異構(gòu)控制系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸方式簡述與應(yīng)用

張東海

（青海桂魯化工有限公司，西寧 811699）

0 引言

現(xiàn)代工廠基本朝著大型化和高度自動化方向發(fā)展，各類先進(jìn)控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，諸如DCS 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)等已逐漸成為標(biāo)配，為方便今后的統(tǒng)一管理和維護(hù)，控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計也得到廣泛推崇，但基于工藝包、設(shè)備制造、施工進(jìn)度等考慮，不可避免地帶進(jìn)了很多的成套控制系統(tǒng)，成套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需要傳入主裝置系統(tǒng)監(jiān)控，這樣就帶來了各類控制系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。目前實現(xiàn)數(shù)傳傳輸?shù)姆绞胶芏?，常用的主要有遠(yuǎn)程I/O、Modbus、Profibus_DP、OPC 等4 種。其中，OPC 更多的用于生產(chǎn)控制系統(tǒng)與企業(yè)MES、SCADA 系統(tǒng)間的通訊，本文主要講述前3 種數(shù)據(jù)傳輸方式的應(yīng)用。

1 異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式

圖1 傳輸結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Transmission structure diagram

公司下轄7 個裝置，各個裝置互為獨(dú)立，主要采用的DCS 控制系統(tǒng)有Foxboro IA、國電智深EDPF-NT、ECS-700；SIS 系統(tǒng)有HIMA、TRICON 和ICS，此外還有少量的PLC 系統(tǒng)，主要采用以下幾種方式完成異構(gòu)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 遠(yuǎn)程I/O方式

遠(yuǎn)程I/O 方式即利用DCS 系統(tǒng)控制器的擴(kuò)展能力即帶卡能力實現(xiàn)遠(yuǎn)程擴(kuò)展，目前各類DCS 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)都具備遠(yuǎn)程擴(kuò)展能力，通訊鏈路采用冗余光纖，控制器具有帶載能力限制，為此點(diǎn)數(shù)不宜過多。例如，為使天然氣管線運(yùn)行平穩(wěn)及上下游裝置更好地了解其他與天然氣相關(guān)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，需將天然氣上下游裝置的運(yùn)行狀態(tài)信號（包括天然氣的流量、壓力和相關(guān)動設(shè)備的啟停等參數(shù)信號）進(jìn)行裝置間的互送，涉及裝置的DCS 系統(tǒng)類型有成品罐區(qū)裝置ECS-700、公用工程ECS-700 和轉(zhuǎn)化合成裝置Foxboro IA。

DCS 系統(tǒng)一般都作為主站存在，因此DCS 系統(tǒng)之間的通訊采用常規(guī)的Modbus、Profibus_DP 方式一般都難以實現(xiàn)?？紤]點(diǎn)數(shù)原因采用了遠(yuǎn)程I/O 方式，即以轉(zhuǎn)化合成裝置DCS 為主站，在公用工程裝置和成品罐區(qū)裝置設(shè)置遠(yuǎn)程I/O 子站，其傳輸結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

該方式適用于信號傳輸點(diǎn)較少，彼此有直接信號互傳，投資要求不大及信號參與聯(lián)鎖或控制的重要場合。遠(yuǎn)程I/O方式在異構(gòu)系統(tǒng)間實現(xiàn)信號傳輸具有較高的可靠性和擴(kuò)展性，可以發(fā)揮控制作用?？紤]方案是可以選擇成本較低的系統(tǒng)加以擴(kuò)展，該方案占用各系統(tǒng)的I/O 通道較多即DI 必須對應(yīng)DO，AI 必須對應(yīng)AO，不宜用于點(diǎn)數(shù)較多場合。

1.2 Modbus方式

MODBUS 協(xié)議具有偵錯能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性好等特點(diǎn)，因而成為目前自控領(lǐng)域使用非常廣泛的通訊語言，目前所有主流DCS 系統(tǒng)都支持MODBUS 通訊，并開發(fā)有專用通訊模塊。

圖2 Modbus RTUFig.2 Modbus RTU

MODBUS 協(xié)議有兩種通訊傳輸模式：一種是ASCII 模式；另一種是RTU 模式。ASCII 模式的主要優(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；RTU 模式的主要優(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)，目前異構(gòu)系統(tǒng)通訊常采用RTU 模式。該方式主要應(yīng)用在同機(jī)柜間內(nèi)的DCS 系統(tǒng)與SIS 系統(tǒng)、CCS 系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)和智能終端間的通訊，RTU 方式較為簡單，DCS 作為主站，PLC 等作為從站，主站即可以讀也可以寫，一般適用于在1200m 內(nèi)的通訊。

另外，隨著以太網(wǎng)通訊的廣泛應(yīng)用，MODBUS 系列通訊協(xié)議派生出諸如以太網(wǎng)模式的MODBUS_TCP，TCP 方式相對RTU 方式可以適用于距離更遠(yuǎn)的場合，如某裝置罐區(qū)DCS 系統(tǒng)采用杭州優(yōu)穩(wěn)UW 500 系統(tǒng)，天然氣首站I/O 數(shù)采系統(tǒng)采用上海微程DY 系列遠(yuǎn)程I/O 數(shù)據(jù)采集盒，通訊接口為485，需要將天然氣首站溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)傳至罐區(qū)，采用RTU 方式時通訊建立不起來，后采用TCP/IP方式時通訊建立成功，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

Modbus 方式實際應(yīng)用時往往不能用作“寫”的功能即控制作用，只在一些安全性要求不高的場合中應(yīng)用，如參數(shù)的修改等，最為常見的是作為“讀”的功能即監(jiān)視作用。相對來說成本較低，可以將各類資源整合到主裝置的DCS中監(jiān)視。

Modbus 用在DCS 與SIS、PLC 等系統(tǒng)通訊間效果較好，通訊穩(wěn)定，但和變頻器、馬保、電氣綜保等設(shè)備通信時，通訊穩(wěn)定性一般都不理想。如某公司原設(shè)計電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)采用Modbus 通訊方式與DCS 通訊，但實際運(yùn)行后通訊狀態(tài)時好時壞，最后還是改成硬接線的方式。

1.3 Profibus_DP方式

PROFIBUS-DP 總線是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬量和開關(guān)量信號，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。

圖3 TCP/IP方式Fig.3 TCP/IP mode

Profibus_DP 通訊在西門子PLC 系統(tǒng)上有著廣泛的應(yīng)用，西門子控制器與各卡件之間都采用Profibus_DP 通訊，包括與其它第三方設(shè)備如變頻器等均可采用Profibus_DP通訊，DCS 系統(tǒng)同樣可以采用Profibus_DP 與PLC 系統(tǒng)通訊。以環(huán)保建材為例，DCS 系統(tǒng)采用浙江中控ECS-700，部分成套設(shè)備采用了西門子300 系列PLC，通過Profibus_DP 實現(xiàn)了對成套設(shè)備的DCS 系統(tǒng)控制。ECS-700 系統(tǒng)提供COM722 通訊卡實現(xiàn)Profibus_DP 與第三方通訊，通訊結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

Profibus_DP 與Profibus-PA 、Profibus-FMS 共 同 組 成了Poflbus 標(biāo)準(zhǔn)，DP 型用于分散外設(shè)間的高速傳輸適合于工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用，2016 年國家能源局發(fā)布了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)程》，2017 年《石油化工PROFIBUS 控制系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》也正式實施[1]。相對Modbus 來說Profibus_DP 具有更高的可靠性，具備“讀”和“寫”的功能。

各大DCS 廠商如艾默生、福克斯波羅等都具備Profibus_DP 通訊功能，在大中型點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)上具有更高的性價比，其可靠性相比Modbus 具有較大優(yōu)勢，施工和防干擾要求較高。DP 總線的應(yīng)用拓展了DCS 和PLC 系統(tǒng)功能，延伸了控制能力，相比傳統(tǒng)控制方式而言在硬件（如I/O卡件、安全柵、繼電器等）數(shù)量與投資、安裝費(fèi)用（如電纜、槽盒、橋架的用量）等方面體現(xiàn)了總線的優(yōu)越性[2]。

1.4 OPC方式

OPC 是一個開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用客戶/服務(wù)器模式，源頭數(shù)據(jù)作為OPC 服務(wù)器，采集方或讀取方作為客戶端，目前主要用于企業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)如MES 系統(tǒng)、電廠SIS 系統(tǒng)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)DCS、PLC 等之間的通訊，一般只做數(shù)據(jù)讀取，實時性要求不高。一個OPC 服務(wù)器可以同時跟多個客戶端通訊，這種方式一般不用于DCS 系統(tǒng)或PLC系統(tǒng)之間的通訊。

圖4 ECS-700與第三方Profibus_DP通訊Fig.4 ECS-700 and third-party Profibus DP communication

表1 3種通訊方式評價表Table 1 Evaluation table of 3 communication methods

2 結(jié)束語

異構(gòu)系統(tǒng)之間可以采用不同的傳輸方式實現(xiàn)信號的互通，但具體采用何種方式不能一概而論，應(yīng)結(jié)合具體的要求而定。要求帶控制功能但點(diǎn)數(shù)不多的建議采用遠(yuǎn)程I/O 方式，遠(yuǎn)程鏈路冗余配置，只做監(jiān)視用Modbus 和profibus_DP方式都可以；如果要求帶控制功能且點(diǎn)數(shù)較多的可以考慮profibus_DP 方式，則更為經(jīng)濟(jì)，當(dāng)然要做好防干擾的措施。