一种基于MVI56E-MCM的冗余Modbus通信设计与实现

李志刚，王 伟，杨灵飞，李婷婷，董伟光

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

当前，工业控制逐步实现了自动化程度更加集中的集散控制方式。Modbus作为一种开放的通信协议，已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。在某些大型工业控制系统中，例如石油/天然气开采运输、石油化工、发电等为代表的过程工业领域中，由于设备繁复，工艺复杂且造价昂贵，对其中央控制系统与相连的重要子系统之间通信的稳定性要求很高，冗余Modbus通信成为了一种不错的选择。

1 项目背景

图1 通信结构图Fig.1 Communication structure diagram

海洋油气田自动化生产控制系统作为海洋油气田开采的关键系统，对油气开采工艺过程控制及配电安全起到至关重要的作用。

某大型海上油气平台中央控制系统采用了Rockwelll品牌的集散控制系统，操作人员可以对平台设备远程、集中监控。但有部分大型设备，由于工艺及控制逻辑较为复杂，控制点数较多，为减小其并入中央控制系统所造成的负荷突增，保证各控制系统的可靠运行，因而对这些大型关键设备仍采用独立控制的方式。这样中央控制系统与这些独立控制系统的数据通信就变得尤为重要。

本项目采用了冗余的Modbus通信方式，有效地解决了这一问题。该方式结构简单，成本较低，硬件上只需要在原有控制系统的基础上，并列安装两块互为冗余的Modbus卡件，更重要的是其可靠性较高。Modbus是一种在工业领域被广为应用的真正开放、标准的网络通信协议，有着广泛的知识资源支持等特点，已经成为一种公认的通用工业标准[1]。而本案所采用的冗余Modbus通信方式将其可靠性成倍增加，保证了平台上各系统之间的数据传输稳定进行。

2 MVI56E-MCM实现冗余Modbus通信的结构配置

Prosoft Technology公司的Modbus通信卡件可以将罗克韦尔的控制器方便地连接到支持Modbus的现场设备，该类插槽类通信卡件支持众多系统[2]，其中MVI56专门为ControlLogix系列PLC扩展Modbus通讯接口。

本方案提供两块MVI56E-MCM卡件作为Modbus主站，分别安装于该海上油气平台中央控制系统中的两个不同的机架上，每块MVI56E-MCM卡件的一个端口与第三方设备相连接。图1为该冗余Modbus通信的结构图。

MVI56E-MCM是一块具有Modbus TCP/IP通讯能力的模块。此模块在Modbus以太网中既可以作为Server被读写数据，同时也可以作为Client来读写网络上其他Server的数据。图1结构中，两块MVI56E-MCM模块分别位于两个Logix5000从站机架上，作为Server，形成冗余链路，与第三方设备进行Modbus通信。

图2 MVI56E-MCM工作原理图Fig.2 MVI56E-MCM schematic diagram

图3 Genegic 1756 Module参数配置Fig.3 Genegic 1756 Parameter configuration

如图2所示，模块的内部有一个用于存储的数据库。通过背板，利用模块的输入和输出，这个数据库和Control Logix处理器中的MCM.WriteData和MCM.ReadData这两个数组取得同步。对于关系参考图2。而在模块的另一侧，Modbus TCP/IP的Client驱动可以从外部设备读取数据放置在内部数据库中，也可以把内部数据库的数据发送到外部设备。Server驱动则可以把内部数据库的数据服务给外部设备来读写。利用内部数据库这个纽带，Control Logix处理器就可以和外部的Modbus TCP/IP设备取得通信[3]。

3 软件配置与编程

3.1 RSLogix 5000编程

在Logix5000硬件配置中，相应添加两块Genegic 1756 Module，参数设置如图3所示。

图4 程序块导入Fig.4 Block import

新建一个梯形图程序块，导入MVI56E-MCM自带光盘里的文件MVI56EMCM_ADDON_RUNG_V2.8.L5X，如图4所示。

利用同样的方法再导入一次该程序块，用于连接与之冗余的卡件。导入后利用该功能块自带结构体变量中的MCM_Cnet01_11.STATUS.Prt1Errs.CmdErr，编辑通信中断诊断的程序，如图5所示。

在程序中导入MCM冗余功能块，如图6所示。

将图6功能块的MCM1与MCM2的相关参数与图5两个MCM程序块参数相匹配。

3.2 通信参数设置

此案例的Modbus通信采用的是串口通信，串口通信主要参数为波特率、数据位、停止位和奇偶校验[4]。本例中采用波特率为9600，数据位是衡量通信中实际数据位的参数，本例采用8为数据位，停止位为1。奇偶校验是串口通信中一种简单的检错方式，通过设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位，这样使得接收设备可以知道这个位的状态。以此推断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据不同步，本例校验方式为无校验。

通信双方按照计划好的通信参数来设置，保持了两边参数设置一致，如图7所示。

4 成果与结论

编程调试完毕后，分别在第三方设备以及Modbus主站中模拟写入一组数据，均可以在对方程序中监视到相关的数据。

按照该方案冗余通信要求，先将其中一块MCM通信卡件从机架拔出，此时对应该卡件的MCM通信诊断位CEP_MCS_001_Modbus_Er_Bit复位，即该卡件通信断开，但此时通信双方设备仍可以通过另一块卡件相互读写数据，并且不会造成通信数据的丢失。从而有效验证了该方案的冗余特性。

图5 MCM通信程序块Fig.5 MCM communication block

图6 MCM冗余功能块Fig.6 MCM Redundant function block

图7 MCM通信参数配置Fig.7 MCM Communication parameter configuration

图8 Modbus主站写入数据Fig.8 Modbus master writes data

目前，此方案已在该大型海洋油气田项目中稳定运行一年有余。据反馈，该通信方案的可靠性较高，再加上其硬件配置的灵活性，相信此方案的应用领域会越来越多。任何一种技术都会有优势和劣势，相信随着技术的不断进步，冗余Modbus通信应用过程中出现的各种不足和问题都会得以改进和解决。