一、引 言
現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進著自控技術(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(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，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，紛紛將各自的協(xié)議標(biāo)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(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。本文就某化纖項目分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計，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(zé)現(xiàn)場電機、ocv閥、流量開關(guān)、變頻器等執(zhí)行、檢測機構(gòu)的啟?？刂?、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(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。由于上下位機均無面向同一協(xié)議的通信設(shè)備，給設(shè)計造成了困難。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行主從設(shè)備的信息傳輸，可尋址1-247個設(shè)備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨設(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(jié)束標(biāo)志。信息幀所有字符位由16進制字符0-9、a-f組成。本設(shè)計采用單獨設(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plc從站地址，二端口設(shè)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(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1.5km，全雙工，串口設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(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地址對應(yīng)，故采取了間接地址的方式。具體設(shè)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(yīng)。如將dcs的%wb000101位通信i/o地址與d0000.00位地址對應(yīng)，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(gòu)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(yīng)表，因篇幅所限，該表略。
2、程序設(shè)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(luò)上的其它pc機或串口終端設(shè)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(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 //對信息進行分解處理
if st=1 then ＊jaoy else ＊back //判斷是否本站信息
＊jaoy
gosub ＊crc //crc循環(huán)冗余校驗子程序
if r=crc then ＊work else ＊back //信息校驗正確判斷
＊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(shè)備設(shè)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(luò)遭到癱瘓等嚴重故障時，需保證現(xiàn)場電氣設(shè)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(luò)上如無信號，plc自動將現(xiàn)場按鈕等手控設(shè)備設(shè)為有效，同時dcs故障報警，直到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常為止。
四、結(jié)束語
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、價格較高等缺點。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，進行基于modbus通信協(xié)議的自主程序設(shè)計，架構(gòu)起本自控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)易擴展、易維護，具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)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(shè)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(lǐng)域通用的modbus通信協(xié)議標(biāo)準，利用可編程的plc特殊功能模塊，并進行通信程序設(shè)計，低成本的解決了本系統(tǒng)的通信架構(gòu)問題，可為分布式控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)兼容性設(shè)計的一個思路。