Modbus協(xié)議在火力發(fā)電機(jī)組分散控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭 杰

（陜煤電力石門有限公司，湖南 常德 415300）

0 引言

為進(jìn)一步規(guī)范和加強(qiáng)全省燃煤發(fā)電企業(yè)的環(huán)保監(jiān)督管理，促進(jìn)燃煤發(fā)電企業(yè)環(huán)保設(shè)施正常運(yùn)行，我公司建設(shè)了環(huán)保智慧監(jiān)管平臺(tái)發(fā)電企業(yè)側(cè)子站，對(duì)于環(huán)保關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中部分除塵器重要參數(shù)采用Modbus通信協(xié)議傳輸信息。

1 系統(tǒng)概述

1.1 電袋復(fù)合式除塵器

我公司2號(hào)機(jī)組灰網(wǎng)采用電袋復(fù)合式除塵器，前級(jí)電除塵區(qū)采用陽(yáng)極側(cè)部振打、陰極頂部傳動(dòng)側(cè)頂部振打二分區(qū)結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)，以提高電除塵區(qū)的除塵效率。電除塵器后部電場(chǎng)空間布置低壓脈沖噴吹袋式除塵區(qū)，有關(guān)信號(hào)送入除塵器程控系統(tǒng)。

除塵器4個(gè)電場(chǎng)一、二次電壓及電流參數(shù)分別由專用MCS-51系列單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，以并聯(lián)方式通過(guò)Modbus網(wǎng)關(guān)通信硬件設(shè)備接入灰網(wǎng)PLC 程控系統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置不同ID編號(hào)進(jìn)行區(qū)分，直接由上位機(jī)InTouch應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)。

1.2 可編程控制器

PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，用軟件代替繼電器控制系統(tǒng)。PLC采用不斷循環(huán)的順序掃描工作方式，從輸入模塊讀取狀態(tài)信號(hào)放入過(guò)程映像區(qū)，然后開始調(diào)用循環(huán)。如果有事件產(chǎn)生中斷，則調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理，最后把過(guò)程映像輸出表寫到輸出模塊。具體工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 PLC控制器工作過(guò)程

灰網(wǎng)控制系統(tǒng)采用施耐德昆騰系列PLC，主要由CPS電源模件、CPU控制器模件、NOE網(wǎng)絡(luò)通信模件、CRP遠(yuǎn)程I/O通信模件、CHS熱備模件等構(gòu)成。通過(guò)通信模件與輸入/輸出模件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方設(shè)備啟停、相互聯(lián)鎖的操作和重要參數(shù)報(bào)警功能。

2 Modbus通信技術(shù)

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器的一種通用語(yǔ)言，是應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議。當(dāng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信時(shí)，該協(xié)議能使每一臺(tái)控制器知道其本身的設(shè)備地址，并識(shí)別對(duì)它尋址的數(shù)據(jù)，決定所具有作用的類型，取出包含在信息中的數(shù)據(jù)等，控制器也可組織回答信息，并使用Modbus協(xié)議將此信息傳送出去。

主控制器可對(duì)各從設(shè)備尋址，發(fā)出廣播信息，從設(shè)備返回信息作為對(duì)查詢的響應(yīng)。從設(shè)備對(duì)于主控制器的廣播查詢，從設(shè)備返回的內(nèi)容不包括設(shè)備地址，而包括請(qǐng)求功能代碼、發(fā)送數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤校驗(yàn)碼等[1]。

3 虛擬控制器

虛擬控制器（VDPU）是OC 6000e系統(tǒng)中的一個(gè)子程序，運(yùn)行在HMI站上，模擬實(shí)際控制器的功能。VDPU可以通過(guò)通信接口將非本系統(tǒng)的控制設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)智能儀表在邏輯上映射為DCS系統(tǒng)的一個(gè)DPU節(jié)點(diǎn)。

運(yùn)行虛擬控制器程序前，必須先運(yùn)行OC 6000e系統(tǒng)主程序MPC，通過(guò)修改VDPUx.vco文件名中的“x”編號(hào)可運(yùn)行特定節(jié)點(diǎn)號(hào)碼的VDPU。虛擬控制器可以配置成雙重冗余方式，但必須運(yùn)行在同一OC 6000e系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的兩臺(tái)不同HMI站上[2]。

4 建立可編程控制器與DCS系統(tǒng)通信方式

4.1 外部系統(tǒng)I/O通信驅(qū)動(dòng)程序

OC 6000e系統(tǒng)中可以裝載多個(gè)不同的I/O驅(qū)動(dòng)程序，用于驅(qū)動(dòng)不同的I/O設(shè)備，主要包括標(biāo)準(zhǔn)Modbus驅(qū)動(dòng)，以主站方式驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus設(shè)備，支持串口連接和TCP/IP連接；OPC客戶驅(qū)動(dòng)，連接各種OPC服務(wù)器；Profibus主站驅(qū)動(dòng)，連接各種Profibus子站設(shè)備。本文選用標(biāo)準(zhǔn)Modbus驅(qū)動(dòng)，互聯(lián)網(wǎng)編號(hào)分配管理機(jī)構(gòu)給Modbus協(xié)議賦予TCP 502端口。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括輸入離散量、線圈、輸入寄存器、保存寄存器4個(gè)基本單元，通過(guò)不同的功能代碼訪問(wèn)4個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)塊，具體功能碼信息如表1所示。

4.2 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）在通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，每個(gè)設(shè)備必須有地址標(biāo)志，每個(gè)設(shè)備專用一個(gè)地址。通過(guò)InTouch監(jiān)控軟件與PLC進(jìn)行通信連接，在MBENET Topic Definition主題名設(shè)置畫面中，配置連接PLC設(shè)備的IP地址，同時(shí)設(shè)置網(wǎng)關(guān)的映射值ID號(hào)，設(shè)備類型選用Quantum系統(tǒng)PLC可編程控制器。打開InTouch WindowMarker軟件，根據(jù)圖2記錄電除塵高壓柜一、二次電壓及電流標(biāo)記名、項(xiàng)目名（400025）。

圖2 標(biāo)記名

（2）Modbus通信使用主從結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)主控制器，可以在網(wǎng)絡(luò)中對(duì)其他從設(shè)備啟動(dòng)查詢會(huì)話，即主控制器開始查詢，而從設(shè)備返回對(duì)查詢做出的響應(yīng)，或處理查詢所要求的動(dòng)作。PLC控制器I/O掃描服務(wù)會(huì)定期對(duì)以太網(wǎng)上的設(shè)備進(jìn)行讀/寫操作，通過(guò)使用配置文件的讀/寫請(qǐng)求掃描設(shè)備的輸入/輸出。利用Quantum以太網(wǎng)模塊NOE77101內(nèi)部I/O掃描器，讀取或?qū)懭胼斎?輸出設(shè)備。根據(jù)圖3配置I/O掃描列表，用于標(biāo)記授權(quán)與其重復(fù)通信的目標(biāo)。當(dāng)控制器運(yùn)行時(shí)，NOE以太網(wǎng)模塊根據(jù)I/O掃描列表，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鞯募拇嫫骱途€圈，或從控制器的寄存器和線圈獲取數(shù)據(jù)。

圖3 I/O掃描配置

（3）Modbus網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)疊加功能，可匹配所有標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的設(shè)備，可支持PLC控制器遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程上下載、遠(yuǎn)程控制及PLC控制器數(shù)據(jù)采集等功能。建立與控制器網(wǎng)絡(luò)物理通信連接，并根據(jù)圖4合理配置硬件Modbus網(wǎng)關(guān)參數(shù)，將數(shù)據(jù)采集變量通過(guò)串口485-232連接方式傳輸至DCS控制系統(tǒng)。

圖4 Modbus網(wǎng)關(guān)參數(shù)配置

（4）虛擬控制器設(shè)備管理，在OC 6000e系統(tǒng)中以虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行加載和配置。添加虛擬設(shè)備組，選用MODB通信模塊，根據(jù)通信連接命令設(shè)置基本參數(shù)。運(yùn)行上位機(jī)虛擬控制器VDPU程序，同時(shí)開啟報(bào)文監(jiān)視工具，查看數(shù)據(jù)報(bào)文通信是否正常，有無(wú)出錯(cuò)信息。具體參數(shù)配置如圖5所示。

圖5 虛擬控制器VDPU配置

4.3 數(shù)據(jù)通信傳輸

將電除塵4個(gè)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)模擬量數(shù)據(jù)，采用專用MCS-51系列單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)Modbus TCP設(shè)備接入PLC控制器的TCP/IP Ethernet網(wǎng)絡(luò)。利用昆騰NOE網(wǎng)絡(luò)模塊的I/O掃描功能，將4個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編號(hào)區(qū)分，設(shè)置對(duì)應(yīng)通信點(diǎn)表。在PLC控制器以太網(wǎng)絡(luò)中增加Modbus通信網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)需要數(shù)據(jù)，采用上位機(jī)COM串口接收數(shù)據(jù)，同時(shí)開啟虛擬控制器VDPU讀取數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同通信硬件的不斷摸索，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，靈活運(yùn)用簡(jiǎn)單、緊湊、格式規(guī)范、通信透明的傳輸協(xié)議，選用經(jīng)濟(jì)、一體化的不同類型通信設(shè)備，以合理的組合方式，可以提升工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的多樣性。