基于Modbus协议的DCS系统与PLC系统的通讯.doc

基于Modbus协议的DCS系统与PLC系统的通讯第29卷,总第168期2011年7月,第4期节能技术ENERGYC0NSERVATIONTECHNOLOGYVo1.29,Sum.No.168Ju1.2011,No.4基于Modbus协议的DCS系统与PLC系统的通讯赵钊(中国石油辽阳石化分公司芳烃厂,辽宁辽阳111003)摘要:本文主要讨论HoneywellPKS系统与TriconPLC之间通过Modbus协议进行实时通讯的开发与应用,介绍了Modbus协议的特点,对两系统的结构,硬件配置和软件组态方面作了较为详细的说明.关键词:Modbus通信协议;PKS系统;TriconPLC中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:10026339(2011)04034004ModbusProtocalBasedCommunicationBetweenDCSandPLCSystemZHA0Zhao?(LiaoyangPetrochemicalCompanyAromaticsPlantofPetrochina.Co,Liaoyang111003,China)Abstract:ThisarticlemainlydiscussestheapplicationanddevelopmentoftherealtimecommunicationthroughMODBUSprotocolbetweenHONEYWELLPKSsystemandTriconPLC,andintroducesthechar-acteristicofMODBUSprotoco1.Itmakescomparativelydetailedintroductionofsystemstructure,hardwaresettingandsoftwareconfigurationoftwosystems.Keywords:modbuscommunicationprotocol;PKSsystem;TriconPLC0引言辽阳石化140万t/,年连续重整装置控制系统采用DCS(集散控制系统),PLC(可编程控制器)相结合的方式完成对整个装置的自动控制.其中DCS系统采用霍尼韦尔新一代的ExperionPKS控制系统,实现对整个装置的整体控制.PLC采用TRI?CON控制系统,完成对循环氢气压缩机组K261的控制.TriconPLC独立于PKS系统,在正常情况下,TRICON系统自动运行,不需要人为干预.但为了撑握DCS操作人员监视压缩机过程的数据,有必要将压缩机的关键数据传至DCS中进行显示,这就涉收稿日期20110526修订稿日期20110630作者简介:赵钊(1982),男,学士,工程师,研究方向为仪表自动化设备应用与维护.?340?及到PKS与TRICON之间的数据通讯问题.这里我们利用MODBUS通讯协议实现HoneywellPKS系统与TriconPLC之问的串行通讯.1Modbus协议简介Modbus是Modicon公司于1979年提出的一种通讯协议,经过多年的实际应用,已经成为一种应用于工业控制器上的标准通讯协议.有了它,不同厂商生产的控制系统可以连成工业网络,进行集中监控.此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通讯的.它描述了控制器请求访问其它设备的过程,以及怎样侦测错误并记录,它制定了消息域格局和内容的公共格式.当在Modbus网络上通讯时,此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种动作.如果需要回应,控制器将产生反馈信息,并用Modbus协议发出.1.1Modbus报文如图1所示,Modbus通讯使用查询一响应会话技术,即主设备初始化查询,从设备做出响应.主设备单独和从设备通讯,也能以广播方式和所有从设备通讯.Modbus主设备查询的格式:从设备地址,功能代码,起始地址,所查询的数据量,错误检测域.从设备响应消息的格式:从设备地址,功能代码,数据长度,响应的数据,错误检测域.图1Modbus报文结构1.2Modbus传输方式Modbus协议有两种传输模式:ASCII(美国标准信息交换代码)或RTU(远程终端单元).它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位,以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码.用户选择想要的模式,包括串口通信参数(波特率,校验方式等).在配置每个控制器的时候,在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数.ASCII模式通信的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误.RTU模式通信的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据.1.3错误检测方法标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法.奇偶校验对每个字符都可用,帧检测(LRC或CRC)应用于整个消息.其中CRC(循环冗余校验)用于RTU模式;LRC(纵向冗余校验)用于ASCII模式.它们都是在消息发送前由主设备产生的,从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧.用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔,这个时间间隔要足够长,以使任何从设备都能作出正常响应.如果从设备侦测到传输错误,消息将不会被接收,也不会向主设备作出回应.这样超时事件将触发主设备来处理错误.发往不存在的从设备的地址也会产生超时错误.2系统结构及TRICON系统组态如图2所示,HoneywellPKS系统采用冗余结构,通过CISCO(思科)Catalyst2960系列交换机把控制器,服务器,操作站连接在一个FTE(容错以太网)网络中.基本网段IP地址为;子网掩码为.Tficon系统采用三重化冗余的结构,主要包括3块控制器,2块冗余通讯卡及其它I/O卡件.两套系统通过串口服务器MoxaNPo5630连接在一起.圈图2系统网络图:以太网:RS485串行连接图3TCM卡组态参数2.1通讯模件配置TCM4351(Trieon通讯模块)作为Tficon专有通讯卡件支持多种通讯协议及物理连接方式.具有?341?2个网口,4个串口,1个专用调试口,可以实现10/100M以太网,RS232/485等.冗余的4351通讯卡安装在Tficon主机架的第7个槽位,保障了通讯的可靠性及安全性.每一个串口具有一个唯一的地址,并且可以被组态为MODBUS主站或者从站.我们采用PLC与DCSpointtopoint(点对点)的拓扑结构,采用RS一485两线制半双工的数据传输方式,连接头为DB9标准接口.最大传输距离为1220m.如图3所示,使用TriStation1131组态软件设置TCM卡的串口参数.设置通讯协议为MODBUSSLAVERTU;从站地址为1;允许写端口;波特率为19200;8位数据传输格式;1位停止位;进行奇校验;传输模式为RS485,两线制的RS485必须勾选握手协议.2.2数据地址如表1所示,Modbus地址由5位数字组成,包括起始的数据类型代号,以及后面的偏移地址.表1Modbus地址结构如表2所示,实型数据的地址比较特殊.Tricon控制器通过Modbus协议传输32位浮点型数据需要使用特殊的映射通讯地址.它把一个32位的浮点型数据映射为两个l6位的整型数据,其中高16位映射为一个Modbus整型地址n,低l6位映射为n+1.例如:地址为41001的MemoryREAL,Read/Write(可读/写内存实型)数据,对应的MODBUS地址高16位为42001,低16位为42002.表2实型数据地址结构2.3串口服务器组态MOXA串口服务器Nport56308为串El设备连接到以太网提供了便捷的传输方式.只需要做一些简单的配置任务,就可以使现有的串口设备做好了联网的准备.此外,NPort5630系列可以直接进行串口和以太网接口的双向传输数据;同时集中管理串口设备和分散的主机系统.其特点如下:(1)简单易用的LCM状态显示及设置.342?(2)10/100M自适应以太网络.(3)8个RS一485/422串口.(4)所有串口信号带突波保护(15KVESD).(5)提供TCPServer,TCPClient,UDP等操作模式.(6)提供ARP,webconsole,telnetconsole等进行设置.(7)提供SNMPMIBII来提供网络管理.(8)支持静态IP,DHCP,BOOTP协议.主要参数设置如下:(1)网络设置IPCONFIG:STATIC;IP地址:9/80;子网掩码:,网关:54.(2)串口设置波特率:19200;数据位:8;停止位:1;奇偶校验:奇;接口:RS4852wire;操作模式:TCPserver;PORT1端口号:4001.如图4所示,串口服务器端的物理连接采用RJ一45接口,其中引脚5接Data一,引脚6接Data+,引脚7接GND.TrieonTCM端采用标准DB9Female连接头.RJ45PortRJ45ConnectorFernaleDB98pinsiData一;5Data+16GND;7MaleDB92-wireRS-485Devicei9pins3:Datal!Data+7GND图4RJ45一DB9接线图3ExpefionPKS系统组态ExperionPKS系统主要采用ConfigurationStudio组态软件包中的QuickBuilder软件实现第三方通讯点的组态.包括:Channel(通道),Controller(控制器),Point(点)三方面的组态设置.为了更好地理解,我们以TIC2605(K261压缩机组润滑油温度控制回路)为例说明组态过程.整个控制回路包括4个参数,分别为测量值(PV),设定值(SP),输出值(OP)以及操作模式(MD).3.1通道组态通道组态用于建立MODBUS通讯协议的连接,参数的设置要跟串口服务器相对应.定义一个名称为K261CH的Modbus通道.主要参数设置如下:通讯报警边缘限MarginalAlarmLimit(MAL)用于产生一个高优先级的通讯故障报警.MAL的计算公式:控制器数量开方x每个控制器MAL值.通讯失败报警限FailAlarmLimit(FAL)设置一般为通道MAL的2倍.端口类型选择TerminalServer;协议为ModbusRTU;TerminalServerTCPHostName(串口服务器TCPIP地址)为9,冗余端口设置为0;TerminalServerTCPPortNo(串口服务器TCP端口号)为4001,对应Npon5630第一个端口.3.2控制器组态这里建立的控制器是依据Modbus协议定义的逻辑控制器,而不是物理上的控制器.控制器对应具体的数据类型,我们建立4个Modbus控制器,分别为K261CTLAI(只读模拟量控制器),K261CTLAIH(可读/写模拟量控制器),K261CTLDI(只读数字量控制器),K261CTLDO(可读/写数字量控制器),对应的数据类型分别为InputRegister,HoldingRegister,DigitalInput和DigitalOutput.PLCStationID(从站地址)设为1,ChannelName(通道名称)是K261CH.3.3点组态如图5所示,我们建立一个名称为TIC2605的模拟量点,必须指定ParentAsset(区域),这里为REF;扫描周期一般设置为5秒;量程为0100C.控制点的SourceAddress(源地址)设置是关键也是难点,设置的正确与否将直接影响通讯结果的正误.源地址的格式为控制器地址解析码,其中控制器和解析码由控制点的数据类型决定,地址为去掉功能号的Modbus通讯地址.TIC2605控制回路的源地址组态参数详见表3.图5点组态参数整型数据是Modbus通讯中一种常见的数据类型,PKS系统提供了一些常用的l6位整型数据解析码,详见表4.表3控制回路源地址Tricon参数名数据类型内存地址源地址表4整型数据格式解析码数据范围U4O95U9999U999U15BU16BSl6BTriconPLC中输入整型测量值PV的数据范围为8194095,PKS系统没有合适的解析码.我们使用PKS系统软件包中的UserdefinedDataFormat工具建立自定义的数据格式.打开Station软件,从菜单栏中选择Configure>ApplicationDevelopment>UserdefinedDataFormats.建立一个名称为KJC一1的解析码,其中Datatype(数据类型):INT2(16位整型);Conversiontype(转换类型):Linear(线性);Fieldvalue(现场值):Nodel=819;Node2=4095;Convertedvalue(转换值):Nodel=0;Node2=1.这样解析码C一1就把数据8194095进行线性量程转换成为01.对于32位的实型数据,PKS系统提供4种常用的解析码,分别为:IEEEFPB(大端格式);IEEEFPBB(字节交换的大端格式);IEEEFPL(小端格式);IEEEFPLB(字节交换的小端格式).我们以设定值SP为例说明实型数据的读取方式.例如SP值为47,对应的32位浮点数为3C420000.在Tricon内存中为大端存取模式,其中MSB(最高有效位)3c42两个字节存放在低地址42001中,LSB(最低有效位)0000两个字节存放在高地址42002中.PKS系统读取Modbus浮点型数据是按address,address一1方式读取.所以读取到的数据格式为00o03c42,这种数据格式也就是交换字节的小端格式IEEEFPLB.4总结PKS系统与TriconPLC之间的通信已经完成,两系统流程图画面上显示的数值完全一致,能够很好地对这些数据进行监控.PKS系统与TrieonPLC之问的顺利通信,使操作人员在监视工艺过程运行(下转第347页).343.一一一0弹性管束,其固有振型单一,同时管束的低阶固有频率明显较小.(2)对管束在一定振幅条件下的应力分布研究表明,空间螺旋管束的应力分布均匀,其最大应力发生在管程流体入口端,最大应力仅为同尺寸条件下的平面弹性管束的1/4左右.(3)空间螺旋式弹性传热元件其振型单一,低阶固有频率较低,便于流体诱导振动的诱发和控制.同时,管束的应力较小,保证其具备一定的使用寿命.因此,空间螺旋式弹性传热元件具有广阔的应用前景.参考文献1L.Cheng,T.Luan,w.Du,M.XuHeattransferenhancementbyflowinducedvibrationinheatexchangersJ.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2009,52(3):10531057.2程林,田茂诚,张冠敏,邱燕.流体诱导振动复合强化传热的理论分析J.工程热物理,2002,23(3):330332.3张冠敏,田茂诚,林颐清,程林.弹性管束换热器动态特性分析及仿真系统设计J.工程热物理,2003,24(1):9193.4程林.弹性管束换热器原理及应用M.北京:科学出版社,1996.5冷学礼,程林,杜文静.流体低速横掠振动圆管的换热特性研究J.工程热物理,2003,24(2):328330.6郑继周,程林,杜文静.弹性管束动态特性子结构模态综合法J.机械工程,2007,37(4):202206.7郑继周.弹性管束换热器各组件动态特性研究D.济南:山东大学,2007.8K.Yan,P.Q.Ge,W.B.BiStudyonVibrationCharacteristieandStressIntensityofPlanarElasticTubeBundlesJ.MaterialScienceForum,2009,Vols.628629:227232.9路慧霞,马晓建,赵凌.脉动流动强化传热研究进展J.节能技术,2008,26(2):168172.1O吴金星,王海峰,王保东.管内强化传热结构及其性能分析J.节能技术,2006,24(2):150154.11吴玮华,赵加宁,刘京,等.逆流一叉流板式全热空气热交换器换热效率的实验研究J.节能技术,2009,27(4):302306.12孙成家,杨军,陈保东.不同折流板换热器的传热与流阻性能对比J.节能技术,2005,23(1):5961.13蒋祖星,刘超.壳管式换热器结构参数的模糊优化设计J.节能技术,2001,19(1):1718.14YANKe,GEPeiqi,SUYancai,MENGHaitaoNumericalsimulationonheattransfercharacteristicofconicalspiraltubebundleJ.Appli