摘 要：本文就一種DCS與PLC作為上下位機(jī)的分布式控制系統(tǒng)，介紹基于Modbus協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)在其中的應(yīng)用，以及該網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成及程序設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議 分布式控制系統(tǒng) 通信網(wǎng)絡(luò) 串口通訊 可編程控制器
一、引 言
　　現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進(jìn)著自控技術(shù)及設(shè)備創(chuàng)新的日新月異。當(dāng)前，DCS、IPC、PLC及智能儀表已廣泛應(yīng)用到工廠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)當(dāng)中，并發(fā)展到由上述設(shè)備相互協(xié)同、共同面向整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的分布式工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)堪稱關(guān)鍵。但由于開始沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，各廠商自控產(chǎn)品通信協(xié)議各自為政，通信網(wǎng)絡(luò)各成體系，造成不同廠家的自控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接困難甚至不能連接，給分布式控制系統(tǒng)的靈活應(yīng)用造成了不便。一些公司為適應(yīng)市場(chǎng)，紛紛將各自的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)公開化，可無(wú)償使用。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，一些通信協(xié)議如Modicon公司的Modbus通信協(xié)議因其兼容性、易用性的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為一種通用的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。本文就某化纖項(xiàng)目分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹基于Modbus協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)在其中的應(yīng)用。
二、系統(tǒng)組成
　　1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　本系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中略去了現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的采集、控制部分。系統(tǒng)上位機(jī)采用橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)控;下位機(jī)采用Omron的CS1H系列PLC，分布在3個(gè)電氣控制室，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、OCV閥、流量開關(guān)、變頻器等執(zhí)行、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的啟停控制、反饋信號(hào)采集、故障判斷等操作。


　　基于通信實(shí)時(shí)性的考慮，將DCS與3個(gè)PLC控制站分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)：PLC1和PLC2與DCS一端口組成網(wǎng)絡(luò)一，PLC3與DCS二端口組成網(wǎng)絡(luò)二。由于上下位機(jī)均無(wú)面向同一協(xié)議的通信設(shè)備，給設(shè)計(jì)造成了困難。經(jīng)考慮，決定采用Modbus通信協(xié)議，由其構(gòu)成本分布式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。
　　2、通信網(wǎng)絡(luò)組成
　　2.1通信協(xié)議
　　Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通訊協(xié)議，它采用查詢通訊方式進(jìn)行主從設(shè)備的信息傳輸，可尋址1-247個(gè)設(shè)備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨(dú)設(shè)備查詢兩種方式，二者區(qū)別就是廣播查詢不需要從設(shè)備回應(yīng)信息，主從設(shè)備查詢通訊過(guò)程見圖二。


　　Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式較ASCII模式能傳輸更多的數(shù)據(jù)，所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)大都采用RTU模式。RTU模式下的信息傳輸報(bào)文格式如圖三


　　它沒有起始位和停止位，而是由至少3.5個(gè)字符間隔時(shí)間作為信息的起始、結(jié)束標(biāo)志。信息幀所有字符位由16進(jìn)制字符0-9、A-F組成。本設(shè)計(jì)采用單獨(dú)設(shè)備查詢的RTU模式通信方式，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成，將DCS一端口設(shè)01H、02H兩個(gè)PLC從站地址，二端口設(shè)01H一個(gè)PLC從站地址，并使用Modbus協(xié)議中的讀字存儲(chǔ)區(qū)03H和寫字存儲(chǔ)區(qū)06H兩個(gè)功能碼。
　　2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及硬件介紹
　　網(wǎng)絡(luò)采用RS485串行接口，通信媒體由4芯屏蔽電纜連接主從設(shè)備，傳輸距離最大達(dá)1.5Km，全雙工，串口設(shè)定波特率19200，8位數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)、1位停止位。DCS通信部分采用橫河型號(hào)為ALR121的通信模塊，并配套橫河提供的Modbus通信軟件包，該通信模塊最大通信數(shù)據(jù)容量4000字。PLC通信部分則采用Omron的C200H-ASCII 21可編程特殊單元模塊（以下簡(jiǎn)稱ASCII模塊），該模塊支持BASIC語(yǔ)言編程，內(nèi)有200K字節(jié)的程序存儲(chǔ)區(qū)，配備RS232、RS485通信串口各一個(gè)。通過(guò)對(duì)該模塊的編程，可實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的各種通信。本系統(tǒng)通過(guò)ASCII模塊與DCS基于Modbus協(xié)議的通信，將DCS的讀、寫指令及數(shù)據(jù)做相應(yīng)轉(zhuǎn)換，并與PLC的CPU單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存取交換，以實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)控制信息的實(shí)時(shí)傳輸。如圖四所示。


三、軟件實(shí)現(xiàn)
　　1、 建立地址分配、對(duì)應(yīng)表
　　DCS人機(jī)監(jiān)控界面（HMI）上面向現(xiàn)場(chǎng)儀表的圖形符號(hào)對(duì)象的監(jiān)控，需通過(guò)DCS I/O物理地址對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的采集來(lái)實(shí)現(xiàn)。DCS對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣執(zhí)行、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的監(jiān)控，則是由DCS通信I/O地址與PLC I/O物理地址一一對(duì)應(yīng)完成的。為此，在編程前，需建立一張DCS通信I/O地址與PLC I/O地址的分配、對(duì)應(yīng)表。由于PLC邏輯控制編程需要，不便直接將PLC I/O物理地址與DCS通信I/O地址對(duì)應(yīng)，故采取了間接地址的方式。具體設(shè)計(jì)采用PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)DM區(qū)作為間接地址區(qū)，與DCS通信I/O區(qū)建立聯(lián)系，再將DM區(qū)與PLC I/O區(qū)相對(duì)應(yīng)。如將DCS的%WB000101位通信I/O地址與D0000.00位地址對(duì)應(yīng)，D0000.00再對(duì)照PLC的I0000.00位物理輸入點(diǎn)，就能將現(xiàn)場(chǎng)電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)反饋到HMI上。按照這種方法就建立了一張上下位機(jī)地址分配、對(duì)應(yīng)表，因篇幅所限，該表略。
　　2、程序設(shè)計(jì)
　　ASCII模塊支持BASIC語(yǔ)言編程，此外，又附加了多條系統(tǒng)及函數(shù)指令，如接收、發(fā)送緩沖區(qū)操作指令、信息傳輸差錯(cuò)控制CRC、LRC校驗(yàn)函數(shù)指令和與CPU單元數(shù)據(jù)交換的讀寫指令等。編程使用WINDOWS操作系統(tǒng)上附帶的Hyperterminal（超級(jí)終端）軟件，通過(guò)此軟件，PC機(jī)可與連接在網(wǎng)絡(luò)上的其它PC機(jī)或串口終端設(shè)備進(jìn)行文本文件的傳輸及顯示。編程時(shí)，將PC機(jī)串口與ASCII模塊的RS232串口連接，運(yùn)行該軟件，就能在其界面上對(duì)ASCII模塊進(jìn)行程序編寫、上傳、下載和調(diào)試等工作。也可先通過(guò)WINDOWS系統(tǒng)的寫字板編寫程序，并保存為文本格式，然后再通過(guò)Hyperterminal將程序下載到ASCII模塊。通信程序的主工作流程見圖五。


　　部分程序代碼如下：
　　OPTION BASE 0 //定義數(shù)組
　　DIM R（128）,FC（128）
　　R（48）=0:R（49）=1:R（50）=2:R（51）=3:R（52）=4:R（53）=5:R（54）=6:R（55）=7:R（56）=8
　　R（57）=9:R（65）=&h0a:R（66）=&h0b:R（67）=&h0c:R（68）=&h0d:R（69）=&h0e:R（70）=&h0f
　　R（97）=&h0a:R（98）=&h0b:R（99）=&h0c:R（100）=&h0d:R（101）=&h0e:R（102）=&h0f
　　OPEN #2,"COMU:19200,8,E,1" //設(shè)定串口參數(shù)
　　A%=LOC（2） //判斷接收緩沖區(qū)字符
　　IF A%=8 THEN
　　REX$=INPUT$（A%,#2）
　　……….
　　ENDIF
　　GOSUB ＊ZFCL //對(duì)信息進(jìn)行分解處理
　　IF ST=1 THEN ＊JAOY ELSE ＊BACK //判斷是否本站信息
　　＊JAOY
　　GOSUB ＊CRC //CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)子程序
　　IF R=CRC THEN ＊WORK ELSE ＊BACK //信息校驗(yàn)正確判斷
　　＊WORK
　　IF （FU=3） THEN GOTO ＊DJS //讀功能碼判斷，調(diào)寫操作子程序
　　IF （FU=6） THEN GOTO ＊XJS ELSE GOTO ＊BACK //寫功能碼判斷，調(diào)讀操作子程序
　　＊DJS //讀子程序
　　………
　　＊XJS //寫子程序
　　………
　　＊CRC //CRC 校驗(yàn)子程序
　　……….
　　＊ZFCL //字符處理子程序
　　………
　　由于ASCII模塊支持ASCII碼，而RTU則是基于二進(jìn)制碼的16進(jìn)制字符通信方式，所以在程序編程中增加了碼制轉(zhuǎn)換程序。
　　CH5$=MID$（REX$,5,1） :CH6$=MID$（REX$,6,1） //提取字符段
　　VOL=ASC（CH5$）×256+ASC（CH6$） //將ASCII碼字符轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)
　　VOL$=HEX$（VOL） //將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制字符
　　3、程序優(yōu)化及安全措施
　　在ASCII模塊與CPU單元數(shù)據(jù)交換程序部分，采取由ASCII模塊向CPU 單元主動(dòng)發(fā)送讀寫請(qǐng)求信號(hào)，CPU單元在收到請(qǐng)求時(shí)才執(zhí)行數(shù)據(jù)交換程序的方法。這樣，就縮短了PLC的掃描周期，提高了通信實(shí)時(shí)性。
　　在信息差錯(cuò)控制部分，采用了CRC-16循環(huán)冗余校驗(yàn)算法，該算法能使信息的差錯(cuò)率低于10-14以下。如果信息校驗(yàn)錯(cuò)誤，程序?qū)⑶宄彌_區(qū)，等待DCS信息重發(fā)。
　　根據(jù)生產(chǎn)需要，可在HMI上將現(xiàn)場(chǎng)按鈕等手控設(shè)備設(shè)為無(wú)效狀態(tài)，所有手、自動(dòng)操作均在DCS上進(jìn)行。考慮到如通信網(wǎng)絡(luò)遭到癱瘓等嚴(yán)重故障時(shí)，需保證現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備正常啟停，又增加了通信狀態(tài)定時(shí)偵測(cè)程序，在規(guī)定時(shí)間（10秒）內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上如無(wú)信號(hào)，PLC自動(dòng)將現(xiàn)場(chǎng)按鈕等手控設(shè)備設(shè)為有效，同時(shí)DCS故障報(bào)警，直到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常為止。
四、結(jié)束語(yǔ)
　　當(dāng)前分布式控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備、軟件及整體架構(gòu)，大部分是由專業(yè)廠商生產(chǎn)提供的，其總體性能較好。但如前所述，它們也有系統(tǒng)配置可選性小、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)適應(yīng)面窄、價(jià)格較高等缺點(diǎn)。筆者采用Modbus協(xié)議這一成熟通信技術(shù)，選用PLC的可編程模塊，進(jìn)行基于Modbus通信協(xié)議的自主程序設(shè)計(jì)，架構(gòu)起本自控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)易擴(kuò)展、易維護(hù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活、編程方便、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。這套系統(tǒng)在某化纖生產(chǎn)線一次投運(yùn)成功，實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)良好，證明其穩(wěn)定可靠，能完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。到目前為止，該系統(tǒng)已在多個(gè)工程項(xiàng)目上投入使用，全部運(yùn)行正常，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn)：采用工業(yè)領(lǐng)域通用的Modbus通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，利用可編程的PLC特殊功能模塊，并進(jìn)行通信程序設(shè)計(jì)，低成本的解決了本系統(tǒng)的通信架構(gòu)問(wèn)題，可為分布式控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)兼容性設(shè)計(jì)的一個(gè)思路。
參考文獻(xiàn)：
　　1. Modicon. Modbus Protocol Reference Guide. 1996
　　2. Omron. C200H-ASCII UNITS Operation Manual. 1998
　　3. Omron. SYSMAC CS1 Series Programmable Controllers Operation Manual. 1999
　　4. 橫河CS3000 Reference Manual. 2001
　　5. 其其格 利用VC實(shí)現(xiàn)Modbus的兩種檢測(cè)方法 《微計(jì)算機(jī)信息》 2004.1
　　6. 劉東 循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC算法分析及程序?qū)崿F(xiàn). 《計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)》2002.9