Modbus通信協(xié)議在分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、引言

現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進(jìn)著自控技術(shù)及設(shè)備創(chuàng)新的日新月異。當(dāng)前，DCS、IPC、PLC及智能儀表已廣泛應(yīng)用到工廠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)當(dāng)中，并發(fā)展到由上述設(shè)備相互協(xié)同、共同面向整個(gè)生產(chǎn)過程的分布式工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)堪稱關(guān)鍵。但由于開始沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，各廠商自控產(chǎn)品通信協(xié)議各自為政，通信網(wǎng)絡(luò)各成體系，造成不同廠家的自控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接困難甚至不能連接，給分布式控制系統(tǒng)的靈活應(yīng)用造成了不便。一些公司為適應(yīng)市場(chǎng)，紛紛將各自的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)公開化，可無償使用。經(jīng)過多年發(fā)展，一些通信協(xié)議如Modicon公司的Modbus通信協(xié)議因其兼容性、易用性的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為一種通用的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。本文就某化纖項(xiàng)目分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹基于Modbus協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)在其中的應(yīng)用。

二、系統(tǒng)組成

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中略去了現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的采集、控制部分。系統(tǒng)上位機(jī)采用橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)控;下位機(jī)采用Omron的CS1H系列PLC，分布在3個(gè)電氣控制室，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、OCV閥、流量開關(guān)、變頻器等執(zhí)行、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的啟?？刂?、反饋信號(hào)采集、故障判斷等操作。

基于通信實(shí)時(shí)性的考慮，將DCS與3個(gè)PLC控制站分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)：PLC1和PLC2與DCS一端口組成網(wǎng)絡(luò)一，PLC3與DCS二端口組成網(wǎng)絡(luò)二。由于上下位機(jī)均無面向同一協(xié)議的通信設(shè)備，給設(shè)計(jì)造成了困難。經(jīng)考慮，決定采用Modbus通信協(xié)議，由其構(gòu)成本分布式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。

2、通信網(wǎng)絡(luò)組成

2.1通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通訊協(xié)議，它采用查詢通訊方式進(jìn)行主從設(shè)備的信息傳輸，可尋址1-247個(gè)設(shè)備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨(dú)設(shè)備查詢兩種方式，二者區(qū)別就是廣播查詢不需要從設(shè)備回應(yīng)信息，主從設(shè)備查詢通訊過程見圖二。

Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式較ASCII模式能傳輸更多的數(shù)據(jù)，所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)大都采用RTU模式。RTU模式下的信息傳輸報(bào)文格式如圖三

它沒有起始位和停止位，而是由至少3.5個(gè)字符間隔時(shí)間作為信息的起始、結(jié)束標(biāo)志。信息幀所有字符位由16進(jìn)制字符0-9、A-F組成。本設(shè)計(jì)采用單獨(dú)設(shè)備查詢的RTU模式通信方式，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成，將DCS一端口設(shè)01H、02H兩個(gè)PLC從站地址，二端口設(shè)01H一個(gè)PLC從站地址，并使用Modbus協(xié)議中的讀字存儲(chǔ)區(qū)03H和寫字存儲(chǔ)區(qū)06H兩個(gè)功能碼。

2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及硬件介紹

網(wǎng)絡(luò)采用RS485串行接口，通信媒體由4芯屏蔽電纜連接主從設(shè)備，傳輸距離最大達(dá)1.5Km，全雙工，串口設(shè)定波特率19200，8位數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)、1位停止位。DCS通信部分采用橫河型號(hào)為ALR121的通信模塊，并配套橫河提供的Modbus通信軟件包，該通信模塊最大通信數(shù)據(jù)容量4000字。PLC通信部分則采用Omron的C200H-ASCII 21可編程特殊單元模塊（以下簡(jiǎn)稱ASCII模塊），該模塊支持BASIC語言編程，內(nèi)有200K字節(jié)的程序存儲(chǔ)區(qū)，配備RS232、RS485通信串口各一個(gè)。通過對(duì)該模塊的編程，可實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的各種通信。本系統(tǒng)通過ASCII模塊與DCS基于Modbus協(xié)議的通信，將DCS的讀、寫指令及數(shù)據(jù)做相應(yīng)轉(zhuǎn)換，并與PLC的CPU單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存取交換，以實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)控制信息的實(shí)時(shí)傳輸。如圖四所示。

三、軟件實(shí)現(xiàn)

1、 建立地址分配、對(duì)應(yīng)表

DCS人機(jī)監(jiān)控界面（HMI）上面向現(xiàn)場(chǎng)儀表的圖形符號(hào)對(duì)象的監(jiān)控，需通過DCS I/O物理地址對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的采集來實(shí)現(xiàn)。DCS對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣執(zhí)行、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的監(jiān)控，則是由DCS通信I/O地址與PLC I/O物理地址一一對(duì)應(yīng)完成的。為此，在編程前，需建立一張DCS通信I/O地址與PLC I/O地址的分配、對(duì)應(yīng)表。由于PLC邏輯控制編程需要，不便直接將PLC I/O物理地址與DCS通信I/O地址對(duì)應(yīng)，故采取了間接地址的方式。具體設(shè)計(jì)采用PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)DM區(qū)作為間接地址區(qū)，與DCS通信I/O區(qū)建立聯(lián)系，再將DM區(qū)與PLC I/O區(qū)相對(duì)應(yīng)。如將DCS的%WB000101位通信I/O地址與D0000.00位地址對(duì)應(yīng)，D0000.00再對(duì)照PLC的I0000.00位物理輸入點(diǎn)，就能將現(xiàn)場(chǎng)電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)反饋到HMI上。按照這種方法就建立了一張上下位機(jī)地址分配、對(duì)應(yīng)表，因篇幅所限，該表略。