Modbus通信协议在DCS与PLC通信中的应用

刘春艳 吴明生 罗炳浩

(甘肃银光聚银化工有限公司，甘肃 白银 730900)

随着DCS在化工自控领域的广泛应用，工业生产中经常需要PLC与DCS间进行通信，最常见的通信方式是通过通信卡点对点连接方式中的Modbus RS-485通信。现以CP341模块与CS3000的ALR121模块为例，介绍基于Modbus协议通信的硬件结构和参数设置。

1 Modbus简介①

Modbus将通信参与者规定为主机(master)和客户端(slave)，主机首先向客户端发送通信请求指令，客户端根据请求指令中指定的内容向主机发回数据，一个主机可以向多个客户端发送通信请求，最多可有255个请求指令。每个客户端都有设有唯一编号，该编号为客户端地址(slave address)或识别码(slave id)。

Modbus协议中只对各种通信字符串格式作了规定，并未对通信参数作规定。

控制器能设置为ASCII或RTU两种传输模式中的任何一种，在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数(波特率及检验方式等)，在配置每个控制器时，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。当控制器设为在Modbus网络上以ASCII模式通信，在消息中的每个8bit都作为两个ASCII字符发送。这种方式的优点是字符发送的时间间隔可达到1s而不产生错误。当控制器设为在Modbus网络上以RTU模式通信，在消息中的每个8bit包含两个4bit的十六进制字符，其优点是在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。

2 硬件配置

2.1 PLC

CP341模块是S7-300/400 PLC中支持Modbus串行通信的模块，CP341有一个串行通信口(RS-232C或TTY或RS-485/422)。要实现Modbus通信，需在CP341模块上插入相应协议的硬件狗，CP模板才能支持Modbus(RTU格式)。

CP341模块的安装步骤：

a. 将CPU切换至STOP模式；

b. 关闭电源；

c. CP341附带扩展总线，将该总线插入CP341左侧模块的背板连接器上；

d. 如果要在CP341的右侧安装模块，则将下一个模块的扩展总线插到CP341右侧背板连接器上；

e. 将FM341挂在安装导轨上并向下旋转；

f. 拧紧CP341；

g. 将24V(DC)的负载电源连接至CP341。

参数分配接口与功能块和编程实例均位于CD上。安装参数分配接口，执行的操作：将CD放入编程设备或PC的CD驱动器；在Windows操作系统中双击控制面板中的“添加/删除程序”图标，打开安装软件的对话框；在该对话框中选择CD驱动器，然后选择“Setup.exe”文件，开始安装；按照屏幕上的安装程序提供的说明进行操作。

CP341组态步骤如下：

a. 通过STEP 7创建一个项目和站。

b. 在STEP 7的组态表中输入CP341的机架号、插槽号和订货号，STEP 7自动给CP341分配地址，这样CPU就能通过地址在机架插槽中找到CP341。

c. 通过在组态表中双击订货号(CP341)或通过选择CP341，然后选择编辑(Edit)-->对象属性(Object Properties)菜单命令来启动参数分配接口。将出现“属性-CP341”(Properties-CP341)对话框。单击“参数”(Parameters)按钮转至协议选项，设置协议并双击传输协议的图标(信封形状)。这样进入了设置协议特定参数的对话框。

d. 数据组态。通过选择站(Station)-->保存(Save)或站(Station)-->另存为(Save As)菜单命令退出组态表时，系统自动将组态数据和参数分配数据(包括模块参数)存储到已创建的项目/用户文件中。

e. 在线将组态数据和参数分配数据从编程设备下载到CPU，菜单命令PLC-->下载(Download)。下载后CPU立即接收参数。

2.2 DCS

DCS的硬件包括：ALR121(RS-422/RS-485 communication module)和ALR121。ALR121卡件连接的方式如图1所示。

图1 ALR121卡件的连接示意图

3 组态

打开CS3000软件，生成ALR121卡件，开始→YOKOGAWA CENTUM→System View。在控制站(FCS010x)节点(NODEx)下点击右键→Create New→IOM，弹出Create New IOM窗口，在Category 中选择Serial Communication，在Type中选择ALR121(RS-422/RS-485 SerialCommunication Interface)→在Slot中设置卡件位置“x”。

点击“Card Common”标签，选择卡件常规项，连接设备选择“Modbus”。

点击Port1标签，设置Modbus通信端口属性(图2)。主、从站的波特率、数据位、结束位、奇偶校验规则和接线方式都是双方约定好的，必须保持一致。

图2 Modbus通信端口属性

通信I/O组态。双击ALR121卡件，弹出“Communication I/O Builder”窗口，开始通信I/O组态。通信I/O组态说明各项定义如图3所示，Buffer area针对本块ALR121所存储的总数据大小；Program Name为Modbus通信模块的安装位置，格式为“K1-节点号-插槽号Modbus”；Size为所选数据类型的数据长度，以“Words(2Byte)”为单位进行分配，范围1～126；Port为端口号，Modbus有两个端口，在此设置1或2；IP Address为IP地址(对Modbus组态不起作用，适用于Ethernet，如填写也不会报错)；Station为从站设备的地址，范围0～32的数字(对从站设备进行识别)；Device & Address为从站设备数据保存的内存地址，如S7-300默认从站地址为222；Data Type为数据类型，必须与从站数据类型一致；Reverse为是否将控制站(FCS)和子系统中的数据位“bit”取反，有“NO”和“YES”可选；Scan为设置通信扫描方式，有“NORMAL”和“FAST”可选。

图3 I/O组态各项定义

在“Communication I/O Builder”中组态模拟量点，如图4所示。

图4 组态模拟量点

在“WBTagDef”中组态数字量点：在Element中填写通信的数字工位，如%WB001102；在Tag Name中填写工位名称，如XI-P102A；在Tag Comment中填写相对应的工位注释。具体如图5所示。

图5 组态数字量点

下装，完成通信I/O组态。

在Drawing图中组态，如图6所示。

图6 Drawing中的组态

对于模拟量输入的PVI，选中PI-101，右键单击“Edit details”进入详细编辑，将“输入信号处理”与“输出信号处理”方式选择为子系统通信，并设置一定的增益和偏差(图7)。

图7 增益和偏差的设置界面

数字量点可以使用“开关仪表”进行接收，也可以直接调用“%WB000102”或设置的工位直接进行调用。下装后，系统组态完成。

调试步骤：

a. 在“FCS010x Station Status Display”中观察卡件状态，在硬件ALR121卡件上观察接收、发送灯是否正常。

b. 调出Process Report，看是否有“1”，如果有“1”表示有数据发送过来；如果没有，则表示没有数据发送过来。如图8所示。

c. 调出工位，核对和子系统的数据差别。调试结束。

图8 数据发送判断界面

4 结束语

DCS的功能不能局限于完成自身系统的控制和操作，还要整合其他各辅助系统的运行信息和生产数据，并将这些数据提供给操作人员和管理者。笔者采用Modbus通信协议和硬件设备的互连，实现了第三方系统间的通信和数据交换，极大地方便了操作人员的监护和控制，人力成本降低，生产自动化水平提高。