基于OPC和Modbus技術的工廠應急數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

焦振華

摘要：針對分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）和不同類型設備與第三方力控組態(tài)軟件通訊的問題，提出一種融合OPC技術標準和Modbus RTU、Modbus TCP協(xié)議的通訊，有效解決了工廠應急數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊過程中遇到的問題。

關鍵詞：OPC技術；Modbus RTU協(xié)議；Modbus TCP協(xié)議

DOIDOI：10.11907/rjdk.161133

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0129-05

0 引言

工廠應急指揮系統(tǒng)是一個綜合性的控制系統(tǒng)，涉及計算機軟、硬件、計算機網(wǎng)絡、有線通信、無線通信、GIS地理信息系統(tǒng)、監(jiān)控、報警、圖像等許多領域。工廠應急指揮系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工廠事故后果評價軟件中最關鍵的子系統(tǒng)之一。工廠事故后果評價軟件依據(jù)采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行自動預警/報警、故障點快速定位等智能化實時監(jiān)測分析，為指揮干預在最短時間內(nèi)作出應急響應提供有效的技術支撐。

1 OPC、MODBUS技術及力控組態(tài)軟件簡介

1.1 OPC技術

OPC是OLE for Process Control的縮寫，即面向過程控制的OLE，它是一套以OLE、COM、DCOM（Distribute COM）技術為背景，基于Windows操作平臺，為工業(yè)應用程序之間提供高效的信息集成和交互功能的組件對象模型接口標準。目前，OPC技術已經(jīng)得到了廣泛應用，如應用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）、集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等[1-3]。OPC 采用客戶/服務器模式，將開發(fā)訪問接口的任務分配給硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，同時其以OPC服務器的形式提供給用戶，解決了軟、 硬件廠商的矛盾， 完成了系統(tǒng)集成，提高了系統(tǒng)開放性和可互操作性[4]。

1.2 Modbus技術

Modbus協(xié)議是MODICON公司為滿足工業(yè)控制需求而設計，如今已成為全球工業(yè)領域最流行的通信協(xié)議之一。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485標準和以太網(wǎng)設備。許多工業(yè)自動化設備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為通信標準。Modbus/TCP協(xié)議是在Modbus/TCP標準中，其應用層采用工業(yè)領域標準Modbus實現(xiàn)。標準的Modbus協(xié)議使用兩種模式進行通訊：ASCII和RTU，這兩種模式在報文結構、功能命令上相同，僅幀信息的表示方法不同 [5-6]。

1.3 力控組態(tài)軟件

在工廠事故應急指揮大廳的監(jiān)控主機上使用的客戶端監(jiān)控軟件是北京三維力控公司的力控組態(tài)軟件ForceControl V7.0。力控組態(tài)軟件是運行于Windows98/NT/2000/XP操作系統(tǒng)上的一種組態(tài)軟件，是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集與過程控制的專用監(jiān)控組態(tài)軟件，也是自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境[7]。該監(jiān)控組態(tài)軟件可以與多種類型的控制設備進行通信，對于采用不同協(xié)議通信的I/O設備，大多數(shù)都有相應的I/O驅動程序，通過I/O驅動程序來完成與設備的通訊，目前支持的I/O設備包括集散系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLC）、現(xiàn)場總線（FCS）、電力設備、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器、USB接口設備等[8]。

2 工廠應急數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)類型及范圍為：①廠內(nèi)A區(qū)各廠房內(nèi)的臨界報警信號和有毒氣體信號；②廠內(nèi)1#、2#和3#控制室DCS系統(tǒng)監(jiān)控的工作罐體的溫度、壓力信號；③廠內(nèi)B區(qū)1#、2#和3#廠房內(nèi)氣體流出物報警信號和輕雜質傳感器信號。工廠應急數(shù)據(jù)采集服務器安裝于應急指揮樓屏蔽機房內(nèi)，操作系統(tǒng)為Windonws Server 2008 標準版，數(shù)據(jù)庫為微軟SQL Server 2008 標準版，客戶端組態(tài)軟件為力控V7.0，各數(shù)據(jù)采集點安裝有網(wǎng)絡通信節(jié)點控制柜，并全部連接到工廠應急控制中心的匯聚交換機上。

2.1 臨界報警信號和有毒氣體（HF）信號采集

2.1.1 設備現(xiàn)狀及采集方式

（1）設備現(xiàn)狀。臨界報警監(jiān)測儀為國內(nèi)早期型號設備，不具備與外部設備通信的232/485或以太網(wǎng)通信接口。有毒氣體檢測儀自身配有與外部通信的RS485串口。

（2）采集方式。根據(jù)臨界報警儀報警信號產(chǎn)生原理可知，當有被測物質超過臨界值時，會觸發(fā)該儀器中的交流220V電源自動接通，產(chǎn)生臨界報警開關量信號，由此采集該開關量信號可以在信號產(chǎn)生的線路中增加一個交流接觸器，將其開關量引入到一個開關量輸入模塊，通過MODBUS RTU協(xié)議上傳。由于有毒氣體檢測儀具備與外部網(wǎng)絡通信的RS485串口，因此可以直接通過MODBUS RTU協(xié)議訪問該設備并進行數(shù)據(jù)采集。

2.1.2 硬件通訊配置

為了實現(xiàn)對臨界報警信號和有毒氣體信號的采集，需要配置的硬件包括：正泰交流接觸器、ART阿爾泰模塊、串口服務器（USR-TCP232-300）、光電收發(fā)器、光纖熔接盒、光纜等設備。數(shù)據(jù)采集的通訊網(wǎng)絡如圖1所示。

2.1.3 軟件通訊配置

通訊軟件配置主要包括3個方面：①串口服務器配置（USR-TCP232-300）；②阿爾泰模塊（DAM-3013D）配置；③力控（ForceControl）組態(tài)軟件配置。

（1）串口服務器（USR-TCP232-300）配置。通信網(wǎng)絡中的串口服務器在使用前需要進行配置，配置步驟為：①連接硬件，使用配套電源給串口服務器供電，用網(wǎng)線將串口服務器直接連接到計算機上，或者將串口服務器接到和計算機統(tǒng)一局域網(wǎng)內(nèi)的路由器或者交換機上；②打開串口服務器（USR-TCP232-300）配置軟件，點擊“搜索”按鈕，找到該網(wǎng)絡設備；③填寫設置的參數(shù)，配置如表1所示的參數(shù)；④給設備斷電再上電，設備將在新的配置下工作。

（2）阿爾泰模塊DAM-3013D配置。通信網(wǎng)絡中的ART模塊（DAM-3013D）在使用前需要進行配置，其配置軟件為阿爾泰設備測試系統(tǒng)DAM-3000M。該模塊通信配置步驟為：點擊DAM-3000M軟件包中的Sys_32.exe應用程序，點擊窗口中的設備操作→搜索→選擇主機下沒有用過的COM端口→模塊查詢→找到DAM-3013D模塊。雙擊后出現(xiàn)模塊信息窗體，按照表2配置完后，按“修改”按鈕即可，重啟ART模塊后配置信息生效。

（3）建立串口服務器（USR-TCP232-300）與阿爾泰模塊DAM-3013D之間的聯(lián)系。打開串口服務器配置軟件，然后點擊“添加”圖標，出現(xiàn)添加虛擬串口窗口，參數(shù)設置如表3所示。

2.1.4 力控（ForceControl）組態(tài)軟件配置

力控組態(tài)軟件與支持MODBUS協(xié)議的設備通信配置步驟為：①定義IO設備。在工業(yè)組態(tài)平臺開發(fā)系統(tǒng)導航器窗口中雙擊“IO設備組態(tài)”，啟動IoManager。選擇“標準MODBUS”類中的“MODBUS（RTU串行口）”，然后雙擊彈出“設備配置”對話框，在“設備名稱”中輸入邏輯設備名稱、設備描述、更新周期、超時時間、設備地址、通信方式（串口 RS232/422/485），其中設備地址和實際連接設備的地址一致；②串口配置。設置串口，設置通信參數(shù)（波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位）并保存設置；③采集配置。包括保持寄存器寫操作、分包配置和線圈功能碼選擇；④數(shù)據(jù)連接。打開數(shù)據(jù)庫組態(tài)，選擇數(shù)據(jù)庫新建點，選擇相應的點類型，點擊“繼續(xù)”，填寫點名，其它默認，點擊數(shù)據(jù)連接點參數(shù)，常用的是PV（現(xiàn)場實時值），選擇要連接的設備名稱，連接項一欄點擊“增加”增加鏈接項，根據(jù)需要設置相對應的內(nèi)存區(qū)以及偏移地址、數(shù)據(jù)格式、讀寫屬性，這樣就完成了數(shù)據(jù)連接的全過程。

經(jīng)過以上軟、硬件配置后，現(xiàn)場臨界報警監(jiān)測設備和氟化氫設備就建立了與工廠應急指揮中心的通信，應急指揮中心的客戶端通過力控組態(tài)軟件就可以實時讀取設備的數(shù)據(jù)。

2.2 壓熱罐溫度與壓力信號采集

2.2.1 設備通訊接口及采集方式

（1）設備現(xiàn)狀?？刂剖褼CS工作安裝的監(jiān)控軟件為SUPCON DCS JX-100系統(tǒng)，該系統(tǒng)負責采集現(xiàn)場壓熱罐的溫度和壓力信號等參數(shù)。

（2）采集方式。由于SUPCON DCS JX-100系統(tǒng)支持標準OPC協(xié)議，因此采用第三方（北京華恒信遠）開發(fā)的工業(yè)標準通訊接口ForeverCredit OPC Server服務器軟件進行數(shù)據(jù)采集。

2.2.2 硬件通訊配置

為了實現(xiàn)對現(xiàn)場壓熱罐溫度和壓力信號的采集，需要配置的硬件包括網(wǎng)卡、網(wǎng)線、光電收發(fā)器、光纖熔接盒、光纜等設備，其通訊網(wǎng)絡結構如圖2所示。

2.2.3 通訊軟件配置

（1）服務器端（Server）通訊配置。在SUPCON DCS系統(tǒng)中的一臺工作站上進行如下軟件配置：安裝ForeverCredit OPC Server 軟件包中的OPC_DA20_Components組件→雙擊JXServer.ini （配置設置文件） →將本機DCS組態(tài)文件拷貝至包含JXServer.exe應用程序的文件夾，然后雙擊JXServer.exe，出現(xiàn)請選擇組態(tài)文件，則選取拷入的組態(tài)文件，并命名為工程師站.SCO；雙擊執(zhí)行注冊表項文件 ManagerAPI.reg和批處理文件regserver；雙擊運行IOManager.exe，最后運行OPC4Safety.exe；雙擊運行OPC客戶端軟件查看OPC Server是否安裝成功，如果出現(xiàn)JXServer.exe，則表明安裝成功。

當OPC Server JXServer安裝成功，說明與SUPCON DCS JX-100 工作站的數(shù)據(jù)接口已經(jīng)建立，然后配置遠程訪問的DCOM組件，主要配置項目為：添加一個用戶，運行“dcomcnfg”，設置“COM安全”屬性，添加Everyone和ANONYMOUS LOGON用戶，完成OPCEnum配置、Multi OpcServer配置、“安全”屬性配置等。

（2）力控組態(tài)客戶端（Client）通信配置。在工廠應急數(shù)據(jù)采集控制中心的客戶端工作站安裝力控V7.0工業(yè)組態(tài)軟件。打開組態(tài)軟件后，首先定義OPC設備，其步驟為：在力控開發(fā)系統(tǒng)導航器窗口中雙擊“I/O設備組態(tài)”，啟動IoManager，選擇“OPC”類中的“MICROSOFT OPC CLIENT”并展開，然后選擇“OPC CLIENT 3.6”并雙擊彈出“設備配置”對話框，在“設備名稱”中輸入邏輯設備的名稱。在“數(shù)據(jù)更新周期”中指定采集周期，然后單擊按鈕“下一步”，出現(xiàn)OPC設備定義對話框，根據(jù)提示進行具體配置。數(shù)據(jù)連接步驟為：在力控開發(fā)系統(tǒng)導航器窗口中啟動DBManager，選擇I/O連接，連接設備為上述定義的I/O設備（如OPC_1C），在連接項中，按“增加”按鈕，在彈出的窗口中選擇模擬輸入中需要采集點的位號，確定后即完成數(shù)據(jù)連接。采集其它參數(shù)則繼續(xù)添加位號，直至將所有需要的位號添加完畢，然后進行顯示界面設計。

經(jīng)過以上軟硬件配置，力控組態(tài)軟件就可以通過服務器（SUPCON.JXServer.1）采集DCS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，在組態(tài)軟件的監(jiān)控畫面中顯示出溫度壓力數(shù)據(jù)值，從而實現(xiàn)對DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

2.3 氣體流出物報警信號和輕雜質傳感器信號采集

2.3.1 設備現(xiàn)狀及采集方式

（1）設備現(xiàn)狀。①1#、2#、3#廠房內(nèi)現(xiàn)場氣體流出物報警儀沒有外部通信端口，每三路報警信號組合為一組總的開關量報警信號；②輕雜質測量傳感器輸出信號為0～100mV信號，該信號通過I/O端子排接入專用控制柜，且不具備與外部設備通信的232/485或以太網(wǎng)通信接口，導致外部設備無法直接與該設備建立通信。

（2）采集方式。①針對輕雜質測量傳感器輸出信號采集，可以通過一分為二的信號隔離分配器，一路為0～100mV信號接入原來的控制盤柜，另一路為4～20mA接入PLC，PLC控制器通過MODBUS TCP/IP協(xié)議上傳至工廠應急控制中心；②氣體流出物報警儀輸出報警開關量信號是通過I/O端子排接入專用控制柜，微型繼電器接入數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，然后微型繼電器輸出的信號接入具有數(shù)字量輸入接口的PLC模塊，通過MODBUSTCP/IP協(xié)議上傳至工廠應急控制中心。

2.3.2 硬件通訊配置

為了實現(xiàn)對氣體流出物報警儀輸出報警開關量信號和輕雜質測量傳感器輸出信號的采集，需要的硬件配置包括一分為二模塊、PLC和微型繼電器。臨界報警儀輸出的報警信號的通信線路連接方式如圖3所示。輕雜質測量傳感器輸出信號的通信線路連接方式如圖4所示。

2.3.3 軟件通訊配置

PCL采用南大傲拓PLC，其設置軟件為NAPro。雙擊圖標NAPro進入配置界面，點擊PLC配置并保存配置，然后在PLC配置上點右鍵出現(xiàn)硬件配置，雙擊進入配置界面。PLC類型選擇NA200H，然后確認，再選擇CPU模塊類型為CPU201-1101，雙擊后出現(xiàn)CPU模塊參數(shù)設置，所配置的項目參數(shù)如表4所示。

下文主要介紹力控軟件組態(tài)通信設置與程序編寫。

關于氣體流出物報警信號：

（1）定義I/O設備與數(shù)據(jù)連接。力控組態(tài)軟件與支持MODBUS協(xié)議的PLC（NA200PLC）設備通信的配置步驟為：①定義I/O設備，在工業(yè)組態(tài)平臺開發(fā)系統(tǒng)導航器窗口中雙擊“IO設備組態(tài)”，啟動IoManager；②選擇“標準MODBUS”類中的“MODBUS（TCP）”，雙擊彈出“設備配置”對話框進行配置；③數(shù)據(jù)連接，打開數(shù)據(jù)庫組態(tài)，選擇數(shù)據(jù)庫新建點，選擇相應的點類型（數(shù)字I/O點），點擊繼續(xù)，填寫點名，其它默認，點擊數(shù)據(jù)連接點參數(shù)進行配置。

（2）編寫數(shù)據(jù)處理腳本。氣體流出物報警信號的產(chǎn)生是按照三取二的原則產(chǎn)生一組報警信號，即三路信號中有兩路及以上時才輸出一組報警信號，因此需要對采集到的數(shù)據(jù)在組態(tài)軟件中進行處理。本文給出部分氣體流出物報警探測器對其輸出的三路報警信號進行組態(tài)，在力控軟件中編寫的程序如下：

關于輕雜質信號：

（1）定義I/O設備與數(shù)據(jù)連接。力控組態(tài)軟件中輕雜質信號采集配置與臨界報警信號采集配置大致相同，不同之處是：①定義數(shù)據(jù)類型：模擬量I/O；②內(nèi)存地址：AR輸入寄存器，偏置（10進制）1，數(shù)據(jù)格式：Word 16位無符號數(shù)。

（2）輕雜質信號數(shù)據(jù)處理程序。輕雜質傳感器輸出信號為0～100mV信號，經(jīng)PLC傳輸至工廠應急控制中心客戶端的是4～20mA信號。設備廠家定義4～20mA對應數(shù)字量為4 000～20 000，為了在組態(tài)界面顯示出毫伏數(shù)據(jù)，客戶端力控組態(tài)軟件中需要將傳輸過來的4～20mA信號轉換化0～100mV信號。假設電流信號為X，對應的mV信號為Y，它們之間的轉換關系如圖5所示。

3 結語

本文通過OPC和MODBUS技術及力控組態(tài)軟件實現(xiàn)了各類不同數(shù)據(jù)的集成。并且，建立在此實時數(shù)據(jù)采集平臺上的工廠應急指揮系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作方便、監(jiān)控效果良好。

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（責任編輯：孫 娟）

Abstract：According to the communication problems between distributed control system（DCS）and different types of equipment and third-party Forcecontrol configuration software，this paper proposed a effective strategy that established a communication to third-party Forcecontrol configuration software based on OPC technical standard and Modbus RTU protocol or Modbus TCP protocol in data acquisition system（SCADA） for Nuclear Accident Emergency，which could effectively solve communication problems encountered in data acquisition system（SCADA） for Factory Accident Emergency.

Key Words： OPC Technology； Modbus RTU Protocol； Modbus TCP Protocol