浅谈集散控制系统与流量计仪表通讯

浅谈集散控制系统与流量计仪表通讯

张键

中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司运维中心  255400

摘要

介绍MODBUS通讯技术的基本概念，结合化工生产装置中各系统之间的普遍采用，对于不同系统之间通讯也得以应用，详述主流集散控制系统中控DCS、和利时DCS、霍尼韦尔DCS控制系统与流量计仪表之间的通讯设置组态、调试故障处理等。

关键词：MODBUS通讯；通讯协议；数据连接通讯

随着各类控制系统的普遍应用，各DCS系统、PLC系统、SIS系统及现场通讯仪表之间往往需要进行通讯连接，以实现各类控制要求。现在各类系统厂商之间均遵循国际统一标准。可以实现各类系统之间的数据通讯。

1 Modbus通讯及数据通讯接口技术

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的工业标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等[1]。

1.1 Modbus通信过程

Modbus是一主多从的通信协议。Modbus通信中只有一个设备可以发送请求，其他从设备接收主机发送的数据来进行响应，从机是任何外围设备，如I/O传感器，阀门，网络驱动器，或者其他测量类型的设备。   

从站处理信息和使用Modbus将其数据发送给主站。也就是说不能同步进行通信，主机在同一时间内只能向一个从机发送请求，总线上每次只有一个数据进行传输，即主机发送，从机应答，主机不发送，总线上就没有数据通信。

从机不会自己发送消息给主站，只能回复从主机发送的消息请求。并且，Modbus并没有忙机制判断，比方说主机给从机发送命令，从机没有接收到或正在处理其他数据，此时就无法响应主机，因为Modbus的总线只是传输数据，没有其他仲裁机制，所以需要通过软件的方式来判断是否正常接收。

1.2 RS-485 RS232接口

RS485 RS232是一种电平标准。数据在通信双方之间传输，本质上是传输物理的电平，比如传输5V的电压 -1V的电压信号，这些物理信号在传输过程中会受到很多干扰，传输5V的电压，到接收端可能变成4.8V。通信双方的高低电平的参考电压可能不同。此时就需要一个电平标准，来判断多少电压对应高低电平[2]。

RS232是电子工业协会制定的一部传输标准接口，同时对应电平标准和通信协议，其电平标准：+3V~+15V对应0.-3V~-15V对应1。

RS485是一种串行接口标准为了长距离传输采用差分方式传输，传输的是差分信号，抗干扰能力强。两线差压-2V~-6V对应0，+2V~+6V对应1。RS485的电平指的是485A和485B两根传输线之间的电压差，不是传输线上的电压。

2霍尼韦尔PKS系统与流量计仪表通讯

霍尼韦尔PKS C300 DCS控制系统在化工装置中应用比较广泛，本段举例说明现场质量流量计与DCS系统的通讯的基本步骤和方法，对其组态过程做个描述。

2.1 NPORT5430组态设置

NPORT5430的基本设置这里不做详细阐述，将本次质量流量计通讯时用到的设置进行描述。打开DCS服务器的IE浏览器，输入//10.0.0.61，点击回车键，可以登陆到NPORT设置界面。在质量流量计NPORT设置画面，假设现场质量流量计接入到室内NPORT第3端口，详细介绍一下每个参数的定义。

Port alias(端口名):Terminal Server的第3个端口，4003代表现场通讯信号接入第3个端口；Baud rate（波特率）:超声波流量计波特率9600；Date bits（数据位）：数据位8；Stop bits（停止位）：停止位1；Parity（奇偶校验）：校验方式None,Even,Mark,Space 此处选择None无校验；Flow control（流控）:流控None,RTS/CTS,XON/XOFF,DTR/DSR 此处选择None；FIFO: Enable，Disable 此处选择Enable使能；Interface:接口RS-422,RS-485 2-Wire, RS-485 4-Wire 此处选择RS-485 2-Wire；将上述画面设置完成后保存，退出Nport组态画面。

2.2 Quick builder组态设置

Quick builder组态可以分为三部分，分别是通道（Channel）组态，控制器（Controller）组态，点（Point）组态。本文以质量流量计为例将组态步骤及参数设置做阐述。

1通道组态：进入Configurarion Studio-SystemName-SERVER-Control Strategy-Bulid channels。点击进入之后出现图二的组态画面。

点击左侧Channels，点击工具栏+，添加Modbus通道，通道建好后，可以设置此通道的名称、描述等信息，信息修改完成后，点击OK按钮，通道就建立完成。

在通道组态中，主要看一下PORT项的组态。第三项是Redundant Port,因为NPORT设置是单设备，所以选项设置成None。

全部组态完成后点击下装按钮，工具栏中的向下的箭头，下装提示下装完成，通道组态完成。

2控制器组态：点击左侧Controllers,点击工具栏+，添加控制器，在画面中可以设置控制器的名称、描述等信息，信息修改完成，点击OK按钮，控制器就建立完成。需要建立的控制器数量由现场设备数量决定。控制器画面需要设置的参数：

Channel Name:选择上一步建立好的通道

PLC Station ID :现场流量计地址，根据现场仪表厂家提供参数来设置

Data Table：数据格式，根据厂家提供的参数设置，此处选Holding Register

3点组态：点击左侧的Points，点击工具栏+，添加点。在出现的画面中，可以设置点的名称、描述等信息。信息修改完成后，点击OK按钮，点就建立完成。点建完后如图所示，设置如下参数

Parent Asset：分区，DCS系统内的点分区，可以独立分区也可以单独设置一个分区。PV Source Address:过程值源地址格式为：控制器名字_现场超声波上该位号存放地址_数据格式。如画面右侧所示。根据厂家提供的超声波流量计的资料数据格式设置为IEEEFPLB (32位浮点数)。PV Scan Period:数据采集频率。100% Range Value：该流量计的最大量程。0% Range Value：该流量计的最大量程。此处最大、最小量程对实际数据没有影响，因为通讯点是现场数据多大，室内显示就多大。但是最大量程必须比通讯点数据大否则无法显示。

其余数据默认即可，将该点的数据组态完成后，点击下装按钮（工具栏中的向下箭头），下装完成提示下装成功，系统与流量计通讯完成。

3浙江中控DCS系统与流量计仪表通讯

本段以浙江中控ECS-700 DCS控制系统为例，阐述DCS系统与现场流量计通讯的组态设置。ECS-700系统是浙江中控技术股份有限公司WebField系列控制系统之一，是致力于帮助用户实现企业自动化的大型控制系统，在化工装置中应用越来越广泛。

3.1串行通讯模块COM741-S简介

串行通信模块COM741-S是ECS-700系统的串行异构设备接入网关设备，通过扩展I/O总线，利用Modbus RTU协议和使用同样协议的第三方设备的数据联入ECS-700系统。COM741-S串行通信模块使用相关软件进行硬件设备组态。

串行通信模块COM741-S含有四路串行接口，四路串口结构完全相同，使用方法相同。

3.2软件使用介绍

ECS-700系统组态管理软件（VFExplorer）作为系统组态的工作平台，关联控制站硬件组态软件、位号组态软件、控制方案组态软件、功能块编制软件和监控组态软件，支持离线下载、在线下载、在线组态、离线组态、多人组态和组态发布等功能。在组态管理软件中可以完成串行通信模块的通信参数设置、组态编译和下装。

3.3 中控DCS系统与现场流量计的通讯

1通讯模块的组态：硬件组态软件中，选择控制器，右键菜单中选择“添加”功能，在“添加模块”对话框中选择“COM741-S串行通信模块”，点击添加按钮，添加完成。

串口设置，选中串口通信模块，右键菜单中点击“通信组态”功能，进入串口通信画面，对模块进行参数配置。

根据流量计厂家提供的参数设置串口通讯参数：端口：不可更改；模式：支持Modbus主站、从站；物理接线：RS-485；波特率：9600；数据位：8；停止位：1；

校验方式：无校验。

2 设备参数（流量计）的组态：选择COM串口，点击工具栏+按钮，来添加设备。添加完成后，选择添加的设备右侧属性页设置此设备的参数设置：名称：设备名称，可修改。模式：串口模块设置后不可修改。地址：范围0~255，此地址与通讯协议中的地址无关。实际地址：PLC拨码地址，一条总线是的拨码地址是唯一的。响应时间和间隔时间设置为0，让串行通信模块自动修正。命令数：不可修改。

3 通信命令设置。选择上一步配置好的设备，右键选择添加功能，出现Modbus命令，选中Cmd，在右侧属性也进行参数设置。     

属性名称：命令名称，可修改。模式：不可修改。命令号：不可修改，自动生成。命令类型：不可修改。周期：单位ms,一般情况下，设置为与控制器的控制周期相同。

参数：功能号：可选择读DO、读DI、读AI、读AO、写DO和写AO，此流量计应该设置为读AO。设备地址：不可修改。开始地址：Modbus协议的起始地址，范围是1-65535。数量：代表需要读取的流量计数据个数。数据长度：不可修改，自动生成。

4 组态更新。完成以上设置后，点击保存设置。进入硬件组态软件，选中设置的COM741-S串行通信模块右键点击组态更新，编译保存。

5 位号扫描。进入组态管理软件，选择位号表，双击打开。选择菜单命令操作/扫描通道位号/扫描新增，软件将自动扫描硬件配置并根据所组态的模块自动添加位号。对于COM741-S串行通信模块，自动扫描将生成通信类型的位号，并根据设置的命令选择生产模拟量。

手动添加修改位号，对COM741-S串行通信模块进行位号组态时，所组位号需在位号类型中选择对应的通信类型的位号。本实例中位号类型选择通信AI位号，然后进行输入通道的设置。

数据类型选择2字节整数；状态码位置选择无状态码；数据格式选择不转换。

6 编译、下载。完成位号设置后，关闭位号组态软件窗口，系统会自动检查位号，检查通过后会自动退出，如有错误，按照提示进行修改，直到检查通过为止。当设置完成后回到组态管理软件界面，保存组态，然后进行编译下装，选择在线下装。最后进行组态发布.可以检查调试流量计通讯信号。

4和利时DCS系统与流量计仪表通讯

本段以和利时DCS系统为例，简述现场通讯流量计与和利时DCS系统之间的通讯连接和组态过程。

4.1和利时DCS系统通讯模块

系统通讯模块K-MOD01是DCS系统中的网桥通讯模块，能过作为Modbus主站或从站，通过Modbus通讯协议获取或下发Modbus数据，从而实现将Modbus设备接入DCS系统。模块通过采用螺钉固定在端子底座的安装方式，通过64针欧式连接器与K-PAT01或K-PAT21底座连接使用。

模块通过配套端子底座K-PAT01/K-PAT21上的专用端子或DB9针接口，来接收现场Modbus总线信号。根据模块是否冗余配置，其接线方法有区别，且端子定义也不同。非冗余底座的接线端子定义：D+ Modbus信号正端；D- Modbus信号负端；M Modbus信号等电位地；PE Modbus总线电缆屏蔽接地。

4.2和利时DCS系统使用简介

HOLLiAS是由和利时公司基于先进自动化技术开发的集成工业自动化系统，平台MACS是集成的分布式控制系统，平台软件负责采集和处理数据并提供各种接口和服务，支持OPC协议和Modbus协议，实现与第三方系统的连接。

和利时DCS采用软件Hollias MACS6，能够完成所有离线功能的组态，包括控制站组态、操作员组态、图形组态、报表组态、工程公用信息组态等。本例中DCS系统与现场通讯流量计的设置，将在此软件中完成配置并下装生效，通过调试完成数据通讯。

4.3和利时DCS系统与现场流量计的通讯

1和利时通讯模块组态。打开HOLLiAS_MACS -工程总控，同时加载工程总控软件，选择启动的工程名称，打开工程总控界面。打开控制站菜单，点击通讯模块所安装的具体的控制站名称，双击打开AutoTink软件，加载该控制站程序。

2点击左侧硬件配置中的K-CU01控制器，右键点击模块添加-K系列硬件-COM通讯模块-模块K-MOD01，配置模块信息，点击保存。

3对新增的通讯模块进行配置，选中K-MODO01模块，右侧出现设备信息窗口，底座类型选择K-PAT01，设备属性中双击配置按钮，可以打开设备属性窗口。

在输入/输出选择中，配置模块信息，在左侧可选模块中展开Input Modules菜单，选中Modbus状态模块和输入每包20Words，然后点击右箭头>>,加入已添加模块。在左侧可选模块中展开Empty Modules菜单，选中读输入寄存器（3xxxx,04H）,然后点击右箭头>>,加入已添加模块，保存此设置。

再次选中新添加的模块：读输入寄存器（3xxxx，04H）点击左侧的属性按钮，弹出子模块属性窗口，这里的配置根据流量计厂家提供的数据来设置，Modbus从站站地址写为2，Modbus读写起始地址写为258，Modbus读写模拟量长度写为2，点击确定完成设置。然后点击打开设备属性里的用户参数。

在用户参数配置中，根据流量计厂家提供的通讯参数进行设置，本例中将Modbus主/从模式设置为Modbus主模块，Modbus从站站地址设置为1（默认无法修改），Modbus通信波特率选择9600bps，Modbus传输格式选择RTU，校验位选择奇校验，等待回答超时时间200ms，轮询间隔时间50ms，通信失败后重发次数2，数据更新方式选择篾条Modbus命令结束时更新，停止位选择1位停止位，用户参数保留字节默认为0。设置完成后点击确认按钮保存。

完成以上步骤之后，出现测点信息的窗口，在测点信息中主要参数设置如下：地址和从站站地址为默认系统生成，主要设置点名为FI001，描述为流量计名称，数据类型为REAL，单位为t/h，量程上限下限报警限根据流量计信息设置，其余信息可以保持默认。特别注意交换字先选择TRUE，若后续通讯调试时数据不准确，可以将交换字选择为FALSE。

组态完成后在工程总控中保存，在工具选项编译下装，组态生效。通讯建立与现场仪表调试正常。

本文通过阐述主流DCS系统与现场流量计的通讯设置，希望能对类似的工程案例提供相应参考。感谢参考文献作者为此论文提供的重要思路和基础。

参考文献：

[1] Drury.Bill.Control Techniques Drives and Ctotrols Handbook(PDF)2nd.institution of Engineering and Technology.2009:508

[2] 卢石磊.基于Modbus的RS-485总线通信体系的流量控制协议研究[D]。甘肃：兰州理工大学。2014