基于Modbus TCP/IP的PLC-HMI-SCADA系統設計

孟磊，鄒志云，郭宇晴，劉興紅，趙丹丹

(防化研究院，北京 102205)

?

基于Modbus TCP/IP的PLC-HMI-SCADA系統設計

孟磊，鄒志云，郭宇晴，劉興紅，趙丹丹

(防化研究院，北京 102205)

摘要：針對流程工業常用的兼容Modbus協議的智能設備，以一套小型電加熱反應系統為對象，以PLC作控制器，利用觸摸屏設計了界面友好、便于現場操作的人機界面，并設計上位機數據采集與監控(SCADA)系統，各部分通過Modbus TCP/IP協議互聯通信，構成了一套PLC-HMI-SCADA系統，詳細介紹了系統組成及組態設計。實際應用表明，基于Modbus TCP/IP協議通信的PLC-HMI-SCADA系統人機交互方便,便于擴展,通信速度高。

關鍵詞：通信協議 可編程控制器觸摸屏數據采集及監控系統

流程工業控制一般涉及模擬量較多，可靠性要求高，其自動化監控一直是工控領域研究和應用的重點之一，目前應用較多的有PLC及DCS等[1-2]。隨著自動化技術的發展，各種智能儀表和模塊不斷產生，譬如一類典型的支持Modbus協議的智能儀表[3]。筆者以某小型反應系統為例，采用浙江中控新型的一體化PLC U6-200作為控制器，利用昆侖通態觸摸屏和力控監控組態軟件，設計了一套基于Modbus TCP/IP協議高速通信的PLC-HMI-SCADA系統。

1Modbus TCP/IP協議概述

Modbus協議是全球第一個真正用于工業現場的總線協議，自1979年在Modicon公司誕生以來就因其開放、免費、簡單高效的特性而廣泛應用于智能設備間建立基于主從方式的通信連接[3]。Modbus只定義了通信消息的消息結構，與物理層無關，故不管是傳統的RS-232，RS-422，RS-485總線，還是以太網網絡，均可支持Modbus協議。當然，為了能在特定的網絡上傳輸Modbus消息，必須將Modbus消息嵌入到此網絡上使用的幀或包結構中，從而解決在相應網絡上的地址、路由路徑及錯誤檢測等問題。

當Modbus在網絡上通信時，Modbus協議規定必須要知道每個設備的設備地址，并識別按地址發來的消息(只接收廣播地址和本機地址消息)，然后根據消息內容執行相應的操作。如果需要回應，則設備根據Modbus協議生成反饋信息并發送到網絡。Modbus標準幀結構如圖1所示。

圖1　Modbus標準幀結構示意

其中，協議數據單元PDU(protocol data unit)部分為必需的，應用數據單元ADU(application data unit)和PDU的差異部分根據傳輸網絡的不同而差異。幀結構中的代碼域包含1Byte，實質是定義了一系列的Modbus功能碼，當消息從主設備發往從設備時，功能代碼將告知從設備需要執行哪些行為，從設備根據功能碼的指示執行相應的操作。當從設備回應時，使用功能碼來指示是正常還是異常，正常回應時功能碼保持不變。數據域由2個十六進制數集合構成，是各個功能碼的操作數。

Modbus TCP/IP是Modbus與以太網結合的產物，其運行在TCP/IP網絡上，比Modbus串行協議擴展更為方便，傳輸速度更高，伴隨著以太網的發展得到越來越多的關注與應用。一般說來，利用以太網通信的Modbus TCP/IP速率可達100 Mbit/s，而利用串行協議通信的速率只能達到115.2 Kbit/s[3]。所有的Modbus TCP/IP幀都是通過TCP端口502發出。對于Modbus TCP/IP，其幀結構如圖2所示。

圖2　Modbus TCP幀結構示意

圖2中附加地址域采用了7 Byte的MBAP(modbus application protocol header)前綴，包含事務處理標示符(2 Byte)、協議標示符(2 Byte)、后續數據長度(2 Byte)和單元標識符(1 Byte)。幀本身沒有數據校驗域，傳輸數據的準確性用TCP/IP和鏈路層(以太網)校驗的機制來校驗。

在構建基于Modbus TCP/IP的HMI/SCADA系統時，只需相關智能設備支持標準Modbus TCP/IP協議或至少可擴展支持該協議，將其通過路由器、交換機等網絡設備連接至一個網絡中并進行相關網絡配置和設備組態即可。

2系統組成

本文基于Modbus TCP/IP，將控制器與觸摸屏和上位機通過以太網連接，實現了系統的高速通信。硬件上主要由U6-200一體化PLC、昆侖通態嵌入式工控觸摸屏TPC1062K、上位機、PAC15P調壓板、可控硅功率元件、500 W電加熱套、Pt100熱電阻、三口玻璃反應器等組成。整個系統組成如圖3所示。

圖3　小型反應器PLC-HMI-SCADA系統組成示意

其中，一體化PLC作為控制器，其結構緊湊、功能強大，機身帶有16路AI/8路AO，24路DI/16路DO及4路PI(頻率通道)，可以方便實現對模擬量、數字量的采集與控制，無須額外擴展模塊即可完成過程現場多種控制任務。觸摸屏作為人機交互界面，實現人與PLC的動態交互，可以方便在現場監控反應系統當前狀態、設置PID參數、啟動/取消自整定功能、設定控制溫度、觀察實時/歷史趨勢、報警等。上位機在初始階段完成對PLC和觸摸屏組態，運行階段則利用SCADA系統，在上位機中實現過程的數據采集與監控。

該HMI/SCADA系統的設計基于實驗室小型電加熱反應系統[4]。該系統通過Pt100熱電阻作為測量反饋環節，測得反應器的過程變量當前值并直接送入PLC；調壓板、可控硅與電加熱套作為執行器，接受控制器的4～20mA電流輸出而相應調整電加熱套的加熱電壓，進而影響被控反應器的溫度變量；小型三口玻璃反應器是系統的被控對象，其內部溫度為被控的過程變量。

3PLC-HMI-SCADA系統設計

3.1PLC組態

U6-200一體化PLC機身帶有2個RS-232C串口和1個以太網接口等多種通信接口，其內部集成Modbus模塊，可通過以太網接口支持Modbus TCP/IP協議，與處在網絡中的其他Modbus智能設備高速通信。本文將該PLC通過以太網口連接至路由器并配置其IP地址為192.168.1.2，設備地址為6，默認為從機模式。由于PLC的數據類型和支持的功能碼在與HMI/SCADA通信時起到重要的作用，PLC涉及的數據類型見表1所列，支持的功能碼見表2所列。

表1U6-200 PLC的數據類型

類 型說 明布爾型1位寄存器(整型)16位浮點型32位

表2U6-200 PLC支持的Modbus功能碼

功 能 碼功 能01讀一個/一組布爾量03讀一個/一組寄存器05寫一個布爾量06寫一個寄存器15寫一個/一組布爾量16寫一個/一組寄存器

U6-200 PLC不同于傳統PLC，需要編制繁雜的梯形圖或指令表程序，它只需通過上位機組態軟件Inscan MCS組態并通過Modbus TCP網絡下載編譯好的組態文件或通過配套的調試屏就地組態。該項目中使用AI01采集Pt100熱電阻的輸入，PID01控制回路接受AI01測量值作為反饋，設定值通過上位機或HMI按需設置，采用數字PID算法，集成了基于繼電反饋算法的自動整定功能[5]，組態后可通過上位機或HMI直接調用。AO01將PID01運算結果以4～20mA標準信號輸出至可控硅調壓板。

3.2觸摸屏組態

該項目利用國內昆侖通態嵌入式工控觸摸屏設計人機界面，利用其取代傳統的按鈕控制系統或文本操作界面來設計HMI，人機交互更友好[6-7]。使用MCGS嵌入式組態軟件對觸摸屏進行組態，該軟件體積小且對硬件用戶免費。與其他同類產品相比，其開放性更好，靈活性和性價比更高，具有圖形界面設計管理、動畫、實時/歷史曲線、報表、報警等強大的組態功能。

在對觸摸屏組態時，首先在設備窗口中定義設備屬性并設置IP地址通信端口等相關參數。MCGS把設備分為2個層次： 父設備和子設備。父設備與硬件接口相對應，子設備放在父設備下，用于與該父設備對應的借口所連接的設備通信，需在子設備中將參數調整為與父設備一致。然后定義設備通道用于與PLC的通信： 如AI01通道、AI01報警通道(含AI01.HH，AI01.Hi，AI01.Lo，AI01.LL)、AO01通道等。定義通道時在PLC說明書中查出通道的物理地址、數據類型、讀寫屬性和支持功能碼，在MCGS中正確設置即可。對設備組態并定義好設備通道后，觸摸屏與PLC即可通過Modbus TCP協議高速通信。最后可在用戶窗口中組態人機界面，如動畫設置、實時趨勢曲線顯示等。

3.3上位機組態

上位機中采用力控7.0監控組態軟件設計SCADA系統。該軟件是對現場生產數據進行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態方式”而不是編程方式來進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，比如在分布式網絡應用中，所有應用(例如趨勢曲線、報警等)對遠程數據的引用方法與引用本地數據完全相同，通過“組態”的方式可以大幅縮短系統集成的時間，提高集成效率[8-10]。

該部分設計實現思路同用MCGS嵌入版組態觸摸屏時類似。根據定義好的通道詳情，在數據庫中定義模擬I/O點和數字I/O點，其中布爾型的通道在此定義為數字點，其余的為模擬點。

IO設備及數據庫組態好后，上位機與PLC即可通過Modbus TCP協議高速通信。最后可在窗口中組態動畫設置、實時趨勢曲線顯示等即可。

4結束語

實踐證明，應用Modbus TCP/IP協議設計的一體化PLC-HMI-SCADA系統，各個智能設備間通過以太網實現了高速通信，系統運行良好。在控制層利用PLC實現了對設備層小型反應系統的有效控制，且該新型PLC無需編程、組態方便；在MCGS嵌入版中為昆侖通態嵌入式一體化觸摸屏設計的HMI界面友好，在現場即可實現對反應系統的有效監控，其參數設置、自整定啟動/停止等均可脫離上位機完全在現場操作實現；在監控層利用力控7.0監控組態軟件設計上位機SCADA系統，通過Modbus TCP/IP可與控制層的設備高速通信，實現對設備層和控制層的有效監控。

參考文獻：

[1]王家國，田芮. 基于Modbus總線協議的工業鍋爐監控系統設計[J].自動化技術與應用，2012，31(11)： 53-57.

[2]SANGEETHA A L, NAVEENKUMAR B, GANESH A B, et al. Experimental Validation of PID Based Cascade Control System’ through SCADA-PLC-OPC and Internet Architectures[J]. Measurement，2012(45)： 643-649.

[3]華镕.從Modbus到透明就緒—施耐德電氣工業網絡的協議、設計、安裝和應用[M].北京： 機械工業出版社，2009.

[4]于蒙，鄒志云，趙丹丹，等.小型電加熱反應器溫度的RBF神經網絡自整定PID控制[J].石油化工自動化，2012，48(06)： 31-35.

[5]陳卓.基于U6-200一體化PLC的分布式自動配料系統的研究[J].控制工程，2014，21(增刊1)： 104-106.

[6]竇小明，黃曉偉.MCGS觸摸屏與多臺匯川變頻器的Modbus通訊設計與實踐[J].自動化技術與應用，2012，31(11)： 53-57.

[7]黎志剛，王俊元，劉波.基于MCGS的SMC電動執行器控制方法研究[J].制造業自動化，2014，36(07)： 16-40.

[8]徐麗，萬朵，王健.基于PLC與力控6.0的調速管水冷監控系統設計[J].化工自動化及儀表，2013，40(06)： 807-809.

[9]畢健，高世陽，何澤，等.PLC和組態軟件在氣源總站監控系統中的應用[J].自動化儀表，2014，35(增刊1)： 67-72.

[10]趙黎明，張冰.電機群網絡管控一體化PLC-SCADA設計與應用[J].工業儀表與自動化裝置，2012(03)： 22-26.

Design of PLC-HMI-SCADA System Based on Modbus TCP/IP

Meng Lei, Zou Zhiyun, Guo Yuqing, Liu Xinghong, Zhao Dandan

(Research Institute of Chemical Defense, Beijing, 102205, China)

Abstracts： Aiming at intelligent devices with compatible Modbus protocol frequently-used in process industry, the human-computer interface with friendly interface and convenient on-site operation is designed with touch screen with PLC as controller and one small set of electrical heating reaction system as object. The upper computer supervisory control and data acquisition is also designed with interconnect communication among each section through Modbus TCP/IP protocol to construct one set of PLC-HMI-SCADA system. The system composition and configuration design are introduced in detail. Practical application results indicate the human-computer interaction is convenient for Modbud TCP/IP protocol based PLC-HMI-SCADA system with easy extension and high communication speed.

Key words：Communication protocol; programmable logic controller; touch screen; supervisory control and data acquisition

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0040-03

作者簡介：孟磊(1990—)，男，河南開封人，2013年畢業于西安交通大學自動化專業，現為防化研究院在讀碩士研究生，主要從事過程控制方面的研究。

稿件收到日期： 2015-06-05，修改稿收到日期： 2015-09-28。