基于MODBUS通訊協(xié)議的EPKS系統(tǒng)與TRICON系統(tǒng)通訊的實(shí)現(xiàn)

陳 玨

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430000)

在化工生產(chǎn)中，生產(chǎn)裝置一般使用DCS系統(tǒng)對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理。根據(jù)GB/50770-2013安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，為確保安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(SIS系統(tǒng))在事故狀態(tài)下動(dòng)作優(yōu)先，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)要分開(kāi)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，操作人員需要在DCS上對(duì)SIS系統(tǒng)過(guò)程數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，因此兩系統(tǒng)之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器可以和其它設(shè)備之間可以互相通信，不同廠商的控制系統(tǒng)可以連成一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控[1]。

1 MODBUS通訊原理

MODBUS協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求。當(dāng)在一個(gè)MODBUS網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用MODBUS協(xié)議發(fā)出[2]。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及組態(tài)軟件介紹

EPKS過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)是Honeywell最新一代的過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)，它將人員與過(guò)程控制、經(jīng)營(yíng)和資產(chǎn)管理融合在一起。Quick Builder是組態(tài)系統(tǒng)硬件的一種圖形工具。通過(guò)Quick Builder用戶(hù)可以對(duì)第三方控制器或RTU及控制器或RTU中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)，并通過(guò)組態(tài)工作室將這些組態(tài)信息下載至Experion 的一體化數(shù)據(jù)庫(kù)。

與EPKS通訊的第三方設(shè)備連接到串口服務(wù)器Terminal server上，EPKS以MODBUS Master模式工作，與第三方通訊的Channel、Controller、Point在Quick builder中組態(tài)，EPKS與第三方控制器之間的鏈接可配置為冗余或非冗余。 串口服務(wù)器是一個(gè)帶有CPU和嵌入式OS及完整TCP/IP協(xié)議棧的獨(dú)立智能設(shè)備，主要工作是完成串行數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)IP包之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而完成終端登陸，擴(kuò)展串口，將傳統(tǒng)的串行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，串行設(shè)備互相通信等功能。

圖1是EPKS與第三方設(shè)備使用MODBUS通訊的典型冗余結(jié)構(gòu)圖。

圖1 MODBUS串口通訊典型結(jié)構(gòu)圖

3 DCS系統(tǒng)組態(tài)配置

EPKS過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)采用Quick Builder軟件組態(tài)MODBUS通訊點(diǎn)，組態(tài)主要內(nèi)容包括Channel(通道)，Controller(控制器)，Point(點(diǎn))設(shè)置。

3.1 通道組態(tài)

EPKS服務(wù)器與第三方控制器通訊時(shí)，需要建立一個(gè)服務(wù)器可以識(shí)別的“通道”。每一個(gè)第三方控制器都會(huì)有與之匹配的通道。在 Main 列表中定義 MODBUS 通道的基本參數(shù)：

Name：通道的唯一名稱(chēng)；

Description：通道的描述；

Marginal Alarm Limit：通信報(bào)警邊緣線，當(dāng)?shù)竭_(dá)該界限時(shí)產(chǎn)生一高報(bào)警；

Fail Alarm Limit:通訊失敗時(shí)的通信報(bào)警界限當(dāng)?shù)竭_(dá)該界限時(shí)產(chǎn)生一緊急報(bào)警；

Diagnostic Scan Rate: 與控制器校驗(yàn)通訊完整性的掃描周期(單位為秒)；

Item Type：建立通道時(shí)指定的類(lèi)型；

Item Number：分配到該通道的唯一通道號(hào)。

3.2 控制器組態(tài)

創(chuàng)建組態(tài)好Channel后，就需要定義多個(gè)不同的控制器，該控制器依據(jù)MODBUS協(xié)議定義的邏輯控制器。共有四種的數(shù)據(jù)類(lèi)型，只讀或可寫(xiě)的模擬量或狀態(tài)量,選擇數(shù)據(jù)類(lèi)型DATATABLE：包括只讀數(shù)字量DIGITALINPUT、可讀寫(xiě)數(shù)字量DIGITALOUTPUT、只讀模擬量INPUTREGISTER、可讀寫(xiě)模擬量 HOLDINGRE GISTER，每個(gè)控制器必須與其匹配的通道相關(guān)聯(lián)。在 Main 列表中定義 MODBUS 控制器的部分基本參數(shù)：

Name: 控制器的唯一名稱(chēng)；

Description：控制器的描述；

Channel Name：控制器所在的通道名稱(chēng)；

Marginal Alarm Limit：控制器報(bào)警邊緣線，當(dāng)?shù)竭_(dá)該界限時(shí)產(chǎn)生一高報(bào)警；

Fail Alarm Limit:控制器失敗時(shí)的通信報(bào)警界限當(dāng)?shù)竭_(dá)該界限時(shí)產(chǎn)生一緊急報(bào)警；

Protocol：控制器所在的通道的協(xié)議(MODBUS RTU or MODBUS TCP)；

PLC Station ID：遠(yuǎn)程控制器站地址；

Date Table：控制器數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表地址范圍遵循以下格式：

Digital Output(read/write)：000001 to 032766；

Digital Input(read only)：100001 to 132766；

Input Register(read only)：300001 to 332766；

Holding Register(read/write)：400001 to 432766；

Item Type：建立控制器時(shí)指定的類(lèi)型；

Item Number：分配到該控制器的唯一控制器號(hào)。

3.3 點(diǎn)的組態(tài)

建立點(diǎn)POINT，即DCS與第三方設(shè)備通訊的點(diǎn)，點(diǎn)的類(lèi)型為Analog(模擬量)、Status(狀態(tài)量)。可以組態(tài)Point的位號(hào)、描述、量程、數(shù)據(jù)掃描周期、數(shù)據(jù)的來(lái)源和格式。其中控制點(diǎn)的Source Address(源地址)根據(jù)第三方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，源地址的格式為“控制器”地址“解析碼”。整型數(shù)據(jù)和浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)是在MODBUS通訊中較常用的數(shù)據(jù)格式，其常用的解析碼如表1所示。

表 1 常用數(shù)據(jù)格式描述及值

4 SIS系統(tǒng)通訊配置

TRICON系統(tǒng)借助于網(wǎng)絡(luò)通訊模件(TCM)和MODBUS主機(jī)和從機(jī)，以及Honeywell分布控制系統(tǒng)(DCS)連接。主處理器通過(guò)通訊總線向通訊模件傳遞數(shù)據(jù)。使用TRICON系統(tǒng)組態(tài)軟件TriStation 1131對(duì)MODBUS端口進(jìn)行一些必要的 MODBUS通訊參數(shù)的設(shè)置，比如波特率、量程等，參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖2所示。

圖2 參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

TRICON系統(tǒng)創(chuàng)建POINT時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型(BOOL型，DINT型，REAL型)自動(dòng)分配相對(duì)應(yīng)的地址。對(duì)于MODBUS開(kāi)關(guān)量的通訊，TRICON系統(tǒng)通過(guò)軟件組態(tài)將16個(gè)開(kāi)關(guān)量打包(PACK)成一個(gè)16位整型數(shù)。

5 TRICON系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)地址通訊說(shuō)明

開(kāi)關(guān)量地址說(shuō)明：DCS系統(tǒng)直接按照TRICON系統(tǒng)提供的地址表直接讀寫(xiě)。

模擬量地址說(shuō)明：TRICON系統(tǒng)模擬量提供雙整型(DINT型)和實(shí)型(REAL型)兩種類(lèi)型通訊方式。當(dāng)以DINT類(lèi)型通訊時(shí)，直接按照TRICON系統(tǒng)提供的地址讀取，但數(shù)據(jù)要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。TRICON系統(tǒng)DINT類(lèi)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換范圍是819～4095，即4～20MA對(duì)應(yīng)的范圍，也就是量程的對(duì)應(yīng)范圍。當(dāng)以REAL型通訊時(shí)，需要進(jìn)行地址映射，地址映射方式如下：

當(dāng)DCS讀取數(shù)據(jù)時(shí)，5位地址的前兩位與TRICON系統(tǒng)提供的地址對(duì)應(yīng)，后3位地址按×2-1或者×2+1就是DCS所需要的地址。例如TRICON系統(tǒng)提供的地址33003，DCS的地址就是：前兩位映射成35，后兩位003×2-1=005，即35005；或者003×2+1=007 ，即35005。上訴選擇是+1還是-1，與DCS系統(tǒng)編址方式是從“0”開(kāi)始還是從“1”開(kāi)始有關(guān)。

6 總結(jié)

MODBUS通訊是一種成熟、可靠的通訊解決方案。通過(guò)此方法可以使DCS與其他控制系統(tǒng)的通訊。滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝人員在DCS畫(huà)面上監(jiān)視其他控制系統(tǒng)參數(shù)，通訊配置操作方便，實(shí)施成本低。