ModBus通訊協議在艾默生Deltav中控DCS系統與虹潤智能儀表通訊中的應用

王大安

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

ModBus通訊協議在艾默生Deltav中控DCS系統與虹潤智能儀表通訊中的應用

王大安

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

自1979年Modicon公司制定Modbus通訊協議以來，其已經成為工控領域廣泛應用的工業現場總線協議。通過該協議可以實現兩個不同設備、控制系統之間的信息數據采集、交換，甚至可以擴展組成工業控制網絡。從注水泵溫度監控的實際應用出發，介紹了ModBus通訊協議在海上平臺艾默生Deltav中控DCS系統串口通訊卡與虹潤智能顯示儀表通訊的設計、應用及具體實施方法。通過艾默生Deltav中控DCS系統簡潔的通訊組態實現了注水泵溫度監控參數遠傳顯示、實時顯示、歷史記錄功能。

ModBus通訊協議 串口通訊卡 智能數字顯示儀

0 引 言

海上平臺注水泵監控系統，其保護儀表由注水泵前后軸承、電機前后軸承、電機三相繞組溫度顯示儀和注水泵前后軸承振動檢測儀組成。由于設備投用時期采用的監控系統為傳統繼電器控制系統，原選型設計的溫度顯示儀表不具備數據遠傳功能。當設備溫度達到報警值時，輸出一個開關量信號至繼電器控制系統，繼電器控制系統輸出一個綜合報警信號至艾默生Deltav中控DCS系統并在上位機上報警。維護人員只能依據接收到的距離報警時間最近的人工點檢記錄數據進行分析，缺乏溫度歷史趨勢變化數據，不利于故障分析的處理工作。

為了更好地掌握注水泵實時和歷史運轉工況，更科學、方便地對出現的故障進行分析處理，根據平臺現有的艾默生Deltav中控DCS系統中已經應用的ModBus通訊功能，選用虹潤精密儀器有限公司HR系列智能溫度數字顯示儀表進行替代改造。從溫度數字顯示儀表自帶串行通信接口作為ModBus從站，艾默生DELTAV中控DCS系統作為ModBus主站，通過簡潔的通訊配置實現了兩者之間穩定、流暢的數據傳輸。將采集到的注水泵各項溫度監控參數進行上位機組態，增加實時畫面監控、溫度高限報警、實時趨勢、歷史趨勢記錄等功能。

1 智能數字顯示儀簡介

1.1 智能數字顯示儀特點

虹潤HR-WP系列智能數字顯示儀支持毫安、毫伏、熱電阻等多種信號輸入，兩組高低報警觸點輸出。支持顯示量程、報警值、報警方式、變送輸出范圍等配置參數在線修改，無需斷電重啟。采用數字化校準技術、無電位器等可調部件，具有熱電偶冷端溫度及熱電阻引線電阻自動補償功能。[1]具備的DC24V饋電功能可對外接的二、三線制變送器提供電源。[1]具備RS232、RS485異步串口通訊功能，采用標準ModBus協議與其他系統進行通訊連接，可擴展構成多路數據采集及控制系統。根據原溫控儀安裝尺寸和保護功能，此次改造選用HR-WP-XC703-8型號智能數字顯示儀(見圖1)。

圖1 XC703智能數顯示儀接線圖Fig.1 Wiring diagram of XC703 smart digital display

1.2 智能數字顯示儀通訊協議

智能數字顯示儀內嵌標準ModBus-RTU從站通訊協議，即由其他DCS、PLC等系統配備的串行通訊卡或接口作為主站進行信息管理交換，且只能由主站發起信息查詢。主站根據起始設置的從站站號地址依次對從站進行輪流查詢。智能數字顯示儀從站地址設定在1～247之間，當多個智能數字顯示儀聯合組網時，每個從站地址必須唯一。在主站發起信息查詢時，只有當從站地址與主站需要查詢的地址相匹配，智能數字顯示儀從站才能回復數據信息，而智能數字顯示儀從站之間不能進行相互通信。智能數字顯示儀數據寄存器有讀(03H)、寫(10,H)兩種十六進制數格式，本文涉及的應用只進行溫度數據采集，所以只進行讀寄存器操作。數據以二進制代碼傳輸，校驗采用CRC循環冗余校驗(見表1、2)。

智能數字顯示儀配有RS-485/RS-232兩種異步串行通訊接口，接口設置為一位起始位、八位數據位、無奇偶校驗、一位停止位。用戶根據需要可以在2,400～9,600,bps之間進行波特率選擇設置。

表1 寄存器楨[1]Tab.1 Read frames from the register[1]

表2 讀寄存器返回楨[1]Tab.2 Read return frames from the register[1]

表1、2中一次連續讀取的寄存器N的最大值為24，通信傳輸中帶小數點的數據全部用整數代替，通訊協議中數據格式都為雙字節有符號整型變量。由于在數據傳輸過程中寄存器數據采用十六進制數傳輸，所以數據分高低字節傳輸，先傳高字節，再傳低字節。智能數字顯示儀作為從站可以供主站查詢的地址數據有儀表類型、測量顯示值、報警值等多種數據，地址依次為40001至40036，本次應用作顯示用，取4002測量顯示值。

2 串口通訊卡

艾默生Deltav中控DCS系統串口通訊卡基于Deltav背板通訊技術，為卡槽式安裝，串口通訊卡的安裝位置由用戶自由分配，配以專用的RS232、RS422/485串口通訊卡接線端子底座。串口通訊卡安裝在底槽后，可以使用Deltav上位機軟件Auto-Sensing自動檢測功能來識別。每塊串口通訊卡有兩個通訊口，通訊口需要激活才能使用。每個通訊口的底座上有16個接線端子。根據卡件支持的RS232、RS422/485半雙工或RS422/485全雙工信號3種異步串行通訊方式不同，接線端子的組合使用也不同。其中RS232通訊方式最多支持15,m數據傳輸，RS422/485通訊方式最多支持610,m數據傳輸。由于注水泵控制盤安裝位置距離中控室有200,m遠，兩個系統之間的硬件連接選用抗干擾好、傳輸距離遠、有較大級聯能力、非常適合組成現場多級通信的RS485通訊方式(見表3)。

表3 串口卡接線端子圖Tab.3 Terminals of serial port card

3 中控系統組態

3.1 通訊卡串口組態

艾默生Deltav中控DCS系統中的ModBus通訊組態已經按照標準通訊協議進行內核封裝，封裝編輯后的組態界面簡單明了。串口組態按照組態界面包含主、從站兩種設置，RTU或ASII兩種模式，波特率在300～115,200,bps范圍內可選擇。校驗位提供奇校驗、偶校驗、無校驗3種方式進行選擇，七位、八位數據位，一位、二位停止位。[2]具體操作進行下拉菜單選擇即可(見圖2)。

圖2 通訊協議設置圖Fig.2 Setup diagram of the communication protocol

具體組態信息按照智能數字顯示儀從站的通訊參數進行匹配組態。此次應用智能數字顯示儀為從站，中控DCS系統串口通訊卡為主站(master)，RTU模式，RS422/485半雙工通訊方式，波特率設置為19,200 bps，無奇偶校驗，八位數據位，一位停止位(見圖3)。

圖3 通訊參數設置圖Fig.3 Setup diagram of communication parameters

3.2 ModBus協議組態

串口通訊組態完成后，繼續進行從站地址設定組態。系統提供1～255個地址設定，coil和input register、holding register 等幾種格式數據功能代碼設定。采用布爾、8位、16位、32位整形變量(有符號/無符號)、浮點、字符串等幾種變量類型。數據讀取起始地址，地址讀取長度可以自由設定。由于每臺泵共有前后軸承、電機前后軸承、電機三相繞組等7個溫度監控信號，現場流程安裝2臺注水泵，共需要14塊智能數字顯示儀，需要建立1～14個從站地址模塊。每個模塊功能代碼均采用03,H(holding register)，起始地址均從40001開始，地址讀取長度為2(見圖4)。

圖4 讀取從站設置圖Fig.4 Setup diagram of reading slave station

組態完成后需要進行下裝才可以使用。之后通過Deltav系統自帶的診斷功能對兩個設備的通訊情況進行功能測試。診斷信息包括串口工作狀態、完整性、固件版本、軟件版本、串口卡通訊模式、產品系列號等軟硬件信息。當通訊出現故障時，會出現“BAD!”感嘆號提示。常見通訊故障包括波特率等個別通訊參數設置不匹配，RS-485信號線“＋、－”接反，地址讀取長度超出范圍，數據高低字節反置等情況(見圖5)。

4 智能數字顯儀設置

根據每臺泵前后軸承、電機前后軸承、電機三相繞組等7個溫度監控信號分別設置各個智能數字顯示儀的報警值、停機值、探頭輸入信號類型(RTD)、從站地址、波特率、數據位、停止位等參數(見圖5)。

圖5 通訊診斷圖Fig.5 Diagnostic diagram of communication status

5 方案實施

根據原控制盤溫度顯示儀的安裝尺寸，選用合適的虹潤智能數字顯儀進行更換，連接好電源、RTD溫度傳感器接線、報警和停機信號線。在智能數字顯示儀上電后進行報警值、停機值、探頭輸入信號類型、從站地址、波特率等參數的設定核對工作。敷設現場注水泵控制盤到中控室標準鎧裝，屏蔽RS485數據線，按＋、－連接接線端子，做好屏蔽接地。在中控室與現場逐一對采集溫度顯示值進行校對(見圖6)。

6 總 結

通過選用帶通訊遠傳功能的數顯儀改造后的注水泵溫度監控系統，[3]不但滿足現場溫度監視邏輯控制要求，而且增加了遠傳中控顯示、實時報警、歷史趨勢記錄功能，極大地方便了操作人員對注水泵的運行監控和維修人員對故障的分析、排查，對生產設備智能化、數字化和現代化的發展具有非常積極的意義。■

圖6 儀表聯網圖Fig.6 Networking diagram of instruments

［1］ HR-WP系列智能數字(光柱)單路顯示儀說明書[Z].

［2］ Deltav Books Online 8. 4 CN [Z].

［3］ 施玉書，朱若谷. 數顯儀特征部分的誤差分析[J]. 中國計量學院學報，2007(2)：108-113.

Application of ModBus Communication Protocol in the Communication Between Emerson Deltav DCS Control System and HongRun Intelligence Instrument

WANG Da’an
(CNOOC Ltd-Tianjin，Tianjin 300452，China)

Modbus communication protocol，developed by Modicon in 1979，has become awidely used bus protocol in industrial control field．Through the protocol，data collection and exchange between different equipment and control system can be realized，and this connection can even be extended to industrial control network．From the angle of practical application on water injection pump temperature monitoring，this paper introduces the design as well as the application and specific implementation method of Modbus communication protocol in the communication between Emerson DeltaV DCS control system serial communication card and HongRun intelligent display instrument on offshore platforms．Through the simple communication configuration in Emerson Deltav DCS control system，functions of remote and real-time display of temperature parameters and history record have been realized for water injection pumps.

ModBus communication protocol；serial communication card；intelligent digital display instrument

TH692.2

A

1006-8945(2016)03-0058-04

2016-01-26