Modbus總線在煉焦控制系統的應用

楊 迪

(寶鋼股份煉鐵廠 上海200941)

Modbus總線在煉焦控制系統的應用

楊 迪

(寶鋼股份煉鐵廠 上海200941)

介紹了寶鋼煉焦改造項目背景及Modbus總線協議及其網絡通訊原理，Prosoft公司的MVI56-MCM通訊卡以及Mitsubishi公司AJ71UC24-S2通訊卡及其相應的通訊組態配置，最后提出經濟合理實用的系統實現方案。

煉焦 Modbus協議 控制系統 通訊 組態

1 引言

寶鋼股份煉鐵廠焦處理系統于2004年完成三電控制系統改造。新建焦輸送控制系統全部采用羅克韋爾自動化產品:新一代的ControlLogix處理器，ControlNet網絡，人機高級監控軟件RSview SE控制，保證了整個系統的穩定性、實時性、合理性；既有系統是三菱的MELSEC-NETⅡ，因此為實現新建系統與既有系統整合，本文提出了采用Modbus總線網絡建立羅克韋爾自動化產品與三菱系統數據通訊的經濟、合理、實用的實現方案。

2 Modbus總線協議

Modbus是 MODICON公司開發的一種工業通信和分布式控制系統協議，作為應用層信息傳送協議，位于OSI第七層，提供連接在不同總線或網絡的設備之間進行Server/Client也即Master/Slave通訊。Modbus網絡屬于一種主從網絡,允許一個主站和一個或多個從站通信，它采用命令/應答方式，主站首先向從站發送通信請求指令，當從站收到發給自己的報文后再根據請求指令中的功能碼向主站發回應答報文，網絡中的每個從站都有自己唯一獨立的地址，主站所發的請求幀和從站所發的應答幀都是以從站地址開頭的，從站只響應發給自己的指令，對以其他從站地址開頭的報文不予理睬，并且對接收到的正確報文予以應答。

Modbus協議支持RTU和ASCII兩種傳輸模式，其中RTU格式由于傳輸效率高被廣為采用。RTU傳輸模式的傳輸格式是8個數據位加2個停止位但沒有奇偶校驗位，在RTU傳輸模式中，1字節的信息作為一個8位字符被發送；而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發送。因此發送同樣的數據時，RTU模式的效率大約是ASCII模式的2倍，一般采用RTU模式。

目前Modbus支持以下傳輸，MODBUS通訊結構如圖1所示。

圖1 Modbus通訊結構

其中包括

①以太網的TCP/IP

②異步串口傳輸

③Modbus+網絡(高速令牌環網絡)

3 MVI56-MCM通訊模塊

MVI56-MCM通訊模塊是Prosoft公司為配合Allen-Bradley公司ControlLogix系列PLC生產的與Modbus協議相匹配的通訊卡，它有兩個串口加一個組態端口，每個串口均支持RS-232，RS-422，RS-

485通信協議，可以通過模塊上的跳線選擇。模塊的兩個串口既可以作為Master，也可以作為Slave。

MVI56-MCM是作為Modbus網絡與AB機架背板之間的網關，異步傳輸，總共提供5000字的寄存器空間與Modbus網絡通訊。通訊模塊所有的數據均存儲在內部自定義的虛擬數據庫里，數據庫定義如下：Modbus虛擬數據表，地址從0到4999，相當于Modbus協議里地址的40001～45000，為用戶數據區域；地址從5000到6999，相當于Modbus協議里地址的45001～47000,為模塊狀態和組態數據區域。

通訊模塊作為Master使用時，通信模塊功能非常強大，內部多達100條命令列表，每條命令均可以對功能碼，數據庫地址，從站地址和要求訪問的字節數進行配置，以形成Modbus協議所需要的命令報文。通信出錯時，模塊可以產生錯誤碼返回給PLC以便進行出錯處理。本模塊支持Modbus協議的絕大部分命令。

MVI56-MCM通訊模塊是插在ControlLogix機架上的，與處理器之間的數據交換是根據模塊的輸入輸出映射表通過背板進行的，如圖2顯示了ControlLogix處理器，通訊模塊，Modbus網絡之間的數據交換過程，相應的數據流圖如圖3所示。

圖2 數據交換過程

在模塊上電后，模塊首先初始化硬件設備，包括初始化ControlLogix背板驅動，測試并且清除所有的RAM，再初始化通訊串口；然后向CPU發送接收組態配置數據的請求，直到接收完所有的組態數據塊；之后再初始化模塊寄存器即虛擬數據庫空間；最后使能選定串口的Master/Slave驅動，之后模塊就開始正常工作，具體包括對選定串口通信管理和CPU單元交換信息。

模塊數據傳輸均是通過Read Block(Input Image)/Write Block(Output Image)來實現的，所有用戶數據均存儲在內部數據庫的0～4999寄存器里。對于Read Block，總共250個字節，但數據僅200個字節，其它還包括錯誤位、狀態和產品等信息；對于Write Block，總共240個字節，但數據僅200個字節。需要特別說明的是，Read Block ID是指針值，提供索引用于存儲數據到ControlLogix；Write Block ID也是指針值，提供索引用于從ControlLogix請求數據。

圖3 數據流圖

4 AJ71UC24-S2通訊模塊

AJ71UC24-S2通訊模塊是為Mitsubishi公司生產的為配合AnA系列CPU而生產的Modbus通訊卡，在Modbus網絡只能作為Slave。其緩存Buffer用于與主站通信的數據交換區域，也就是與CPU單元數據交換區域。其中用戶數據區域地址為44H-DEFH，即總共3500個寄存器空間，該地址為絕對地址可以直接進行數據讀寫操作。由于作為Slave只響應主站發給自己的報文，所以只需要進行通訊設置如波特率、傳輸模式等。

5 羅克韋爾自動化系統與三菱系統的成功整合

為實現新建羅克韋爾焦輸送控制系統與既有三菱系統MELSEC-NETⅡ數據通訊，通過Modbus總線網絡建立起兩套系統通訊，采用新增一套三菱PLC,該PLC通過MELSEC NET II 和既有的高壓盤CDL、集塵控制系統的A2A PLC通訊，同時新增PLC配有MODBUS通訊卡，通過與AB的ControlLogix機架的MODBUS通訊卡建立起Modbus網絡，從而建立起兩套系統之間數據通訊，系統圖結構如圖4所示。因此新建OPS操作站既可以對新建羅克韋爾控制系統控制，也可以對既有的高壓盤CDL、集塵控制系統實現遠程監控。

從系統圖上可以看出，新建焦輸送控制系統采用Allen-Bradley公司的控制網實現控制，AB機架上的MVI56-MCM通訊卡與新增的MELSEC NET的三菱PLC上的AJ71UC24-S2通訊卡建立一個Master/Slave的MODBUS網絡，新增三菱PLC與既有集塵控制系統組成新的MELSEC-NET網絡，這樣新建系統與既有系統可以實現通訊，同樣OPS工作站就可以對集塵控制系統的遠程監控。

圖4 系統結構圖

在本系統中，Prosoft公司的MVI56-MCM通訊模塊作為Master，而三菱公司的AJ71UC24-S2通訊模塊作為Slave，并且通過跳線選擇RS422的接線連接方式。根據現場數據通信要求，通訊配置如下：RTU傳輸模式的效率大約是ASCII模式的2倍，所以采用RTU傳送模式；協議傳輸波特率為9600Kb/s；奇偶校驗位2位，數據位8位，停止位1位；兩通訊卡的通訊設置必須一樣，否則不能進行通訊。

根據Master/Slave通訊方式，MVI56-MCM通訊模塊負責向AJ71UC24-S2通訊模塊發送通訊請求指令，AJ71UC24-S2則負責應答。當MVI56-MCM通訊模塊進行數據讀寫操作時，即相應的功能碼為3、6(單個寫)和16(多個同時寫)。

因此每次最多只能夠讀寫200個數據，通常用戶讀寫數據區域為200的整數倍，以減少模塊計算時間。所有的Modbus網絡中的數據交換將在AJ71UC24-S2通訊模塊的緩存區域與MVI56-MCM通訊模塊的數據庫區域里進行，ControlLogix與三菱處理器再進行二次處理，因此實現了ControlLogix處理器與三菱處理器的數據通訊，從而實現了羅克韋爾系統與三菱系統的數據通訊。

6 結論

焦處理三電系統完善工程新建控制系統通過Modbus網絡實現了與既有系統MELSEC-NETⅡ的整合，既維護了原有系統的完整性，又創造性地改善了原有系統，最大化的節省了投資成本。實踐表明，新老系統結合完好，通信質量良好，整個系統運行平穩，可靠，達到預期效果。

[1]ProSoft公司中國總部技術培訓中心．MVI56-MCM用戶手冊.

[2]AB公司中國總部技術培訓中心． ControlLogix系統培訓手冊.

[3]李喜東,劉波濤,劉剛.Modbus RTU串行通訊協議在工業現場的應用[J].自動化技術與應用,2005(7).

[4]沈繼澤，洪學海．現代計算機接口技術[M]．北京：電子工業出版社，2000.

[5]何東升,金俊文,陳宏．ControlLogix系統在蘭成渝成品油管道的應用——ControlLogix與第三方設備Modbus通訊[J].中國儀器儀表,2011(12).

Application of Modbus Protocol in the Control System of Coking

Yang Di

(Baoshan Iron & Steel Company Ironmaking Plant, Shanghai 200941)

The paper, briefly introduces Baosteel coking project, then in details introduces Modbus protocol, and MVI56-MCM of Prosoft Co., and AJ71UC24-S2 of Mitsubishi Co., and their communication configuration, finally put forward an economical and practical system scheme.

Coking Modbus protocol Control System Communication Configuration

楊迪，男，1972年出生，畢業于華中科技大學電氣自動化專業，學士，工程師，長期從事原料電氣自動化系統的設計與研究工作

TF325.6 TF526.2

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.020

2014-04-13)