Modbus总线在炼焦控制系统的应用

杨 迪

(宝钢股份炼铁厂 上海200941)

Modbus总线在炼焦控制系统的应用

杨 迪

(宝钢股份炼铁厂 上海200941)

介绍了宝钢炼焦改造项目背景及Modbus总线协议及其网络通讯原理，Prosoft公司的MVI56-MCM通讯卡以及Mitsubishi公司AJ71UC24-S2通讯卡及其相应的通讯组态配置，最后提出经济合理实用的系统实现方案。

炼焦 Modbus协议 控制系统 通讯 组态

1 引言

宝钢股份炼铁厂焦处理系统于2004年完成三电控制系统改造。新建焦输送控制系统全部采用罗克韦尔自动化产品:新一代的ControlLogix处理器，ControlNet网络，人机高级监控软件RSview SE控制，保证了整个系统的稳定性、实时性、合理性；既有系统是三菱的MELSEC-NETⅡ，因此为实现新建系统与既有系统整合，本文提出了采用Modbus总线网络建立罗克韦尔自动化产品与三菱系统数据通讯的经济、合理、实用的实现方案。

2 Modbus总线协议

Modbus是 MODICON公司开发的一种工业通信和分布式控制系统协议，作为应用层信息传送协议，位于OSI第七层，提供连接在不同总线或网络的设备之间进行Server/Client也即Master/Slave通讯。Modbus网络属于一种主从网络,允许一个主站和一个或多个从站通信，它采用命令/应答方式，主站首先向从站发送通信请求指令，当从站收到发给自己的报文后再根据请求指令中的功能码向主站发回应答报文，网络中的每个从站都有自己唯一独立的地址，主站所发的请求帧和从站所发的应答帧都是以从站地址开头的，从站只响应发给自己的指令，对以其他从站地址开头的报文不予理睬，并且对接收到的正确报文予以应答。

Modbus协议支持RTU和ASCII两种传输模式，其中RTU格式由于传输效率高被广为采用。RTU传输模式的传输格式是8个数据位加2个停止位但没有奇偶校验位，在RTU传输模式中，1字节的信息作为一个8位字符被发送；而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送。因此发送同样的数据时，RTU模式的效率大约是ASCII模式的2倍，一般采用RTU模式。

目前Modbus支持以下传输，MODBUS通讯结构如图1所示。

图1 Modbus通讯结构

其中包括

①以太网的TCP/IP

②异步串口传输

③Modbus+网络(高速令牌环网络)

3 MVI56-MCM通讯模块

MVI56-MCM通讯模块是Prosoft公司为配合Allen-Bradley公司ControlLogix系列PLC生产的与Modbus协议相匹配的通讯卡，它有两个串口加一个组态端口，每个串口均支持RS-232，RS-422，RS-

485通信协议，可以通过模块上的跳线选择。模块的两个串口既可以作为Master，也可以作为Slave。

MVI56-MCM是作为Modbus网络与AB机架背板之间的网关，异步传输，总共提供5000字的寄存器空间与Modbus网络通讯。通讯模块所有的数据均存储在内部自定义的虚拟数据库里，数据库定义如下：Modbus虚拟数据表，地址从0到4999，相当于Modbus协议里地址的40001～45000，为用户数据区域；地址从5000到6999，相当于Modbus协议里地址的45001～47000,为模块状态和组态数据区域。

通讯模块作为Master使用时，通信模块功能非常强大，内部多达100条命令列表，每条命令均可以对功能码，数据库地址，从站地址和要求访问的字节数进行配置，以形成Modbus协议所需要的命令报文。通信出错时，模块可以产生错误码返回给PLC以便进行出错处理。本模块支持Modbus协议的绝大部分命令。

MVI56-MCM通讯模块是插在ControlLogix机架上的，与处理器之间的数据交换是根据模块的输入输出映射表通过背板进行的，如图2显示了ControlLogix处理器，通讯模块，Modbus网络之间的数据交换过程，相应的数据流图如图3所示。

图2 数据交换过程

在模块上电后，模块首先初始化硬件设备，包括初始化ControlLogix背板驱动，测试并且清除所有的RAM，再初始化通讯串口；然后向CPU发送接收组态配置数据的请求，直到接收完所有的组态数据块；之后再初始化模块寄存器即虚拟数据库空间；最后使能选定串口的Master/Slave驱动，之后模块就开始正常工作，具体包括对选定串口通信管理和CPU单元交换信息。

模块数据传输均是通过Read Block(Input Image)/Write Block(Output Image)来实现的，所有用户数据均存储在内部数据库的0～4999寄存器里。对于Read Block，总共250个字节，但数据仅200个字节，其它还包括错误位、状态和产品等信息；对于Write Block，总共240个字节，但数据仅200个字节。需要特别说明的是，Read Block ID是指针值，提供索引用于存储数据到ControlLogix；Write Block ID也是指针值，提供索引用于从ControlLogix请求数据。

图3 数据流图

4 AJ71UC24-S2通讯模块

AJ71UC24-S2通讯模块是为Mitsubishi公司生产的为配合AnA系列CPU而生产的Modbus通讯卡，在Modbus网络只能作为Slave。其缓存Buffer用于与主站通信的数据交换区域，也就是与CPU单元数据交换区域。其中用户数据区域地址为44H-DEFH，即总共3500个寄存器空间，该地址为绝对地址可以直接进行数据读写操作。由于作为Slave只响应主站发给自己的报文，所以只需要进行通讯设置如波特率、传输模式等。

5 罗克韦尔自动化系统与三菱系统的成功整合

为实现新建罗克韦尔焦输送控制系统与既有三菱系统MELSEC-NETⅡ数据通讯，通过Modbus总线网络建立起两套系统通讯，采用新增一套三菱PLC,该PLC通过MELSEC NET II 和既有的高压盘CDL、集尘控制系统的A2A PLC通讯，同时新增PLC配有MODBUS通讯卡，通过与AB的ControlLogix机架的MODBUS通讯卡建立起Modbus网络，从而建立起两套系统之间数据通讯，系统图结构如图4所示。因此新建OPS操作站既可以对新建罗克韦尔控制系统控制，也可以对既有的高压盘CDL、集尘控制系统实现远程监控。

从系统图上可以看出，新建焦输送控制系统采用Allen-Bradley公司的控制网实现控制，AB机架上的MVI56-MCM通讯卡与新增的MELSEC NET的三菱PLC上的AJ71UC24-S2通讯卡建立一个Master/Slave的MODBUS网络，新增三菱PLC与既有集尘控制系统组成新的MELSEC-NET网络，这样新建系统与既有系统可以实现通讯，同样OPS工作站就可以对集尘控制系统的远程监控。

图4 系统结构图

在本系统中，Prosoft公司的MVI56-MCM通讯模块作为Master，而三菱公司的AJ71UC24-S2通讯模块作为Slave，并且通过跳线选择RS422的接线连接方式。根据现场数据通信要求，通讯配置如下：RTU传输模式的效率大约是ASCII模式的2倍，所以采用RTU传送模式；协议传输波特率为9600Kb/s；奇偶校验位2位，数据位8位，停止位1位；两通讯卡的通讯设置必须一样，否则不能进行通讯。

根据Master/Slave通讯方式，MVI56-MCM通讯模块负责向AJ71UC24-S2通讯模块发送通讯请求指令，AJ71UC24-S2则负责应答。当MVI56-MCM通讯模块进行数据读写操作时，即相应的功能码为3、6(单个写)和16(多个同时写)。

因此每次最多只能够读写200个数据，通常用户读写数据区域为200的整数倍，以减少模块计算时间。所有的Modbus网络中的数据交换将在AJ71UC24-S2通讯模块的缓存区域与MVI56-MCM通讯模块的数据库区域里进行，ControlLogix与三菱处理器再进行二次处理，因此实现了ControlLogix处理器与三菱处理器的数据通讯，从而实现了罗克韦尔系统与三菱系统的数据通讯。

6 结论

焦处理三电系统完善工程新建控制系统通过Modbus网络实现了与既有系统MELSEC-NETⅡ的整合，既维护了原有系统的完整性，又创造性地改善了原有系统，最大化的节省了投资成本。实践表明，新老系统结合完好，通信质量良好，整个系统运行平稳，可靠，达到预期效果。

[1]ProSoft公司中国总部技术培训中心．MVI56-MCM用户手册.

[2]AB公司中国总部技术培训中心． ControlLogix系统培训手册.

[3]李喜东,刘波涛,刘刚.Modbus RTU串行通讯协议在工业现场的应用[J].自动化技术与应用,2005(7).

[4]沈继泽，洪学海．现代计算机接口技术[M]．北京：电子工业出版社，2000.

[5]何东升,金俊文,陈宏．ControlLogix系统在兰成渝成品油管道的应用——ControlLogix与第三方设备Modbus通讯[J].中国仪器仪表,2011(12).

Application of Modbus Protocol in the Control System of Coking

Yang Di

(Baoshan Iron & Steel Company Ironmaking Plant, Shanghai 200941)

The paper, briefly introduces Baosteel coking project, then in details introduces Modbus protocol, and MVI56-MCM of Prosoft Co., and AJ71UC24-S2 of Mitsubishi Co., and their communication configuration, finally put forward an economical and practical system scheme.

Coking Modbus protocol Control System Communication Configuration

杨迪，男，1972年出生，毕业于华中科技大学电气自动化专业，学士，工程师，长期从事原料电气自动化系统的设计与研究工作

TF325.6 TF526.2

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.020

2014-04-13)