如圖4所示。

利用同樣的方法再導(dǎo)入一次該程序塊，用于連接與之冗余的卡件。導(dǎo)入后利用該功能塊自帶結(jié)構(gòu)體變量中的MCM_Cnet01_11.STATUS.Prt1Errs.CmdErr，編輯通信中斷診斷的程序，如圖5所示。

在程序中導(dǎo)入MCM冗余功能塊，如圖6所示。

將圖6功能塊的MCM1與MCM2的相關(guān)參數(shù)與圖5兩個(gè)MCM程序塊參數(shù)相匹配。

3.2 通信參數(shù)設(shè)置

此案例的Modbus通信采用的是串口通信，串口通信主要參數(shù)為波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)[4]。本例中采用波特率為9600，數(shù)據(jù)位是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)，本例采用8為數(shù)據(jù)位，停止位為1。奇偶校驗(yàn)是串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式，通過設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位，這樣使得接收設(shè)備可以知道這個(gè)位的狀態(tài)。以此推斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)不同步，本例校驗(yàn)方式為無校驗(yàn)。

通信雙方按照計(jì)劃好的通信參數(shù)來設(shè)置，保持了兩邊參數(shù)設(shè)置一致，如圖7所示。

4 成果與結(jié)論

編程調(diào)試完畢后，分別在第三方設(shè)備以及Modbus主站中模擬寫入一組數(shù)據(jù)，均可以在對(duì)方程序中監(jiān)視到相關(guān)的數(shù)據(jù)。

按照該方案冗余通信要求，先將其中一塊MCM通信卡件從機(jī)架拔出，此時(shí)對(duì)應(yīng)該卡件的MCM通信診斷位CEP_MCS_001_Modbus_Er_Bit復(fù)位，即該卡件通信斷開，但此時(shí)通信雙方設(shè)備仍可以通過另一塊卡件相互讀寫數(shù)據(jù)，并且不會(huì)造成通信數(shù)據(jù)的丟失。從而有效驗(yàn)證了該方案的冗余特性。

圖5 MCM通信程序塊Fig.5 MCM communication block

圖6 MCM冗余功能塊Fig.6 MCM Redundant function block

圖7 MCM通信參數(shù)配置Fig.7 MCM Communication parameter configuration

圖8 Modbus主站寫入數(shù)據(jù)Fig.8 Modbus master writes data

目前，此方案已在該大型海洋油氣田項(xiàng)目中穩(wěn)定運(yùn)行一年有余。據(jù)反饋，該通信方案的可靠性較高，再加上其硬件配置的靈活性，相信此方案的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越多。任何一種技術(shù)都會(huì)有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，冗余Modbus通信應(yīng)用過程中出現(xiàn)的各種不足和問題都會(huì)得以改進(jìn)和解決。