一種基于MVI56E-MCM的冗余Modbus通信設計與實現

李志剛，王 偉，楊靈飛，李婷婷，董偉光

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

當前，工業控制逐步實現了自動化程度更加集中的集散控制方式。Modbus作為一種開放的通信協議，已經成為工業領域通信協議的業界標準，并且現在是工業電子設備之間常用的連接方式。在某些大型工業控制系統中，例如石油/天然氣開采運輸、石油化工、發電等為代表的過程工業領域中，由于設備繁復，工藝復雜且造價昂貴，對其中央控制系統與相連的重要子系統之間通信的穩定性要求很高，冗余Modbus通信成為了一種不錯的選擇。

1 項目背景

圖1 通信結構圖Fig.1 Communication structure diagram

海洋油氣田自動化生產控制系統作為海洋油氣田開采的關鍵系統，對油氣開采工藝過程控制及配電安全起到至關重要的作用。

某大型海上油氣平臺中央控制系統采用了Rockwelll品牌的集散控制系統，操作人員可以對平臺設備遠程、集中監控。但有部分大型設備，由于工藝及控制邏輯較為復雜，控制點數較多，為減小其并入中央控制系統所造成的負荷突增，保證各控制系統的可靠運行，因而對這些大型關鍵設備仍采用獨立控制的方式。這樣中央控制系統與這些獨立控制系統的數據通信就變得尤為重要。

本項目采用了冗余的Modbus通信方式，有效地解決了這一問題。該方式結構簡單，成本較低，硬件上只需要在原有控制系統的基礎上，并列安裝兩塊互為冗余的Modbus卡件，更重要的是其可靠性較高。Modbus是一種在工業領域被廣為應用的真正開放、標準的網絡通信協議，有著廣泛的知識資源支持等特點，已經成為一種公認的通用工業標準[1]。而本案所采用的冗余Modbus通信方式將其可靠性成倍增加，保證了平臺上各系統之間的數據傳輸穩定進行。

2 MVI56E-MCM實現冗余Modbus通信的結構配置

Prosoft Technology公司的Modbus通信卡件可以將羅克韋爾的控制器方便地連接到支持Modbus的現場設備，該類插槽類通信卡件支持眾多系統[2]，其中MVI56專門為ControlLogix系列PLC擴展Modbus通訊接口。

本方案提供兩塊MVI56E-MCM卡件作為Modbus主站，分別安裝于該海上油氣平臺中央控制系統中的兩個不同的機架上，每塊MVI56E-MCM卡件的一個端口與第三方設備相連接。圖1為該冗余Modbus通信的結構圖。

MVI56E-MCM是一塊具有Modbus TCP/IP通訊能力的模塊。此模塊在Modbus以太網中既可以作為Server被讀寫數據，同時也可以作為Client來讀寫網絡上其他Server的數據。圖1結構中，兩塊MVI56E-MCM模塊分別位于兩個Logix5000從站機架上，作為Server，形成冗余鏈路，與第三方設備進行Modbus通信。

圖2 MVI56E-MCM工作原理圖Fig.2 MVI56E-MCM schematic diagram

圖3 Genegic 1756 Module參數配置Fig.3 Genegic 1756 Parameter configuration

如圖2所示，模塊的內部有一個用于存儲的數據庫。通過背板，利用模塊的輸入和輸出，這個數據庫和Control Logix處理器中的MCM.WriteData和MCM.ReadData這兩個數組取得同步。對于關系參考圖2。而在模塊的另一側，Modbus TCP/IP的Client驅動可以從外部設備讀取數據放置在內部數據庫中，也可以把內部數據庫的數據發送到外部設備。Server驅動則可以把內部數據庫的數據服務給外部設備來讀寫。利用內部數據庫這個紐帶，Control Logix處理器就可以和外部的Modbus TCP/IP設備取得通信[3]。

3 軟件配置與編程

3.1 RSLogix 5000編程

在Logix5000硬件配置中，相應添加兩塊Genegic 1756 Module，參數設置如圖3所示。

圖4 程序塊導入Fig.4 Block import

新建一個梯形圖程序塊，導入MVI56E-MCM自帶光盤里的文件MVI56EMCM_ADDON_RUNG_V2.8.L5X，如圖4所示。

利用同樣的方法再導入一次該程序塊，用于連接與之冗余的卡件。導入后利用該功能塊自帶結構體變量中的MCM_Cnet01_11.STATUS.Prt1Errs.CmdErr，編輯通信中斷診斷的程序，如圖5所示。

在程序中導入MCM冗余功能塊，如圖6所示。

將圖6功能塊的MCM1與MCM2的相關參數與圖5兩個MCM程序塊參數相匹配。

3.2 通信參數設置

此案例的Modbus通信采用的是串口通信，串口通信主要參數為波特率、數據位、停止位和奇偶校驗[4]。本例中采用波特率為9600，數據位是衡量通信中實際數據位的參數，本例采用8為數據位，停止位為1。奇偶校驗是串口通信中一種簡單的檢錯方式，通過設置校驗位（數據位后面的一位），用一個值確保傳輸的數據有偶個或者奇個邏輯高位，這樣使得接收設備可以知道這個位的狀態。以此推斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數據不同步，本例校驗方式為無校驗。

通信雙方按照計劃好的通信參數來設置，保持了兩邊參數設置一致，如圖7所示。

4 成果與結論

編程調試完畢后，分別在第三方設備以及Modbus主站中模擬寫入一組數據，均可以在對方程序中監視到相關的數據。

按照該方案冗余通信要求，先將其中一塊MCM通信卡件從機架拔出，此時對應該卡件的MCM通信診斷位CEP_MCS_001_Modbus_Er_Bit復位，即該卡件通信斷開，但此時通信雙方設備仍可以通過另一塊卡件相互讀寫數據，并且不會造成通信數據的丟失。從而有效驗證了該方案的冗余特性。

圖5 MCM通信程序塊Fig.5 MCM communication block

圖6 MCM冗余功能塊Fig.6 MCM Redundant function block

圖7 MCM通信參數配置Fig.7 MCM Communication parameter configuration

圖8 Modbus主站寫入數據Fig.8 Modbus master writes data

目前，此方案已在該大型海洋油氣田項目中穩定運行一年有余。據反饋，該通信方案的可靠性較高，再加上其硬件配置的靈活性，相信此方案的應用領域會越來越多。任何一種技術都會有優勢和劣勢，相信隨著技術的不斷進步，冗余Modbus通信應用過程中出現的各種不足和問題都會得以改進和解決。