Modbus總線在煉焦控制系統(tǒng)的應(yīng)用

楊 迪

(寶鋼股份煉鐵廠 上海200941)

Modbus總線在煉焦控制系統(tǒng)的應(yīng)用

楊 迪

(寶鋼股份煉鐵廠 上海200941)

介紹了寶鋼煉焦改造項(xiàng)目背景及Modbus總線協(xié)議及其網(wǎng)絡(luò)通訊原理，Prosoft公司的MVI56-MCM通訊卡以及Mitsubishi公司AJ71UC24-S2通訊卡及其相應(yīng)的通訊組態(tài)配置，最后提出經(jīng)濟(jì)合理實(shí)用的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。

煉焦 Modbus協(xié)議 控制系統(tǒng) 通訊 組態(tài)

1 引言

寶鋼股份煉鐵廠焦處理系統(tǒng)于2004年完成三電控制系統(tǒng)改造。新建焦輸送控制系統(tǒng)全部采用羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品:新一代的ControlLogix處理器，ControlNet網(wǎng)絡(luò)，人機(jī)高級(jí)監(jiān)控軟件RSview SE控制，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、合理性；既有系統(tǒng)是三菱的MELSEC-NETⅡ，因此為實(shí)現(xiàn)新建系統(tǒng)與既有系統(tǒng)整合，本文提出了采用Modbus總線網(wǎng)絡(luò)建立羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品與三菱系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用的實(shí)現(xiàn)方案。

2 Modbus總線協(xié)議

Modbus是 MODICON公司開發(fā)的一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，作為應(yīng)用層信息傳送協(xié)議，位于OSI第七層，提供連接在不同總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間進(jìn)行Server/Client也即Master/Slave通訊。Modbus網(wǎng)絡(luò)屬于一種主從網(wǎng)絡(luò),允許一個(gè)主站和一個(gè)或多個(gè)從站通信，它采用命令/應(yīng)答方式，主站首先向從站發(fā)送通信請(qǐng)求指令，當(dāng)從站收到發(fā)給自己的報(bào)文后再根據(jù)請(qǐng)求指令中的功能碼向主站發(fā)回應(yīng)答報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從站都有自己唯一獨(dú)立的地址，主站所發(fā)的請(qǐng)求幀和從站所發(fā)的應(yīng)答幀都是以從站地址開頭的，從站只響應(yīng)發(fā)給自己的指令，對(duì)以其他從站地址開頭的報(bào)文不予理睬，并且對(duì)接收到的正確報(bào)文予以應(yīng)答。

Modbus協(xié)議支持RTU和ASCII兩種傳輸模式，其中RTU格式由于傳輸效率高被廣為采用。RTU傳輸模式的傳輸格式是8個(gè)數(shù)據(jù)位加2個(gè)停止位但沒有奇偶校驗(yàn)位，在RTU傳輸模式中，1字節(jié)的信息作為一個(gè)8位字符被發(fā)送；而在ASCII模式中則作為兩個(gè)ASCII字符被發(fā)送。因此發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)時(shí)，RTU模式的效率大約是ASCII模式的2倍，一般采用RTU模式。

目前Modbus支持以下傳輸，MODBUS通訊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Modbus通訊結(jié)構(gòu)

其中包括

①以太網(wǎng)的TCP/IP

②異步串口傳輸

③Modbus+網(wǎng)絡(luò)(高速令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò))

3 MVI56-MCM通訊模塊

MVI56-MCM通訊模塊是Prosoft公司為配合Allen-Bradley公司ControlLogix系列PLC生產(chǎn)的與Modbus協(xié)議相匹配的通訊卡，它有兩個(gè)串口加一個(gè)組態(tài)端口，每個(gè)串口均支持RS-232，RS-422，RS-

485通信協(xié)議，可以通過模塊上的跳線選擇。模塊的兩個(gè)串口既可以作為Master，也可以作為Slave。

MVI56-MCM是作為Modbus網(wǎng)絡(luò)與AB機(jī)架背板之間的網(wǎng)關(guān)，異步傳輸，總共提供5000字的寄存器空間與Modbus網(wǎng)絡(luò)通訊。通訊模塊所有的數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在內(nèi)部自定義的虛擬數(shù)據(jù)庫里，數(shù)據(jù)庫定義如下：Modbus虛擬數(shù)據(jù)表，地址從0到4999，相當(dāng)于Modbus協(xié)議里地址的40001～45000，為用戶數(shù)據(jù)區(qū)域；地址從5000到6999，相當(dāng)于Modbus協(xié)議里地址的45001～47000,為模塊狀態(tài)和組態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域。

通訊模塊作為Master使用時(shí)，通信模塊功能非常強(qiáng)大，內(nèi)部多達(dá)100條命令列表，每條命令均可以對(duì)功能碼，數(shù)據(jù)庫地址，從站地址和要求訪問的字節(jié)數(shù)進(jìn)行配置，以形成Modbus協(xié)議所需要的命令報(bào)文。通信出錯(cuò)時(shí)，模塊可以產(chǎn)生錯(cuò)誤碼返回給PLC以便進(jìn)行出錯(cuò)處理。本模塊支持Modbus協(xié)議的絕大部分命令。

MVI56-MCM通訊模塊是插在ControlLogix機(jī)架上的，與處理器之間的數(shù)據(jù)交換是根據(jù)模塊的輸入輸出映射表通過背板進(jìn)行的，如圖2顯示了ControlLogix處理器，通訊模塊，Modbus網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換過程，相應(yīng)的數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)交換過程

在模塊上電后，模塊首先初始化硬件設(shè)備，包括初始化ControlLogix背板驅(qū)動(dòng)，測(cè)試并且清除所有的RAM，再初始化通訊串口；然后向CPU發(fā)送接收組態(tài)配置數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，直到接收完所有的組態(tài)數(shù)據(jù)塊；之后再初始化模塊寄存器即虛擬數(shù)據(jù)庫空間；最后使能選定串口的Master/Slave驅(qū)動(dòng)，之后模塊就開始正常工作，具體包括對(duì)選定串口通信管理和CPU單元交換信息。

模塊數(shù)據(jù)傳輸均是通過Read Block(Input Image)/Write Block(Output Image)來實(shí)現(xiàn)的，所有用戶數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的0～4999寄存器里。對(duì)于Read Block，總共250個(gè)字節(jié)，但數(shù)據(jù)僅200個(gè)字節(jié)，其它還包括錯(cuò)誤位、狀態(tài)和產(chǎn)品等信息；對(duì)于Write Block，總共240個(gè)字節(jié)，但數(shù)據(jù)僅200個(gè)字節(jié)。需要特別說明的是，Read Block ID是指針值，提供索引用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到ControlLogix；Write Block ID也是指針值，提供索引用于從ControlLogix請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)流圖

4 AJ71UC24-S2通訊模塊

AJ71UC24-S2通訊模塊是為Mitsubishi公司生產(chǎn)的為配合AnA系列CPU而生產(chǎn)的Modbus通訊卡，在Modbus網(wǎng)絡(luò)只能作為Slave。其緩存Buffer用于與主站通信的數(shù)據(jù)交換區(qū)域，也就是與CPU單元數(shù)據(jù)交換區(qū)域。其中用戶數(shù)據(jù)區(qū)域地址為44H-DEFH，即總共3500個(gè)寄存器空間，該地址為絕對(duì)地址可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。由于作為Slave只響應(yīng)主站發(fā)給自己的報(bào)文，所以只需要進(jìn)行通訊設(shè)置如波特率、傳輸模式等。

5 羅克韋爾自動(dòng)化系統(tǒng)與三菱系統(tǒng)的成功整合

為實(shí)現(xiàn)新建羅克韋爾焦輸送控制系統(tǒng)與既有三菱系統(tǒng)MELSEC-NETⅡ數(shù)據(jù)通訊，通過Modbus總線網(wǎng)絡(luò)建立起兩套系統(tǒng)通訊，采用新增一套三菱PLC,該P(yáng)LC通過MELSEC NET II 和既有的高壓盤CDL、集塵控制系統(tǒng)的A2A PLC通訊，同時(shí)新增PLC配有MODBUS通訊卡，通過與AB的ControlLogix機(jī)架的MODBUS通訊卡建立起Modbus網(wǎng)絡(luò)，從而建立起兩套系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)圖結(jié)構(gòu)如圖4所示。因此新建OPS操作站既可以對(duì)新建羅克韋爾控制系統(tǒng)控制，也可以對(duì)既有的高壓盤CDL、集塵控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

從系統(tǒng)圖上可以看出，新建焦輸送控制系統(tǒng)采用Allen-Bradley公司的控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制，AB機(jī)架上的MVI56-MCM通訊卡與新增的MELSEC NET的三菱PLC上的AJ71UC24-S2通訊卡建立一個(gè)Master/Slave的MODBUS網(wǎng)絡(luò)，新增三菱PLC與既有集塵控制系統(tǒng)組成新的MELSEC-NET網(wǎng)絡(luò)，這樣新建系統(tǒng)與既有系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)通訊，同樣OPS工作站就可以對(duì)集塵控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在本系統(tǒng)中，Prosoft公司的MVI56-MCM通訊模塊作為Master，而三菱公司的AJ71UC24-S2通訊模塊作為Slave，并且通過跳線選擇RS422的接線連接方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信要求，通訊配置如下：RTU傳輸模式的效率大約是ASCII模式的2倍，所以采用RTU傳送模式；協(xié)議傳輸波特率為9600Kb/s；奇偶校驗(yàn)位2位，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位；兩通訊卡的通訊設(shè)置必須一樣，否則不能進(jìn)行通訊。

根據(jù)Master/Slave通訊方式，MVI56-MCM通訊模塊負(fù)責(zé)向AJ71UC24-S2通訊模塊發(fā)送通訊請(qǐng)求指令，AJ71UC24-S2則負(fù)責(zé)應(yīng)答。當(dāng)MVI56-MCM通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作時(shí)，即相應(yīng)的功能碼為3、6(單個(gè)寫)和16(多個(gè)同時(shí)寫)。

因此每次最多只能夠讀寫200個(gè)數(shù)據(jù)，通常用戶讀寫數(shù)據(jù)區(qū)域?yàn)?00的整數(shù)倍，以減少模塊計(jì)算時(shí)間。所有的Modbus網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換將在AJ71UC24-S2通訊模塊的緩存區(qū)域與MVI56-MCM通訊模塊的數(shù)據(jù)庫區(qū)域里進(jìn)行，ControlLogix與三菱處理器再進(jìn)行二次處理，因此實(shí)現(xiàn)了ControlLogix處理器與三菱處理器的數(shù)據(jù)通訊，從而實(shí)現(xiàn)了羅克韋爾系統(tǒng)與三菱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

6 結(jié)論

焦處理三電系統(tǒng)完善工程新建控制系統(tǒng)通過Modbus網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了與既有系統(tǒng)MELSEC-NETⅡ的整合，既維護(hù)了原有系統(tǒng)的完整性，又創(chuàng)造性地改善了原有系統(tǒng)，最大化的節(jié)省了投資成本。實(shí)踐表明，新老系統(tǒng)結(jié)合完好，通信質(zhì)量良好，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，可靠，達(dá)到預(yù)期效果。

[1]ProSoft公司中國(guó)總部技術(shù)培訓(xùn)中心．MVI56-MCM用戶手冊(cè).

[2]AB公司中國(guó)總部技術(shù)培訓(xùn)中心． ControlLogix系統(tǒng)培訓(xùn)手冊(cè).

[3]李喜東,劉波濤,劉剛.Modbus RTU串行通訊協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2005(7).

[4]沈繼澤，洪學(xué)海．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)接口技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[5]何東升,金俊文,陳宏．ControlLogix系統(tǒng)在蘭成渝成品油管道的應(yīng)用——ControlLogix與第三方設(shè)備Modbus通訊[J].中國(guó)儀器儀表,2011(12).

Application of Modbus Protocol in the Control System of Coking

Yang Di

(Baoshan Iron & Steel Company Ironmaking Plant, Shanghai 200941)

The paper, briefly introduces Baosteel coking project, then in details introduces Modbus protocol, and MVI56-MCM of Prosoft Co., and AJ71UC24-S2 of Mitsubishi Co., and their communication configuration, finally put forward an economical and practical system scheme.

Coking Modbus protocol Control System Communication Configuration

楊迪，男，1972年出生，畢業(yè)于華中科技大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士，工程師，長(zhǎng)期從事原料電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究工作

TF325.6 TF526.2

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.020

2014-04-13)