Modbus在和利时DCS与西门子PLC通讯中的应用

赵连彬，刘 伟

(1.杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州310018；2.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺113001)

Modbus在和利时DCS与西门子PLC通讯中的应用

赵连彬1，刘 伟2

(1.杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州310018；2.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺113001)

针对和利时DCS与西门子PLC系统间无法直接交互数据。以内蒙古通辽热电厂脱硫项目为例，采用Modbus通讯协议实现和利时DCS与西门子PLC 系统之间的通讯。通过构建系统网络架构，硬件配置，软件组态来实现Modbus通讯。结果表明，该控制系统稳定可靠，电厂生产过程自动化水平进一步提高。

和利时DCS-MACS；Modbus；通讯；组态；自动化

Modbus协议是一种广泛应用于工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议，控制器相互之间或控制器经由网络(如以太网)可以和其它设备之间进行通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如PLC可编程控制器等。Modbus通讯物理接口可以选用串口(包括RS232和RS485)，也可以选择以太网口[1-3]。其通信遵循以下的过程：主设备向从设备发送请求，从设备分析并处理主设备的请求，然后向主设备发送结果，如果出现任何差错，从设备将返回一个异常功能码。

Modbus协议工业是一通用标准[4-5]。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而无论它们是经过何种网络进行通信的。当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

Modbus协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备，通讯方式包括Modbus RTU及Modbus ASCII两种。串口通讯注重的的是通讯中的物理接口方式，比如RS232、RS485等的接口是9针或者25针，串口的电气特性决定了通讯距离、传输速度等。以太网通讯即Ethernet的音译，范围广泛，包括各种标准的通讯协议，比工业控制中的通讯更高一级。

1 系统配置

1.1 和利时DCS网络结构

通辽热电厂脱硫项目采用和利时公司K系列硬件及MACS V6.5.2火电版软件。该项目共计5个控制站，10台操作站，一台工程师站。工程师站与操作员站，各级网络通讯设备、控制器、存储器、电源等支持1：1冗余。主控制器支持Profibus-DP现场总线功能，所有卡件都支持带电插拔和更换功能。各输入输出通道间、电源间相互隔离，各点的巡检、扫描周期<1 s，SOE分辨率为1 ms，鼠标到操作员站响应时间<1 s，各系统组态软件具备在线修改和无扰下装组态数据的功能。系统网络架构如图1所示。

图1 系统网络架构

MACS V是集成在HOLLiAS中的分布式控制系统[6-7]，它是HOLLiAS的基础子系统，所有的现场数据都来自于这里。MACS采用“平台+应用开发”的软件架构”，平台软件负责采集和处理数据并提供各种接口和服务，再根据不同行业的特殊需求定制开发应用界面、算法库、符号库等组件，各版本共用一个平台。

MACS V支持OPC协议和Modbus协议，来与第三方系统连接。上位机通过和利时自主开发的工业以太网协议与下位机传递数据。下位机通讯采用Profibus-DP总线，同时支持HART总线。

MACS V6.5.2具有强大而多样的功能，包括：控制调节、数据采集、报警、趋势查询、总貌图、模拟流程图、日志管理、表格管理、数据一览、报表和打印、事件顺序记录、显示管理、人机对话、系统故障诊断及故障监视、操作员在线参数设定、系统组态、存档数据的离线查询、控制回路、控制分组等。

该项目采用冗余双层网络，分为3层网路结构。其分别是:(1)监测控制层MNET，这一层主要包括操作员站、工程师站、历史站、交换机等，它通过一个TCP/IP协议的冗余以太网与下层进行通信，将经过处理的现场采集数据显示给用户，并将用户的操作指令传递给下层。各个设备(包括OPS，ES，CMS，HIS和打印机等)通过一组交换机连成网络。重要设备，例如历史站、交换机等均冗余配置，以保证系统通讯的可靠性；(2)系统服务层SNET，由100 M高速冗余网络构成，用于系统历史站与操作员站、工程师站、控制器、通讯站、网络打印机的连接，完成整个系统的数据监视，并对操作员的各种操作请求做出响应，如图形切换、数据显示、趋势显示、报表打印、屏幕拷贝、表格日志查询等；(3)现场控制层CNET，这一层主要包括FCS、I/O模块等，FCS通过DP总线与I/O设备进行通信，I/O设备将采集数据传输给控制站中的MCU，由它按照预先下装的算法处理数据并将需要显示的数据传递给监测控制层，从上层来的以及FCS生成的指令也将被传递给现场执行器。

1.2 西门子PLC网络

西门子S7-315PLC中，CPU模块支持Modbus协议通讯[8-10]，需要配置西门子Modbus协议专用模块CP341和硬件狗，这样和利时DCS系统与西门子S7-315PLC之间通讯就具备了条件。采用Modbus主从站方式，将西门子S7-315PLC作为Modbus从站连接到和利时DCS上，从而实现两套控制系统通讯。

2 物理连接

两套自动化系统之间的通讯传输采用RS485双绞线连接，其中PLC侧需要将双绞线连接到串行通讯卡CP341的25针D型接头，和利时DCS侧将双绞线连接到通讯模块底座K-PAT01底座[11-13]，确保双绞线接线时的极性，避免接反，否则通讯无法成功。

和利时DCS侧需要配置K-MOD01模块。K-MOD01模块为K系列DCS系统中Profibus-DP/Modbus网桥通讯模块，支持Profibus-DP总线协议与Modbus协议，通过Profibus-DP总线与控制器进行组态参数与数据交换，实现DP从站功能，同时通过Modbus通讯协议获取或下发Modbus数据，从而实现将Modbus设备接入DCS系统。

K-MOD01模块具有强大的监视诊断功能，DP通讯网络与Modbus通讯网络电气上完全隔离，且可根据需要独立设置各自的通讯波特率。模块面板指示灯可监视上一级DP总线和下一级Modbus总线的通讯状态，便于维护。通讯所需硬件如表1所示。

表1 硬件配置

3 软件组态

首选在和利时下层软件Auto Think中配置K-Mod01通讯模块。根据控制指令添加功能码[14-15]，内蒙古通辽热电厂脱硫项目共4台130 t/h锅炉，每台锅炉配置一套电除尘器高频电源需要向PLC侧写27个字，读22字。该项目共4套电除尘器高频电源，共计需要写108字，读88字，通讯字配置如图2所示。

图2 通讯字配置

然后配置通讯参数：包括Modbus主从站设置、传输格式、通信波特率、传输格式、校验位、子站地址、偏移地址等参数[16-17]，所配置参数双方要一致，否则会导致通讯失败，通讯参数配置如图3所示。

图3 通讯参数配置

联调通讯完成后，DCS操作员站1#除尘器1号高频电源操作画面如图4所示。

图4 除尘器操作画面

当PLC和DCS通讯正常，则处于正常的数据通讯状态。可以根据K-MOD01模块的状态指示灯进行判断。模块上有表示错误状态、数据传送和数据接收的相应指示，作为判断通讯状态和进行故障诊断的主要依据。当通讯不正常时，模块的状态指示灯会立即显示错误状态，DCS 系统画面不显示正常数据。此时，按惯例应先检查硬件错误再检查软件错误，如通过软件组态功能块的诊断信息来查找故障原因。

4 数据转换

由于西门子PLC以字节与字的格式传输，但和利时DCS控制系统底层数据以布尔型与实数型显示，所以需要将通讯变量进行数据转化，一个开关量点占一位，一个模拟量点占一个字，数据类型转换如图5所示。

图5 数据类型转换

BYTE：字节，1BYTE=8BIT。

WORD：字，1WORD=2BYTE。

5 结束语

与传统的点对点方式相比较，采用Modbus通讯的方式节省了大量连接用的控制电缆，节省了项目人工成本，同时在DCS操作员站上可以更方便直接监视和操作除尘系统设备，目前该系统已全部投运一年，结果表明现场Modbus通讯连接简单方便、稳定性高、传输速率快的优点。

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Application of the Modbus Protocol in Hollysys DCS and Siemens PLC

ZHAO Lianbin1，LIU Wei2

(1.Hangzhou Hollysys Automation Co., LTD, Hangzhou 310018, China; 2. Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Fushun 113001, China)

Direct interaction of data is not available between hollysys DCS and Siemens PLC system. With the desulphurization project of power plant of Inner Mongolia Tongliao as an example, the Modbus protocol is adopted to realize communication between the hollysys DCS and Siemens PLC system by constructing system network, hardware configuration and software configuration. The results show stable and reliable operation of the control system and improved automation control of the power plant process production.

hollysys DCS-MACS; Modbus; communication; configuration; automation

2016- 04- 01

赵连彬(1986-)，硕士，助理工程师。研究方向：工业过程的先进控制与优化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.020

TN915.04;TP29

A

1007-7820(2017)02-076-04