用Modbus协议实现DCS与PLC之间的串行通讯

《自动化技术与应用》２０１０年第２９卷第４期
Techniques of Automation & Applications | 45
通信与信息处理
Communication and Information Processing
用Modbus 协议实现DCS 与PLC 之间的串行通讯
王　刚，王玉琪，王　冰
（中石油辽阳石化分公司　动力厂，辽宁　辽阳　１１１００３）
摘 要：本文主要通过讨论Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　ＰＫＳ集散系统与Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ－ｒａｎｄ　ＣＭＣ可编程序控制器之间实现串行通讯所需的Ｍｏｄｂｕｓ协
议，硬件配置，软件组态以及连线，来说明用Ｍｏｄｂｕｓ协议实现ＤＣＳ与ＰＬＣ之间串行通讯的一般方法及注意事项。

关键词：Ｍｏｄｂｕｓ协议；ＰＫＳ系统；ＣＭＣ控制器
中图分类号：ＴＮ９１５．０４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２０１０）０４－００４５－０４
Modbus Protocol Implementation Serial Communication
Between DCS and PLC
WANG Gang, W ANG Yu-qi, WANG Bing
( Liaoyang Petrochemical Company Power Plant of China Petro. Co, Liaoyang 111003 China )
Abstract: This paper illustrated the general methods and precautions with Modbus protocol implementation serial communication
between DCS and PLC, by discussing the Modbus protocol, hardware configuration, software configuration and con-nections between Honeywell PKS distribution system and Ingersoll-rand CMC PLC.
Key words: Modbus protocol; PKS system; CMC controller
收稿日期：２００９－１０－１３
１ 引言
万立氧空分装置是２００８年辽化公司２０万吨环氧乙烷／乙二醇改造的配套项目，该装置仪控系统采用了先进的Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　ＰＫＳ集散控制系统来实现对整个装置的各系统及主要设备的工艺参数的监控，并实现各主要操作阀门、切换阀门的自动控制或遥控操作，以及必要的联锁保护措施。

氮压机选用Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ－ｒａｎｄ的ＣＥＮＴＡＣ　３Ｃ７０ＭＸ５Ｎ２型压缩机，该压缩机配置独立的控制系统ＣＭＣ控制器，为了有效的监控氮压机的运行参数，我们利用Ｍｏｄｂｕｓ协议实现了Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　ＰＫＳ集散系统与Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ－ｒａｎｄ　ＣＭＣ可编程序控制器之间串行通讯。

２ Modbus 协议简介
Ｍｏｄｂｕｓ是Ｍｏｄｉｃｏｎ公司于１９７９年提出的一种通信
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信协议。

有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，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信的。

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［５］。

当在Ｍｏｄｂｕｓ网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。

如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Ｍｏｄｂｕｓ协议发出。

标准的Ｍｏｄｂｕｓ口是使用ＲＳ－２３２Ｃ兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。

控制器能直接或经由Ｍｏｄｅｍ组网。

２．１ Modbus 报文
　如图１所示，Ｍｏｄｂｕｓ通信使用主从技术，即仅设备（主设备）能初始化传输（查询）。

其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。

主设备可单独和
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从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。

如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。

Ｍｏｄｂｕｓ协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。

从设备回应消息也由Ｍｏｄｂｕｓ协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。

如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去［２］。

２．２ Modbus 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［３］。

２．３ 错误检测方法［４］
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。

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为正常反应。

如果从设备测到一传输错误，消息将不会接收，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。

图１ Modbus 报文结构
３ CMC 控制器
ＣＭＣ控制器是Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ－ｒａｎｄ　ＣＥＮＴＡＣ３Ｃ７０ＭＸ５Ｎ２型压缩机随机配置的可编程序控制器，用来管理氮压机各种压力的控制和监控功能，以及控制辅助设备，如主电机启动器，润滑油加热器和预润滑油泵。

其功能如下：
•多功能ＬＥＤ显示屏显示数据和工作状态。

•完成多种性能控制：卸载，调制和自动－双重工
作方式。

•先进的喘振监测与控制。

•高电流限制，用于主驱动电机保护。

•快速指示和事件纪录，有助于确定压缩机跳闸的
根本原因。

ＣＭＣ控制器提供ＲＳ４２２／ＲＳ４８５串行通讯接口，通过ＭＯＤＢＵＳ协议与具有ＲＳ４２２／４８５端口的系列装置通信，以适应远程遥控和监控的需要。

利用Ｍｏｄｂｕｓ协议，我们采用ＲＴＵ通讯模式，把ＣＭＣ控制器作为从设备，设备地址设置为２，通讯波特率为９６００，校验方式为奇校验，通讯方式为全双工。

４ PKS 系统的通讯功能［１］
ＰＫＳ系统是Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司推出的新一代ＤＣＳ系统，全称为Ｅｘｐｅｒｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ＳｏｌｕｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，它支持多种类型的控制器通讯，例如ＭｏｄｉｃｏｎＰＬＣＳ，Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　９０００系列和Ａｌｌｅｎ－Ｂｒａｄｌｅｙ，并可以灵活的采用多种连接方式。

如果控制器本身带网络接口，
图２ 硬件配置图
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可以直接连接到网络上，如果控制器带有串口，可以通过“终端服务”（ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｓｅｖｅｒ）连接到网络上。

一个“终端服务”允许多个控制器同时连接到网络上，并提供多种的连接接口ＲＳ－２３２，ＲＳ－４２２，ＲＳ－４８５。

所谓“终端服务”其实质就是Ｍｏｄｂｏｓ协议。

我们利用“终端服务”配置方式实现了Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　ＰＫＳ集散系统与Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ－ｒａｎｄ　ＣＭＣ可编程序控制器之间串行通讯。

如图２所示。

４．１ 硬件说明
串行接口模件（ＳＩＭ）是安装在ＰＫＳ系统标准卡槽上的双宽度Ｉ／Ｏ模件，它的功能是实现通过ＦＴＡ（现场端子板）连接串行接口模件（ＳＩＭ）的现场设备与ＰＫＳ控制器之间通讯的桥梁。

串行接口模件可以提供与单ＦＴＡ电源适配器连接的两个ＦＴＡ通讯的两个串口的双向通讯接口，它不存储和保持任何现场Ｉ／Ｏ设备的组态数据和实时数据，它只在与它相连接的现场设备与控制器之间传送数据参数。

ＦＴＡ采用插接模件根据现场设备的需要选用指定的串行接口，共有两种标准的ＦＴＡ产品。

•ＭＵ－ＴＳＩＭ１２　Ｍｏｄｂｕｓ型ＦＴＡ提供点对点ＲＴＵ
ＥＩＡ－２３２（ＲＳ－２３２）或ＥＩＡ－４２２／４８５（ＲＳ－４２２／４８５）多点通讯接口。

•ＭＵ－ＴＳＩＡ１２　Ａｌｌｅｎ－Ｂｒａｄｌｅｙ（Ａ－Ｂ）型ＦＴＡ提供一
个ＥＩＡ－２３２（ＲＳ－２３２）通讯接口用于ＤＦ１通讯协议的Ａ－ＢＰＬＣ－２，ＰＬＣ－３，ＰＬＣ－５等现场设备。

在此我们选用第一种产品
一个ＳＩＭ卡可带两个ＦＴＡ接线端子板（即ＦＴＡ　Ａ，ＦＴＡ　Ｂ图２），由单独电源模块供电，每个ＦＴＡ接线端子板通过屏蔽双绞通讯线与第三方设备连接。

需要注意各通讯设备以总线方式接入（即相互串连起来最后接入ＦＴＡ端子上），当通讯距离超过１００米或干扰很强时两端均应加上１２０欧姆电阻，连接第三方通讯设备到ＦＴＡ端子的最大接线长度不应超过３００米，如超过３００米应采用信号中继器或放大器，每个ＦＴＡ接线端子板最多可接入的设备为１５个。

４．２ 软件说明
如图３所示。

ＰＫＳ系统组态工具中提供一种ＳＩＭ　Ｉ／Ｏ模件功能块来实现将一个ＳＩＭ组态并分配给一个控制器。

当ＳＩＭ功能块一旦指派并下装到指定的控制器，ＳＩＭ和控制器之间便可以建立通讯关系，但这并不意味着ＳＩＭ和现场设备也建立了通讯关系，为了与现场设备建立起通讯关系必须还要组态、指派下装串行接口通
图３ 现场设备与串行接口通道阵列
功能块数据流
道阵列功能块（ＳＩ）到ＣＭ（控制模件）。

ＳＩ阵列通道功能块有三种：
Ｎｕｍｅｒｉｃ（ＳＩＮＵＭＡＲＲＣＨ）：接收／发送数值型量，包括整数、浮点数；
Ｆｌａｇ（ＳＩＦＬＡＧＡＲＲＣＨ）：接收／发送布尔量，即标志位；Ｔｅｘｔ（ＳＩＴＥＸＴＡＲＲＣＨ）：接收／发送字符型量。

４．３ 组态说明（以SINUMARRCH 功能块为例）
（１） 每个ＳＩＭ卡有３２个软通道（Ｃｈａｎｎｅｌ），其中０～１５通道与连接在ＦＴＡ“Ａ”板上的第三方设备的进行通讯，而１６～３１通道与通道与连接在ＦＴＡ“Ｂ”板上的第三方设备的进行通讯。

当只有１个ＦＴＡ板时，那么这块ＦＴＡ板必须配置成ＦＴＡ“Ａ”使用（即按１图将ＦＴＡ接到Ｐｏｗｅｒ　Ａｄａｐｔｅｒ的“ＣｈａｎｎｅｌＡ”上），且只能使用０～１５通道。

（２） Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂｕｉｌｄｅｒ中ＳＩ通讯功能块（软通道类型）有三种：
对于一个“ＳＩＮＵＭＡＲＲＣＨ”功能块（即一个软通道），可接收／发送最多１６个３２位浮点数或３２个１６位整型数。

（３） 组态具体组态见图４。

Ｓｅｒｉａｌ　Ｌｉｎｋ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｄｄｒｅｓｓ：为设备地址，即Ｍｏｄｂｕｓ　ＩＤ；
Ｓｔａｒｔｉｎｇ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｉｎｄｅｘ：为接收／发送数据的起始地址，此为第三方厂家提供的，是ｍｏｄｂｕｓ通讯寄存器首地址，１个寄存器地址存储一个１６位二进制数；
（下转第８７页）
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经验交流
Technical Communications
６ 结束语
目前该系统在唐山不锈钢已经运行了半年，测温数据可靠，运行情况良好。

大大提高了系统可靠性，全套系统能够满足对电缆进行在线监测温度的要求，该系统合其他温度在线监测系统相比，具有安全可靠、精度高、定位准确、维护方便等特点，是目前电缆温度在线监测比较理想的产品。

但该系统仍有一些需要改进的地方，比如在故障诊断中提出的一些不明原因的现象等。

总的来说，利用分布式光纤测温系统是一种安全、高效的技术手段，它将在不同的领域得到广泛应用。

参考文献：
［１］　韩浩江．分布式光纤温度故障预警监测系统原理及应用［Ｊ］．上海电力．２００７，（５）：５３２－５３６．
［２］　李忠旺，王庆雄．电力电缆温度的在线监测［Ｊ］．包钢科技．２００７，３３（３）：４１－４３．
作者简介：杨昆（１９７９－），男，学士，助理工程师，主要从事冶金高压维护。

Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　Ｎｕｍｅｒｉｃ　Ｖａｌｕｅ：接收／发送的数据的个数。

其中Ｓｔａｒｔｉｎｇ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｉｎｄｅｘ的设置也包含了接收／发送数据的类型，这是通过其最高位的数字来识别的（如图４中的Ｓｔａｒｔｉｎｇ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｉｎｄｅｘ设置为２００２０，其最高位数字为２，表示接收／发送的数据类型为可读写的３２位浮点数）。

这里需要注意的是一个ＳＩＮＵＭＡＲＲＣＨ块（ＳＩＦＬＡＧＡＲＲＣＨ或ＳＩＴＥＸＴＡＲＲＣＨ）只能设置为一种数据类型，且接收／发送数据的地址必须是连续的。

故Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　Ｎｕｍｅｒｉｃ　Ｖａｌｕｅ这一项设置的值是从起始地址开始连续存储的数据的个数；如果第三方设备发送／接收数据的Ｍｏｄｂｕｓ存储地址是放在不连续的几个地址段上，那么就必须用多个ＳＩＮＵＭＡＲＲＣＨ块来接收不同地址段的数据。

图４中右侧的Ａｕｘｉｌｉａｒｙ　Ｃｏｎｆｉｇ　Ｄａｔａ的设置，仅需
［３］　崔文华，陈志斌．分布式光纤温度监测与报警系统的研究［Ｊ］．红外与激光工程．２００２，３１（２）：１７５－１７８．
［４］　高自伟．电力电缆在线载流能力预测系统的研究［Ｊ］．东北电力大学．２００８，（７）：１２－１５．
［５］　Ｂ．ＣＵＬＳＨＡＷ　Ｊ．ＤＡＫＩＮ：光纤传感器［Ｍ］．武汉：华中理工大学出版社，１９９７，（７）：１２－１５．
［６］　秦一涛，刘剑鸣等．分布式光纤温度监测系统在长调水电站中的应用实践［Ｊ］．大坝与安全，２００４．（１）：１－２．
［７］　分布式光纤温度传感器新测温原理的研究［Ｊ］．中国计量学院学报，２００６，（１）：７－１０．
［８］　李伟良，张金成．光纤测温系统在电力系统中的应用［Ｊ］．青海电力，２００２，（４）：１５－１７．
［９］　李煜．分布式光纤测温系统在２２０ｋＶ电缆温度在线监测方面的应用［Ｊ］．供用电，２００５，（增刊）：７－１０．
［１０］　刘澄宇．分布式光纤温度检测监控系统在兰州石化分公司供电系统的应用［Ｊ］．甘肃科技，２００５，２１（３）：２３－２５．
图４ 组态菜单
（上接第４７页）
要配置第３和４行即可，如图４中红圈所示（图４红圈中配置表示采用串行４８５通讯方式、通讯波特率为９６００、校验方式为奇校验）。

５ 结束语
目前，石油天然气生产装置中，普遍存在着ＤＣＳ与其他多个专用控制系统同时使用的情况，这些专用控制系统包括ＰＬＣ、数据采集器和各种智能仪表。

若将多个系统融合成一个整体，使所有监视、控制都在ＤＣＳ上进行，就涉及ＤＣＳ与其他专用控制系统的通讯问题。

目前，Ｍｏｄｂｕｓ协议是应用最为广泛的一种形式，需特别注意的是：在Ｍｏｄｂｕｓ网络上传输方式和串行参数（波特率、校验方式等）对各装置的设置必须是相同的。

参考文献：
［１］　Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ．Ｅｘｐｅｒｉｏｎ　ＰＫＳ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ＭｏｄｕｌｅＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｇｕｉｄｅ．ＥＰ－ＤＣＸ１４３，Ｒ２１０，２００４，１０：１８－４５．
［２］　温照方，冯建呈．基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的ＤＳＰ与ＰＬＣ通信实现研究［Ｊ］．实验室研究与探索，２００８，２７（９）：２７－２８．
［３］　彭兰，李松柏．Ｍｏｄｂｕｓ通讯协议在空气压缩机监控系统中的应用［Ｊ］．金属材料与冶金工程２００７，３５（３）：４１－４３．
［４］　周铭，刘晓军，王箭．Ｍｏｄｂｕｓ协议在ＣＥＮＴＵＭ　ＣＳ系统中的应用［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２００８，（２）：５１－５３．
［５］　梁汝军．ＤＣＳ与质谱仪之间基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的串行通讯［Ｊ］．石油化工自动化２００８，（６）：６０－６２．
作者简介：王刚（１９６８－），男，工程师，学士，研究方向：仪表自动化设备应用与维护。