異構控制系統間數據傳輸方式簡述與應用

張東海

（青海桂魯化工有限公司，西寧 811699）

0 引言

現代工廠基本朝著大型化和高度自動化方向發展，各類先進控制系統得到廣泛應用，諸如DCS 系統、SIS 系統和PLC 系統等已逐漸成為標配，為方便今后的統一管理和維護，控制系統的一體化設計也得到廣泛推崇，但基于工藝包、設備制造、施工進度等考慮，不可避免地帶進了很多的成套控制系統，成套系統的數據需要傳入主裝置系統監控，這樣就帶來了各類控制系統間數據傳輸的問題。目前實現數傳傳輸的方式很多，常用的主要有遠程I/O、Modbus、Profibus_DP、OPC 等4 種。其中，OPC 更多的用于生產控制系統與企業MES、SCADA 系統間的通訊，本文主要講述前3 種數據傳輸方式的應用。

1 異構系統數據傳輸方式

圖1 傳輸結構圖Fig.1 Transmission structure diagram

公司下轄7 個裝置，各個裝置互為獨立，主要采用的DCS 控制系統有Foxboro IA、國電智深EDPF-NT、ECS-700；SIS 系統有HIMA、TRICON 和ICS，此外還有少量的PLC 系統，主要采用以下幾種方式完成異構系統間數據傳輸。

1.1 遠程I/O方式

遠程I/O 方式即利用DCS 系統控制器的擴展能力即帶卡能力實現遠程擴展，目前各類DCS 系統、SIS 系統和PLC 系統都具備遠程擴展能力，通訊鏈路采用冗余光纖，控制器具有帶載能力限制，為此點數不宜過多。例如，為使天然氣管線運行平穩及上下游裝置更好地了解其他與天然氣相關裝置的運行狀態，需將天然氣上下游裝置的運行狀態信號（包括天然氣的流量、壓力和相關動設備的啟停等參數信號）進行裝置間的互送，涉及裝置的DCS 系統類型有成品罐區裝置ECS-700、公用工程ECS-700 和轉化合成裝置Foxboro IA。

DCS 系統一般都作為主站存在，因此DCS 系統之間的通訊采用常規的Modbus、Profibus_DP 方式一般都難以實現。考慮點數原因采用了遠程I/O 方式，即以轉化合成裝置DCS 為主站，在公用工程裝置和成品罐區裝置設置遠程I/O 子站，其傳輸結構如圖1 所示。

該方式適用于信號傳輸點較少，彼此有直接信號互傳，投資要求不大及信號參與聯鎖或控制的重要場合。遠程I/O方式在異構系統間實現信號傳輸具有較高的可靠性和擴展性，可以發揮控制作用。考慮方案是可以選擇成本較低的系統加以擴展，該方案占用各系統的I/O 通道較多即DI 必須對應DO，AI 必須對應AO，不宜用于點數較多場合。

1.2 Modbus方式

MODBUS 協議具有偵錯能力強、數據傳輸量大、實時性好等特點，因而成為目前自控領域使用非常廣泛的通訊語言，目前所有主流DCS 系統都支持MODBUS 通訊，并開發有專用通訊模塊。

圖2 Modbus RTUFig.2 Modbus RTU

MODBUS 協議有兩種通訊傳輸模式：一種是ASCII 模式；另一種是RTU 模式。ASCII 模式的主要優點是字符發送的時間間隔可達到1s 而不產生錯誤；RTU 模式的主要優點是在同樣的波特率下，可比ASCII 方式傳送更多的數據，目前異構系統通訊常采用RTU 模式。該方式主要應用在同機柜間內的DCS 系統與SIS 系統、CCS 系統、PLC 系統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 內的通訊。

另外，隨著以太網通訊的廣泛應用，MODBUS 系列通訊協議派生出諸如以太網模式的MODBUS_TCP，TCP 方式相對RTU 方式可以適用于距離更遠的場合，如某裝置罐區DCS 系統采用杭州優穩UW 500 系統，天然氣首站I/O 數采系統采用上海微程DY 系列遠程I/O 數據采集盒，通訊接口為485，需要將天然氣首站溫度、壓力等相關參數傳至罐區，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，結構如圖3 所示。

Modbus 方式實際應用時往往不能用作“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用，如參數的修改等，最為常見的是作為“讀”的功能即監視作用。相對來說成本較低，可以將各類資源整合到主裝置的DCS中監視。

Modbus 用在DCS 與SIS、PLC 等系統通訊間效果較好，通訊穩定，但和變頻器、馬保、電氣綜保等設備通信時，通訊穩定性一般都不理想。如某公司原設計電機運行狀態采用Modbus 通訊方式與DCS 通訊，但實際運行后通訊狀態時好時壞，最后還是改成硬接線的方式。

1.3 Profibus_DP方式

PROFIBUS-DP 總線是實現現場級控制設備數字化通信的一種工業現場層網絡通信技術，可使用一條通信電纜將現場設備（智能化、帶通信接口）連接，用數字化通信代替傳統模擬量和開關量信號，完成現場設備控制、監測、遠程參數化等功能。

圖3 TCP/IP方式Fig.3 TCP/IP mode

Profibus_DP 通訊在西門子PLC 系統上有著廣泛的應用，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備如變頻器等均可采用Profibus_DP通訊，DCS 系統同樣可以采用Profibus_DP 與PLC 系統通訊。以環保建材為例，DCS 系統采用浙江中控ECS-700，部分成套設備采用了西門子300 系列PLC，通過Profibus_DP 實現了對成套設備的DCS 系統控制。ECS-700 系統提供COM722 通訊卡實現Profibus_DP 與第三方通訊，通訊結構如圖4 所示。

Profibus_DP 與Profibus-PA 、Profibus-FMS 共 同 組 成了Poflbus 標準，DP 型用于分散外設間的高速傳輸適合于工業自動化領域的應用，2016 年國家能源局發布了電力行業標準《火力發電廠PROFIBUS 現場總線技術規程》，2017 年《石油化工PROFIBUS 控制系統工程設計規范》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，在大中型點數系統上具有更高的性價比，其可靠性相比Modbus 具有較大優勢，施工和防干擾要求較高。DP 總線的應用拓展了DCS 和PLC 系統功能，延伸了控制能力，相比傳統控制方式而言在硬件（如I/O卡件、安全柵、繼電器等）數量與投資、安裝費用（如電纜、槽盒、橋架的用量）等方面體現了總線的優越性[2]。

1.4 OPC方式

OPC 是一個開放的工業標準，采用客戶/服務器模式，源頭數據作為OPC 服務器，采集方或讀取方作為客戶端，目前主要用于企業生產信息系統如MES 系統、電廠SIS 系統與生產過程控制系統DCS、PLC 等之間的通訊，一般只做數據讀取，實時性要求不高。一個OPC 服務器可以同時跟多個客戶端通訊，這種方式一般不用于DCS 系統或PLC系統之間的通訊。

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 結束語

異構系統之間可以采用不同的傳輸方式實現信號的互通，但具體采用何種方式不能一概而論，應結合具體的要求而定。要求帶控制功能但點數不多的建議采用遠程I/O 方式，遠程鏈路冗余配置，只做監視用Modbus 和profibus_DP方式都可以；如果要求帶控制功能且點數較多的可以考慮profibus_DP 方式，則更為經濟，當然要做好防干擾的措施。