摘 要：本文就一種DCS與PLC作為上下位機的分布式控制系統(tǒng)，介紹基于Modbus協(xié)議的通信網(wǎng)絡在其中的應用，以及該網(wǎng)絡的硬件構成及程序設計。 關鍵詞：Modbus協(xié)議 分布式控制系統(tǒng) 通信網(wǎng)絡 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，不斷促進著自控技術及設備創(chuàng)新的日新月異。當前，DCS、IPC、PLC及智能儀表已廣泛應用到工廠現(xiàn)場生產(chǎn)控制系統(tǒng)當中，并發(fā)展到由上述設備相互協(xié)同、共同面向整個生產(chǎn)過程的分布式工業(yè)自動控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，現(xiàn)場通信技術堪稱關鍵。但由于開始沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議標準，各廠商自控產(chǎn)品通信協(xié)議各自為政，通信網(wǎng)絡各成體系，造成不同廠家的自控設備網(wǎng)絡連接困難甚至不能連接，給分布式控制系統(tǒng)的靈活應用造成了不便。一些公司為適應市場，紛紛將各自的協(xié)議標準公開化，可無償使用。經(jīng)過多年發(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，在工業(yè)領域得到了廣泛應用，已成為一種通用的工業(yè)通信標準。本文就某化纖項目分布式控制系統(tǒng)的設計，介紹基于Modbus協(xié)議的通信網(wǎng)絡在其中的應用。 二、系統(tǒng)組成 　　1、系統(tǒng)結構 　　本系統(tǒng)構成如圖1，其中略去了現(xiàn)場儀表信號的采集、控制部分。系統(tǒng)上位機采用橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng)，對整個生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)控;下位機采用Omron的CS1H系列PLC，分布在3個電氣控制室，負責現(xiàn)場電機、OCV閥、流量開關、變頻器等執(zhí)行、檢測機構的啟停控制、反饋信號采集、故障判斷等操作。 　　基于通信實時性的考慮，將DCS與3個PLC控制站分為兩個相對獨立的通信網(wǎng)絡：PLC1和PLC2與DCS一端口組成網(wǎng)絡一，PLC3與DCS二端口組成網(wǎng)絡二。由于上下位機均無面向同一協(xié)議的通信設備，給設計造成了困難。經(jīng)考慮，決定采用Modbus通信協(xié)議，由其構成本分布式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡。 　　2、通信網(wǎng)絡組成 　　2.1通信協(xié)議 　　Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領域的主從式串口通訊協(xié)議，它采用查詢通訊方式進行主從設備的信息傳輸，可尋址1-247個設備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨設備查詢兩種方式，二者區(qū)別就是廣播查詢不需要從設備回應信息，主從設備查詢通訊過程見圖二。 　　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)絡大都采用RTU模式。RTU模式下的信息傳輸報文格式如圖三 　　它沒有起始位和停止位，而是由至少3.5個字符間隔時間作為信息的起始、結束標志。信息幀所有字符位由16進制字符0-9、A-F組成。本設計采用單獨設備查詢的RTU模式通信方式，根據(jù)系統(tǒng)構成，將DCS一端口設01H、02H兩個PLC從站地址，二端口設01H一個PLC從站地址，并使用Modbus協(xié)議中的讀字存儲區(qū)03H和寫字存儲區(qū)06H兩個功能碼。 　　2.2 網(wǎng)絡構成及硬件介紹 　　網(wǎng)絡采用RS485串行接口，通信媒體由4芯屏蔽電纜連接主從設備，傳輸距離最大達1.5Km，全雙工，串口設定波特率19200，8位數(shù)據(jù)位、偶校驗、1位停止位。DCS通信部分采用橫河型號為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（以下簡稱ASCII模塊），該模塊支持BASIC語言編程，內(nèi)有200K字節(jié)的程序存儲區(qū)，配備RS232、RS485通信串口各一個。通過對該模塊的編程，可實現(xiàn)與外圍設備的各種通信。本系統(tǒng)通過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)做相應轉(zhuǎn)換，并與PLC的CPU單元進行數(shù)據(jù)存取交換，以實現(xiàn)上下位機控制信息的實時傳輸。如圖四所示。 三、軟件實現(xiàn) 　　1、 建立地址分配、對應表 　　DCS人機監(jiān)控界面（HMI）上面向現(xiàn)場儀表的圖形符號對象的監(jiān)控，需通過DCS I/O物理地址對現(xiàn)場儀表信號的采集來實現(xiàn)。DCS對現(xiàn)場電氣執(zhí)行、檢測機構的監(jiān)控，則是由DCS通信I/O地址與PLC I/O物理地址一一對應完成的。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、對應表。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地址對應，故采取了間接地址的方式。具體設計采用PLC的數(shù)據(jù)存儲區(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)相對應。如將DCS的%WB000101位通信I/O地址與D0000.00位地址對應，D0000.00再對照PLC的I0000.00位物理輸入點，就能將現(xiàn)場電氣執(zhí)行機構的運行狀態(tài)反饋到HMI上。按照這種方法就建立了一張上下位機地址分配、對應表，因篇幅所限，該表略。 　　2、程序設計 　　ASCII模塊支持BASIC語言編程，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、信息傳輸差錯控制CRC、LRC校驗函數(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（超級終端）軟件，通過此軟件，PC機可與連接在網(wǎng)絡上的其它PC機或串口終端設備進行文本文件的傳輸及顯示。編程時，將PC機串口與ASCII模塊的RS232串口連接，運行該軟件，就能在其界面上對ASCII模塊進行程序編寫、上傳、下載和調(diào)試等工作。也可先通過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 //對信息進行分解處理 　　IF ST=1 THEN ＊JAOY ELSE ＊BACK //判斷是否本站信息 　?。狫AOY 　　GOSUB ＊CRC //CRC循環(huán)冗余校驗子程序 　　IF R=CRC THEN ＊WORK ELSE ＊BACK //信息校驗正確判斷 　?。猈ORK 　　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 　?。狣JS //讀子程序 　　……… 　?。猉JS //寫子程序 　　……… 　?。狢RC //CRC 校驗子程序 　　………. 　　＊ZFCL //字符處理子程序 　　……… 　　由于ASCII模塊支持ASCII碼，而RTU則是基于二進制碼的16進制字符通信方式，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)換十進制數(shù) 　　VOL$=HEX$（VOL） //將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制字符 　　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 單元主動發(fā)送讀寫請求信號，CPU單元在收到請求時才執(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，提高了通信實時性。 　　在信息差錯控制部分，采用了CRC-16循環(huán)冗余校驗算法，該算法能使信息的差錯率低于10-14以下。如果信息校驗錯誤，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)場按鈕等手控設備設為無效狀態(tài)，所有手、自動操作均在DCS上進行?？紤]到如通信網(wǎng)絡遭到癱瘓等嚴重故障時，需保證現(xiàn)場電氣設備正常啟停，又增加了通信狀態(tài)定時偵測程序，在規(guī)定時間（10秒）內(nèi)網(wǎng)絡上如無信號，PLC自動將現(xiàn)場按鈕等手控設備設為有效，同時DCS故障報警，直到網(wǎng)絡恢復正常為止。 四、結束語 　　當前分布式控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的設備、軟件及整體架構，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)絡架構適應面窄、價格較高等缺點。筆者采用Modbus協(xié)議這一成熟通信技術，選用PLC的可編程模塊，進行基于Modbus通信協(xié)議的自主程序設計，架構起本自控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡易擴展、易維護，具有結構簡單、應用靈活、編程方便、造價低廉等特點。這套系統(tǒng)在某化纖生產(chǎn)線一次投運成功，實際運行狀態(tài)良好，證明其穩(wěn)定可靠，能完全滿足系統(tǒng)設計要求。到目前為止，該系統(tǒng)已在多個工程項目上投入使用，全部運行正常，取得了良好的經(jīng)濟效益。 　　本文創(chuàng)新點：采用工業(yè)領域通用的Modbus通信協(xié)議標準，利用可編程的PLC特殊功能模塊，并進行通信程序設計，低成本的解決了本系統(tǒng)的通信架構問題，可為分布式控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡兼容性設計的一個思路。 參考文獻： 　　1. 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