ModBus通讯协议在艾默生Deltav中控DCS系统与虹润智能仪表通讯中的应用

王大安

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300452)

ModBus通讯协议在艾默生Deltav中控DCS系统与虹润智能仪表通讯中的应用

王大安

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300452)

自1979年Modicon公司制定Modbus通讯协议以来，其已经成为工控领域广泛应用的工业现场总线协议。通过该协议可以实现两个不同设备、控制系统之间的信息数据采集、交换，甚至可以扩展组成工业控制网络。从注水泵温度监控的实际应用出发，介绍了ModBus通讯协议在海上平台艾默生Deltav中控DCS系统串口通讯卡与虹润智能显示仪表通讯的设计、应用及具体实施方法。通过艾默生Deltav中控DCS系统简洁的通讯组态实现了注水泵温度监控参数远传显示、实时显示、历史记录功能。

ModBus通讯协议 串口通讯卡 智能数字显示仪

0 引 言

海上平台注水泵监控系统，其保护仪表由注水泵前后轴承、电机前后轴承、电机三相绕组温度显示仪和注水泵前后轴承振动检测仪组成。由于设备投用时期采用的监控系统为传统继电器控制系统，原选型设计的温度显示仪表不具备数据远传功能。当设备温度达到报警值时，输出一个开关量信号至继电器控制系统，继电器控制系统输出一个综合报警信号至艾默生Deltav中控DCS系统并在上位机上报警。维护人员只能依据接收到的距离报警时间最近的人工点检记录数据进行分析，缺乏温度历史趋势变化数据，不利于故障分析的处理工作。

为了更好地掌握注水泵实时和历史运转工况，更科学、方便地对出现的故障进行分析处理，根据平台现有的艾默生Deltav中控DCS系统中已经应用的ModBus通讯功能，选用虹润精密仪器有限公司HR系列智能温度数字显示仪表进行替代改造。从温度数字显示仪表自带串行通信接口作为ModBus从站，艾默生DELTAV中控DCS系统作为ModBus主站，通过简洁的通讯配置实现了两者之间稳定、流畅的数据传输。将采集到的注水泵各项温度监控参数进行上位机组态，增加实时画面监控、温度高限报警、实时趋势、历史趋势记录等功能。

1 智能数字显示仪简介

1.1 智能数字显示仪特点

虹润HR-WP系列智能数字显示仪支持毫安、毫伏、热电阻等多种信号输入，两组高低报警触点输出。支持显示量程、报警值、报警方式、变送输出范围等配置参数在线修改，无需断电重启。采用数字化校准技术、无电位器等可调部件，具有热电偶冷端温度及热电阻引线电阻自动补偿功能。[1]具备的DC24V馈电功能可对外接的二、三线制变送器提供电源。[1]具备RS232、RS485异步串口通讯功能，采用标准ModBus协议与其他系统进行通讯连接，可扩展构成多路数据采集及控制系统。根据原温控仪安装尺寸和保护功能，此次改造选用HR-WP-XC703-8型号智能数字显示仪(见图1)。

图1 XC703智能数显示仪接线图Fig.1 Wiring diagram of XC703 smart digital display

1.2 智能数字显示仪通讯协议

智能数字显示仪内嵌标准ModBus-RTU从站通讯协议，即由其他DCS、PLC等系统配备的串行通讯卡或接口作为主站进行信息管理交换，且只能由主站发起信息查询。主站根据起始设置的从站站号地址依次对从站进行轮流查询。智能数字显示仪从站地址设定在1～247之间，当多个智能数字显示仪联合组网时，每个从站地址必须唯一。在主站发起信息查询时，只有当从站地址与主站需要查询的地址相匹配，智能数字显示仪从站才能回复数据信息，而智能数字显示仪从站之间不能进行相互通信。智能数字显示仪数据寄存器有读(03H)、写(10,H)两种十六进制数格式，本文涉及的应用只进行温度数据采集，所以只进行读寄存器操作。数据以二进制代码传输，校验采用CRC循环冗余校验(见表1、2)。

智能数字显示仪配有RS-485/RS-232两种异步串行通讯接口，接口设置为一位起始位、八位数据位、无奇偶校验、一位停止位。用户根据需要可以在2,400～9,600,bps之间进行波特率选择设置。

表1 寄存器桢[1]Tab.1 Read frames from the register[1]

表2 读寄存器返回桢[1]Tab.2 Read return frames from the register[1]

表1、2中一次连续读取的寄存器N的最大值为24，通信传输中带小数点的数据全部用整数代替，通讯协议中数据格式都为双字节有符号整型变量。由于在数据传输过程中寄存器数据采用十六进制数传输，所以数据分高低字节传输，先传高字节，再传低字节。智能数字显示仪作为从站可以供主站查询的地址数据有仪表类型、测量显示值、报警值等多种数据，地址依次为40001至40036，本次应用作显示用，取4002测量显示值。

2 串口通讯卡

艾默生Deltav中控DCS系统串口通讯卡基于Deltav背板通讯技术，为卡槽式安装，串口通讯卡的安装位置由用户自由分配，配以专用的RS232、RS422/485串口通讯卡接线端子底座。串口通讯卡安装在底槽后，可以使用Deltav上位机软件Auto-Sensing自动检测功能来识别。每块串口通讯卡有两个通讯口，通讯口需要激活才能使用。每个通讯口的底座上有16个接线端子。根据卡件支持的RS232、RS422/485半双工或RS422/485全双工信号3种异步串行通讯方式不同，接线端子的组合使用也不同。其中RS232通讯方式最多支持15,m数据传输，RS422/485通讯方式最多支持610,m数据传输。由于注水泵控制盘安装位置距离中控室有200,m远，两个系统之间的硬件连接选用抗干扰好、传输距离远、有较大级联能力、非常适合组成现场多级通信的RS485通讯方式(见表3)。

表3 串口卡接线端子图Tab.3 Terminals of serial port card

3 中控系统组态

3.1 通讯卡串口组态

艾默生Deltav中控DCS系统中的ModBus通讯组态已经按照标准通讯协议进行内核封装，封装编辑后的组态界面简单明了。串口组态按照组态界面包含主、从站两种设置，RTU或ASII两种模式，波特率在300～115,200,bps范围内可选择。校验位提供奇校验、偶校验、无校验3种方式进行选择，七位、八位数据位，一位、二位停止位。[2]具体操作进行下拉菜单选择即可(见图2)。

图2 通讯协议设置图Fig.2 Setup diagram of the communication protocol

具体组态信息按照智能数字显示仪从站的通讯参数进行匹配组态。此次应用智能数字显示仪为从站，中控DCS系统串口通讯卡为主站(master)，RTU模式，RS422/485半双工通讯方式，波特率设置为19,200 bps，无奇偶校验，八位数据位，一位停止位(见图3)。

图3 通讯参数设置图Fig.3 Setup diagram of communication parameters

3.2 ModBus协议组态

串口通讯组态完成后，继续进行从站地址设定组态。系统提供1～255个地址设定，coil和input register、holding register 等几种格式数据功能代码设定。采用布尔、8位、16位、32位整形变量(有符号/无符号)、浮点、字符串等几种变量类型。数据读取起始地址，地址读取长度可以自由设定。由于每台泵共有前后轴承、电机前后轴承、电机三相绕组等7个温度监控信号，现场流程安装2台注水泵，共需要14块智能数字显示仪，需要建立1～14个从站地址模块。每个模块功能代码均采用03,H(holding register)，起始地址均从40001开始，地址读取长度为2(见图4)。

图4 读取从站设置图Fig.4 Setup diagram of reading slave station

组态完成后需要进行下装才可以使用。之后通过Deltav系统自带的诊断功能对两个设备的通讯情况进行功能测试。诊断信息包括串口工作状态、完整性、固件版本、软件版本、串口卡通讯模式、产品系列号等软硬件信息。当通讯出现故障时，会出现“BAD!”感叹号提示。常见通讯故障包括波特率等个别通讯参数设置不匹配，RS-485信号线“＋、－”接反，地址读取长度超出范围，数据高低字节反置等情况(见图5)。

4 智能数字显仪设置

根据每台泵前后轴承、电机前后轴承、电机三相绕组等7个温度监控信号分别设置各个智能数字显示仪的报警值、停机值、探头输入信号类型(RTD)、从站地址、波特率、数据位、停止位等参数(见图5)。

图5 通讯诊断图Fig.5 Diagnostic diagram of communication status

5 方案实施

根据原控制盘温度显示仪的安装尺寸，选用合适的虹润智能数字显仪进行更换，连接好电源、RTD温度传感器接线、报警和停机信号线。在智能数字显示仪上电后进行报警值、停机值、探头输入信号类型、从站地址、波特率等参数的设定核对工作。敷设现场注水泵控制盘到中控室标准铠装，屏蔽RS485数据线，按＋、－连接接线端子，做好屏蔽接地。在中控室与现场逐一对采集温度显示值进行校对(见图6)。

6 总 结

通过选用带通讯远传功能的数显仪改造后的注水泵温度监控系统，[3]不但满足现场温度监视逻辑控制要求，而且增加了远传中控显示、实时报警、历史趋势记录功能，极大地方便了操作人员对注水泵的运行监控和维修人员对故障的分析、排查，对生产设备智能化、数字化和现代化的发展具有非常积极的意义。■

图6 仪表联网图Fig.6 Networking diagram of instruments

［1］ HR-WP系列智能数字(光柱)单路显示仪说明书[Z].

［2］ Deltav Books Online 8. 4 CN [Z].

［3］ 施玉书，朱若谷. 数显仪特征部分的误差分析[J]. 中国计量学院学报，2007(2)：108-113.

Application of ModBus Communication Protocol in the Communication Between Emerson Deltav DCS Control System and HongRun Intelligence Instrument

WANG Da’an
(CNOOC Ltd-Tianjin，Tianjin 300452，China)

Modbus communication protocol，developed by Modicon in 1979，has become awidely used bus protocol in industrial control field．Through the protocol，data collection and exchange between different equipment and control system can be realized，and this connection can even be extended to industrial control network．From the angle of practical application on water injection pump temperature monitoring，this paper introduces the design as well as the application and specific implementation method of Modbus communication protocol in the communication between Emerson DeltaV DCS control system serial communication card and HongRun intelligent display instrument on offshore platforms．Through the simple communication configuration in Emerson Deltav DCS control system，functions of remote and real-time display of temperature parameters and history record have been realized for water injection pumps.

ModBus communication protocol；serial communication card；intelligent digital display instrument

TH692.2

A

1006-8945(2016)03-0058-04

2016-01-26