MODBUS协议实现脱硝系统PLC与DCS通讯

顾诚甦 吴琼

摘    要： 本文介绍了电厂脱硝改造工程中PLC与DCS的通讯协议、配置方案，以及DCS侧的组态和操作画面设计方案。

关键词： DCS    PLC    组态    操作画面    方案

1.引言

氮氧化物气体是危害最大，最难处理的大气污染物之一。据统计，我国大气污染物中NOX60%来自于煤的燃烧，其中，火电厂发电用煤又占了全国燃煤的70%。2000年我国火电厂氮氧化物排放量控制在500万吨左右，按照目前排放控制水平，到2020年，氮氧化物排放量将达到1000万吨以上[1]。面对严峻的环保形势，为响应国家号召，我们可以在发电机组改造过程中增设脱硝控制设备，有效降低燃煤造成的大气污染。

2.MODBUS协议

MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通信。已经成为通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。MODBUS的帧格式简单、紧凑，并支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。

电厂脱硝系统主逻辑由PLC控制，相关联锁、计算及调节逻辑均由PLC执行;为了运行人员操作方便，实现一体化控制，脱硝画面监视和操作功能由DCS实现。PLC代替DCS对脱硝系统进行数据采集与控制，但信息要与DCS共享，并由DCS操作站实现对PLC的监控。该PLC系统支持MODBUS RTU协议，故决定采用MODBUS协议通讯的数字通讯方式，实现两系统的互联。目前改造后系统运行效果良好。

3.硬件连接和地址设置

MODBUS通讯协议适用于RS-232和RS-485标准接口，在实际运用中可根据现场情况选定用哪一种。RS-232只能实现一对一的连接，传输速率局限于20Kbps，并且存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，一般传输距离只有20KM左右;RS-485最多可驱动32台设备，传输距离在100Kbps时可达1200m。但是RS-232也有其优点：能做到收发同时进行，效率比RS485高，且与PC机和其他通讯端口兼容性好[2]-[3]。

由于该改造项目PLC与DCS需要长距离传输信号，因此采用RS-485，双向传输，在DCS端使用MOXA转换器将RS-485转换成RS-232信号。RS-485接口处采用两线制，对方DATA+接至MOXA的DATA+，即对方DATA-接至MOXA的DATA-号。图2为MOXA转换器的接线示意图。

图1    MOXA交换器接线图

然后通过通讯电缆将RS232上的9针串口转换NTMP端子板上的25针串口，再由一根KTU电缆连接至MFP12主模件。NTMP端子板跳线如下图2。

图2    NTPM01端子板布置图

使用该端子板下方单侧接口通讯。即P6口接RS232电缆25针串口，P1口接KTU电缆连接至主模件。J1跳线见下图3。

图3    NTPM01端子板J1跳线图

J3、J8、J9、J10跳线见下图4。

图4    NTPM01端子板J3、J9、J8、J10跳线图

J11为空，无需跳线。J14、J15、J18跳线如下图5：

图5    NTPM01端子板J14、J15、J18跳线图

当然，如果PLC设备与DCS设备之间距离不超过20m，就不需要采用RS485连接。因为经过RS485/RS232转换器，会占用一定的转换时间。有些时候，还会造成或多或少的通讯冲突，甚至通讯中断。

4.MODBU通讯一般要求

PLC组态编写完成后，应整理用于通讯的设备信息及地址，通讯信息分配点表。

PLC侧设备信息包括：（1）串行口设置（DCE或者DTE设置）。（2）通讯波特率。（3）数据位数和停止位数。（4）接口的针脚。（5）奇偶校验。（6）握手信号设置等。

每个通讯的信息点均要设置其在PLC和DCS的存储位置及其他相关参数，即通讯信息分配点表，点表中应包括以下内容：（1）信号类型，包括Analog/Digital/SpecialAnalog。（2）信号名称。3、信号的英文描述。（4）信号传输的方向，DCS→PLC或者PLC→DCS。（5）存储地址。（6）信号传输的缩放比例。（7）信号的偏置设定。（8）扫描时间。我們使用KWIKEDIT软件写入点表，再通过DOS命令下装至MFP主模件中。

注意：通讯信息点表中地址参数应该与实际地址一致，在下装前应先进行检查核对，否则会造成通讯错位甚至中断。（通讯信息整理见附件）

5.建立通讯中应注意的问题

（1）不要带电插拔串口，否则串口易损坏。

（2）调试时使用测试软件进行调试，如MODSCAN软件，可不经过NTMP端子板和模件，直接扫描RS232串口数据是否正常，达到事半功倍的效果。

（3）在下装组态通讯及点表之前，必须先下装NBS文件，为通讯模件进行编码。否则在组态下装之后，主模件会出现C程序故障报警。

（4）DCS组态中有一页专用设置通讯配置参数，即标准参数页，其功能码的块号一般使用3000至3999。其余主逻辑中的功能码不能使用这个区间的块号，否则会造成通讯异常。

6.OIS操作画面

画面是供运行人员监视及操作的媒介，应做到符合现场实际，合理布置。我们将脱硝系统分为两个画面显示：系统和操作画面，数据显示画面。

系统操作画面——3SCR，包含脱硝系统主要设备的运行状态、重要数据显示、故障报警，以及每个蒸汽吹灰器和声波吹灰器的显示和操作。（如图6）

图6    SCR主操作画面

数据显示画面——3SCRDATA，主要包含A/B反应器内每层的参数，反应效率。蒸汽吹灰和声波吹灰的参数和状态。（如图7）

图7    SCR数据监视画面

当然，所有画面显示和操作都必须在PLC与DCS通讯正常时才有效。为了脱硝设备安全可靠运行，可以在机组EWS安置一台PLC上位机，其画面与OIS画面类似，以便通讯故障时运行人员应急使用。

7.结语

火力发电厂实施脱硝工程能有效减少NOX的排放，改善大气环境。目前机组脱硝设备正常运行，脱硝控制器通讯状况良好，运行人员操作界面清晰方便，为今后PLC与DCS通讯，集中控制远方可编程控制器提供有效的借鉴意义。

参考文献：

[1]杜雅丽.选择性催化还原法脱硝控制系统论述.山西电力，2009.4.

[2]史运涛.基于Modbus协议的通讯集成技术研究.化工自动化及仪表，2010.4.

[3]陈小宾.基于Modbus协议的PLC与DCS系统集成的研究和实现，科技信息，2008.7.