采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)DCS系統(tǒng)中監(jiān)控級數(shù)據(jù)集成

摘要：Modbus協(xié)議實現(xiàn)水泥生產(chǎn)生料系統(tǒng)中不同操作站的監(jiān)控數(shù)據(jù)集成，采用ATL開發(fā)出基于Modbus通訊協(xié)議的一種通用接口組件，使得各異構成站點可以方便地互連。介紹網(wǎng)絡的拓撲結構和實現(xiàn)方法，并把Modbus和其它幾種協(xié)議如NetDDE、OPC的集成方式作了比較和討論。

關鍵詞：DCS 監(jiān)控數(shù)據(jù)集成 Modbus COM

數(shù)據(jù)集成是DCS系統(tǒng)中的關鍵。一個典型DCS系統(tǒng)從結構上可分為四層[1]：現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級和管理級。本文討論的是監(jiān)控級，在這一級有許多并列的子站，一般采用計算機作為為機接口，各站點可按功能劃分，分別采集相應的現(xiàn)場信號和控制某些局部設備。但是，各站點之間不是孤立的，它們必須互相配合、協(xié)調(diào)才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，這就需要各站點能互通訊息。另外，上級管理網(wǎng)也需要與監(jiān)控級子站交互數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)全局的監(jiān)控和優(yōu)化。

然而，子站是采用不同開發(fā)平臺、不同通訊協(xié)議組成的異構系統(tǒng)，可能由不同的廠家和個為開發(fā)。要為每種協(xié)議寫一個轉(zhuǎn)換接口或驅(qū)動是比較繁瑣的，特別是在站點和協(xié)議較多的時候。因此，怎樣有效集成數(shù)據(jù)，避免信息孤島的出現(xiàn)，是DCS系統(tǒng)中常遇到難點問題之一。

比較好的方法是各站點都采用標準協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，而不必為每一種協(xié)議開發(fā)一個通訊接口。目前這方面的協(xié)議比較多，Modbus就是其中的一種。

1 Modbus協(xié)議簡介

Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、PLUS、TCP等，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的[2]。標準的Modicon控制器使用RS232C實現(xiàn)串行的Modbus。RS232C規(guī)定了連接器針腳、接線、信號電平、波特率、奇偶校驗等信息，Modbus的ASC水、RTU協(xié)議則在此基礎上規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結構、命令和就答的方式，如圖1所示。數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應請求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。

圖2是一個典型的Modbus應用示例。Modbus可以應用在支持Modbus協(xié)議的PIC和PLC之間、PLC和個人計算機之間、計算機和計算之間、遠程PLC和計算機之間以及遠程計算機之間（通過Modem連接），可見Modbus的應用是相當廣泛的。由于Modbus是一個事實上的工業(yè)標準，許多廠家的PLC、HMI、組態(tài)軟件都支持Modbus，而且Modbus是一個開放標準，其協(xié)議內(nèi)容可以免費獲得，一些小型廠商甚至個人都可根據(jù)協(xié)議標準開發(fā)出支持Modbus的產(chǎn)品或軟件，從而使其產(chǎn)品聯(lián)入到Modbus的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中。因此，Modbus有著廣泛的應用基礎。

在實際應用中，可以使用RS232、RS485/422、Modem加電話線、甚至TCP/IP來聯(lián)網(wǎng)[3]。所以，所以，Modbus的傳輸介質(zhì)種類較多，可以根據(jù)傳輸距離來選擇。

2 Modbus的具體應用

這里介紹的Modbus的具體應用是某廠的水泥生料生產(chǎn)質(zhì)量控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)中一共有5個子站：鈣鐵分析儀、四元素分析儀、料位位/料漿塞、配料秤、配庫。每一個子站由一臺計算機和相關軟、硬件組成，控制系統(tǒng)組成如圖3所示。

從圖3可看出，系統(tǒng)基本上是兩個控制回路：一路由鈣鐵分析儀、配料秤及控制算法組成，實現(xiàn)磨前精配，即出磨生料質(zhì)量的在線實時閉環(huán)控制；另一路由四元素分析儀、料漿塞、料位儀組成，實現(xiàn)摩后調(diào)配，即入窯前料漿質(zhì)量的均化控制。配庫算法在第二條回路中起控制、優(yōu)化和網(wǎng)絡接口的作用。系統(tǒng)控制參數(shù)的改變由兩個事件觸發(fā)：鈣鐵儀分析的結果和四元素分析的結果。這兩個分析結果由對用戶定期采得的實際生產(chǎn)中的樣品的分析得到。從圖3還可看出，各站之間是相互聯(lián)系的，它們的協(xié)作關系到生料生產(chǎn)的質(zhì)量。

在網(wǎng)絡設計中，不僅要實現(xiàn)各站之間數(shù)據(jù)交換，同時還要考慮到網(wǎng)絡的靈活性、通用性、可擴展性。例如，數(shù)據(jù)源站點應能比較容易地增減數(shù)據(jù)、目標站點可能有多個、數(shù)據(jù)流向應該是雙向的、所有生料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需送到廠級DCS中，因此網(wǎng)絡的實現(xiàn)比較復雜。

由于Modbus協(xié)議具有多樣性、可靠性等特點，而且是工業(yè)級標準協(xié)議，完全可以適合具體應用，因此用Modbus實現(xiàn)網(wǎng)絡。

要在每個站點都用源程序?qū)崿F(xiàn)Modbus是不實現(xiàn)的，因為應用程序開發(fā)平臺不一樣，有Visual C++等，不可能實現(xiàn)代碼復用。但是，每個站點讀寫Modbus數(shù)據(jù)的操作又是相同的，為解決這個問題，我們采用COM技術。COM也是軟件模塊之間數(shù)據(jù)通訊的標準。COM的特點是語言無關性、對時程的透明性和可以實現(xiàn)二進制重用[4]。因為它的接口是開放的，所以支持COM技術的客戶程序可以通過其公共接口調(diào)用COM組件的內(nèi)部功能。眾所周知，在Windows2000中，COM+甚至是構成操作系統(tǒng)的基礎。

最后，采用ATL開發(fā)出了兩個COM組件，即Modbus Master組件和Modbus Slave組件。ATL是一個基于C++模擬技術的框架，它主要用在甚至COM的軟件開發(fā)上，使用它可以大大簡化組件的開發(fā)過程并提高代碼的效率[5]。Master和Slave組件都包含ASCII、RTU、TCP三種方式，實現(xiàn)了Class0、Class1規(guī)定的功能[3]。每個子站的客戶程序不需要了解Modbus的具體協(xié)議和實現(xiàn)方式，只需調(diào)用組件公開出來的方法，就可以與遠程計算機交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)Modbus協(xié)議透明、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸透明。例如Slave端的組件，客戶端只需修改其連接數(shù)據(jù)就可以使變化反應到Master端，而Master端修改了數(shù)據(jù)后，Slave端會觸發(fā)事件通知客戶。

網(wǎng)絡結構沒有使用點對點的連接，而是采用了星型連接，在一個站點上建立一個實時數(shù)據(jù)庫，相當于一個數(shù)據(jù)中心。所有站點都只與數(shù)據(jù)中心相連，各站數(shù)據(jù)也發(fā)送到數(shù)據(jù)中心集中。網(wǎng)絡結構見圖4。

3 討論

3.1 關于具體應用

圖4所示的網(wǎng)絡結構中，一方面，系統(tǒng)封裝了Modbus協(xié)議和網(wǎng)絡的實現(xiàn)，實現(xiàn)了功能復用，減少了重復操作，并且使網(wǎng)絡調(diào)試比較方便；另一方面，星型結構使增加數(shù)據(jù)、增加站點都很方便，原則上每個站點都可以取得任意站點的數(shù)據(jù)，而不需要增加新的連接。在圖4所示的網(wǎng)絡結構下，可以方便地把配庫和配料秤相連，實現(xiàn)半庫調(diào)配（根據(jù)料漿質(zhì)量反饋控制配料秤配方），將控制回路增加到3條。部分實時數(shù)據(jù)還可以存入歷史數(shù)據(jù)庫，以便長期保存和事后分析查詢。

3.2 Modbus協(xié)議的其它特點

除了在簡介中提到的應用廣泛的特點外，Modbus還有其它特點。Modbus協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外，ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗，但TCP模式?jīng)]有額外規(guī)定校驗，因為TCP協(xié)議是一個面向連接的可靠協(xié)議。另外，Modbus采用主從方式定時收發(fā)數(shù)據(jù)，在實際使用中如果某Slave站點斷開后（如故障或關機），Master端可以診斷出來，而當故障修復后，網(wǎng)絡又可自動接通。因此，Modbus協(xié)議的可靠性較好。

Modbus定義了很多功能，對工業(yè)上的實際應用考慮比較全面。而且協(xié)議仍在發(fā)展中，用戶還可自定義功能碼。可見，Modbus的擴展性是比較好的。

對于一些重復發(fā)送的檢測數(shù)據(jù)，可以采用Unsolicited方式，即Master端不需發(fā)送請求，而由Slave端主動發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣可以降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量，以提高傳輸速度。因此，Modbus協(xié)議應用也比較靈活。

3.3 與NetDDE協(xié)議的對比

NetDDE協(xié)議有幾個缺點：一是技術太老，Win98平臺上沒有32位的API，只有16位的，因此在32位平臺上實現(xiàn)起來較困難，而且NetDDE不能實現(xiàn)串行連接；二是傳輸數(shù)據(jù)量小，傳輸批量數(shù)據(jù)比較煩；三是連接斷開后不能自動恢復。因此，沒有使用NetDDE來實現(xiàn)我們的網(wǎng)絡。

3.4 工業(yè)數(shù)據(jù)集成的新方向

OPC是一種開放的應用程序之間數(shù)據(jù)通訊的工業(yè)規(guī)范和標準，它采用客戶/服務器體系，基于OLE/COM技術，為硬件廠商和應用軟件開發(fā)者提供了一套標準的接口[6]。OPC結構先進、速度快、功能強大，是今后工業(yè)數(shù)據(jù)集成發(fā)展的方向。但是，OPC比較新穎，對開發(fā)者的要求較高，開發(fā)難度較大，而且OPC產(chǎn)品價格比較昂貴，國內(nèi)DCS應用中尚未普及，其推廣和發(fā)展還需要一個過程。

總之，Modbus具有開放性、用戶范圍廣、易實現(xiàn)、擴展性好、可靠性強等優(yōu)點。所以們采用Modbus協(xié)議和COM技術來實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的集成，在與自開發(fā)的應用程序連接和與FOXBORO、ROSEMOUNT、CIMPLICITY等DCS系統(tǒng)及HMI的連接中都取得了比較好的效果。