淺談海上油氣平臺控制系統Modbus通信兼容性問題

王穎杰

摘要：隨著科技的不斷發展，控制系統在海上油氣平臺中的應用日益廣泛。而控制系統的通信方式變得越來越多樣化和復雜化。其中，Modbus通信協議被廣泛應用于海上油氣平臺控制系統中。然而，在使用Modbus通信協議時，兼容性問題時常出現。基于此，本文將對Modbus通信兼容性問題進行分析和解決，以提高海上油氣平臺控制系統的穩定性和可靠性，保障生產安全。

關鍵詞：海上油氣平臺；控制系統；Modbus通信；系統兼容性

海上油氣平臺作為油氣勘探和開發的主要場所，其控制系統的穩定性和可靠性對保障生產安全至關重要。而Modbus通信協議作為一種常用的控制系統通信方式，其兼容性問題也給海上油氣平臺控制系統帶來了一定的挑戰。本文從海上油氣平臺控制系統的概念及特點、Modbus通信協議簡介、Modbus通信兼容性問題導致海上油氣平臺計量系統故障的原因分析與解決方案等方面展開討論。

一、海上油氣平臺控制系統

（一）海上油氣平臺控制系統的概念及特點

一般而言，海上油氣平臺的中控系統是基于DCS/SIS技術發展而來的控制系統。其中，中控系統按照功能劃分，可分為ESD（緊急關斷系統）、F&G（火災與可燃氣泄漏系統）、PCS（生產流程控制系統）。ESD和F&G系統因執行的是應急處置程序，根據海上油氣平臺生產流程風險等級的劃分，一般ESD和F&G系統符合SIL3認證的安全儀表控制產品搭建，而PCS系統一般采用SIL2認證的控制產品搭建。

海上油氣平臺控制系統的特點在于其工作環境的復雜性和高度的安全可靠性要求。由于海上環境的特殊性，控制系統需要承受大氣壓、高濕度、鹽霧腐蝕、大風浪、海洋生物侵蝕等復雜環境的考驗。在控制系統的設計和應用上要符合防水、防腐、抗震、防雷等方面的特殊要求。同時，海上油氣平臺控制系統必須具有高度的安全可靠性，保證在緊急情況下快速響應、控制和處理各種危險事故。

（二）海上油氣平臺控制系統的組成結構和工作流程

海上油氣平臺控制系統的組成結構主要包括控制器、傳感器、執行器、通信網絡、計算機等。其中，控制器是整個控制系統的核心，負責控制和監測平臺上的各種設備和工藝。傳感器主要用于檢測和采集海上油氣平臺上的各種參數和信號，如溫度、壓力、流量等。執行器用于控制各種機械和設備的運行狀態，如泵、閥門、管道等。通信網絡承擔著傳輸和交換各種信號、數據和指令的功能。計算機作為整個控制系統的數據處理和顯示中心，負責實時監測和監控設備和工藝，并提供各種控制算法和模型。

海上油氣平臺控制系統的工作流程分為數據采集、數據傳輸、數據處理和控制執行四個主要步驟。數據采集是指利用傳感器采集各種參數和信號的過程，如溫度、壓力、流量等。數據傳輸是指將采集到的數據通過通信網絡傳輸到計算機中進行處理和分析。數據處理是指利用計算機對傳輸的數據處理、分析、計算和決策，生成相應的控制指令和信號?？刂茍绦惺侵咐脠绦衅骺刂葡鄳脑O備和工藝的運行狀態，以達到期望的控制目標。

在海上油氣平臺控制系統中，各個組成部分之間進行數據的交互和控制指令的傳遞。這就需要一種可靠、高效的通信協議實現數據交換和控制指令的傳輸。其中，Modbus通信協議作為常用的工業自動化通信協議，被廣泛應用于海上油氣平臺控制系統中。但是，由于各個設備和工藝的廠商和型號不同，以及Modbus通信協議的局限性，可能會導致海上油氣平臺控制系統中出現Modbus通信兼容性問題。

二、Modbus通信協議簡介

（一）Modbus通信協議的工作原理和特點

Modbus串口通信協議是M-S模式的半雙工通信協議。作為總站的Master在通信系統內只有一個，所有的通信需求均由主站發出。從站Slave可以不止一個。理論上，單個通信網絡中最多可以有255個從站。在通常情況下，主站只與1臺從設備通信，但當主設備發出的地址碼為0時（即采用廣播方式時），可以將消息發給所有的從設備。在正常通信過程中，主站按照協議規定的代碼發出數據包。數據包中信息包括需求地從站地址、功能碼、需要讀/寫數據的地址、錯誤校驗、結束結構。從站通過識別數據包中的從站地址確認主站是否需要自身數據，隨后將相應的數據發送給主站或寫入主站發送過來的數據，這樣通信系統就完成了整個通信流程。需要注意的是，通信是至少2個以上系統間信息的交互，其通信設置需要在兩系統間同時進行匹配性設置，才能順利開展通信，否則系統之間將出現通迅兼容性問題。

（二） Modbus通信協議的應用

中控系統的三部分往往采用相同品牌的控制產品進行一體化搭建，三個系統之間、系統與上位機系統間采用相同品牌控制產品內部通信協議進行交互。而針對外部設備（外部設備是指一體化中控系統之外的控制設備，如空壓機聯控系統、制氮機系統、可尋址火氣系統等）而言，一般是通過通信形式與中控系統進行交互。目前，海上油氣設施應用的通信形式有Profibus總線、FF總線、CAN總線、HART協議、Modbus協議等。其中，Modbus串口通信協議由于廣泛的應用、低廉的價格、公開發表并且無版權要求、易于部署和維護、對供應商來說修改移動本地的比特或字節沒有限制，偵錯能力強、數據傳輸量大、實時性好，成為海上油氣設施通信的主流形式之一。

三、海上油氣平臺計量系統故障的原因分析與解決方案

下面將以兩種因Modbus通信兼容性問題造成的通信故障進行分析。

（一）周期性寫入導致的通信不兼容

某控制產品搭建的PCS系統在工程中與現場的計量設備進行通信，中控系統進行組態后初步與現場計量設備完成通信，但始終無法正常使用。該計量設備采用單片機控制單元，作為從站與PCS系統通信。正常的通信流程為，PCS系統通過通信對特定寄存器寫入整數1（INT型變量），計量系統特定寄存器寫入成功后開展吹掃作業；20分鐘后吹掃結束，PCS系統寫入整數3，開始計量，計量時間（可通過PCS進行調節）結束后表征計量系統工作狀態的特定寄存器地址自動設置為0（0代表系統處于停止狀態）。

系統組態完成后，現場工程師發現計量系統無法通過PCS與計量系統的通信完成預定功能。經過反復測試，現場出現的故障狀態為系統經過吹掃完成后，反復出現重新開始計量的情況。根據現場反復排查，現場工程師發現是通信系統的兼容性出現了問題。搭建PCS系統的控制產品，其Modbus通信協議下，其讀寫命令是周期性執行的，也就是在每個定義周期下，都會對從站進行輪詢讀寫；而計量系統的Modbus通信，其控制計量開始的狀態位，并沒有在開始計量后就保護起來不允許寫入的設置。這種不兼容的情況導致吹掃完成開始計量時，PCS在每個通信周期內都會對計量開始狀態位賦值，而每次賦值都會導致計量重新開始。

發現故障后，雙方工程師針對現場故障開展了一系列測試。計量系統的工程師使用其功能測試工具進行系統測試，發現計量系統的通信正常，通過內部上位機和串口調試工具均順利完成預定功能；中控PCS工程師針對中控系統進行內部測試，發現周期內讀寫命令正常。但這樣是無法解決系統之間故障的，經過反復測試，在最終確認周期性寫入命令是導致系統無法正常運行的最終原因后，中控PCS工程師發現該控制產品不具備Modbus寫入變位使能的功能（因其不是標準Modbus的功能要求）。后續經過反復磋商，最終計量系統通過新增空白控制命令狀態位（如定義該狀態位為5時，系統不進行任何操作），同時PCS程序在寫入開始計量命令后立刻變為空白命令，以防止重復下發開始計量命令，故障順利解決。

（二）數據長度不一致導致的通信不兼容

某海上油氣平臺中控系統改造中采用品牌中控系統搭建全新的中控系統。該平臺處于海上油田群（圖1）中，且承擔海上油氣生產的作用。由于海上油氣運輸依靠預埋設的海底管線，且油田群中的各平臺是依次接入到海底管線中的，因此各平臺的生產流程直接關系到上下游平臺的正常生產，各平臺通過Modbus-TCP協議將重要的關斷信號傳輸至中心設施以統一協調。中控系統改造完成后，通過通信網絡建立Modbus-TCP協議建立關斷通信的工作遲遲不能完成。

由于海上油氣生產所處環境的特殊性，其遠距離通信存在諸多限制條件，一般較遠距離的通信應用海底管線附屬的光纜或微波進行通信。其關斷Modbus-TCP通信網絡的通信依托該區域已建立的MESH網絡，而MESH網絡則通過中心（即FPSO）和各生產平臺之間的微波進行通信。由于網絡系統結構復雜，中間經過的網絡設備很多，故障原因很難判斷?，F場工程師先是在平臺中控系統交換機處用電腦通過串口調試工具對Modbus-TCP從站設置進行檢驗，確定了從站接收命令和發送數據正常；隨后在通信鏈路上的MESH網絡接口上進行通信測試，發現平臺與中心設施的通信也正常；然后在通信網絡上的各級交換機處均進行系統測試，發現通信網絡均可以正常通信。最終經過串口調試工具的多次測試，發現中心設施的主站經通信網絡到平臺中控發送端的網絡正常；平臺地從站經過通信網絡到中心設施的中控系統主站發送端也是正常的。這就代表唯一可能的通信故障原因是系統之間的數據對應出現了問題。

由于關斷系統采用的是SIL3認證的控制產品搭建的，其中控串口通信數據需要在系統內進行定義。經過定義的通信數據放置于特殊的數據緩存區，并在需要時開放外部訪問該數據緩存區的訪問權限。經過反復的測試與試驗，最終工程師確認現場的故障原因為主站訪問數據緩存區失敗。但通過串口調試工具的測試，發現數據緩存區的訪問是正常的。最終，通過對兩側通信程序的核對，發現主站的數據讀取需求為讀取20個整數（INT型變量），而從站在數據緩存區僅僅放置了15個整數（INT型變量），緩存區數據不足以使主站完成所有數據讀取，出于安全儀表系統設計的要求，系統拒絕了主站的訪問需求。隨后通過修改從站緩存數據量，最終完成數據通信。

（三） Modbus通信中的注意事項

Modbus通信協議由其結構決定，主要的兼容性問題往往是通信的雙方之間并未就數據信息達成一致造成的。

Modbu通信協議下，主要需要關注的內容包括：

1.通信的基礎數據。如數據長度、從站地址、波特率、有無奇偶校驗、有無停止位等，這些數據是建立通信的基礎數據。

2.通信的功能碼。功能碼決定了主站從車站讀取的數據存儲區域，讀取的數據長度等信息。

3.數據的對應關系。數據的對應關系決定了如何應用通信程序編寫，進而通過讀寫寄存器等最終完成控制邏輯。在實際工程中，因數據的對應關系和使用不當造成的通信不兼容現象比比皆是。

對于大部分工程項目而言，數據的長度并不需要主從站讀寫數據長度完全一致。但系統內的從站數據應稍多于主站要求數據，這樣數據讀寫才能順利開展。尤其是當系統內存在安全儀表系統時，數據長度應當重點關注。

四、結語

綜上所述，控制系統在海上油氣平臺中的作用及重要性不言而喻。而Modbus通信協議的應用也是不可避免的。然而，由于兼容性問題，Modbus通信協議在海上油氣平臺控制系統中的應用也不是完全順利的。本文通過實際案例分析，為控制系統運維人員提供了一定的參考和幫助。只有不斷加強技術學習和掌握Modbus通信協議的使用方法，才能更好地維護和管理海上油氣平臺控制系統，確保生產和安全。

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