浅谈海上油气平台控制系统Modbus通信兼容性问题

王颖杰

摘要：随着科技的不断发展，控制系统在海上油气平台中的应用日益广泛。而控制系统的通信方式变得越来越多样化和复杂化。其中，Modbus通信协议被广泛应用于海上油气平台控制系统中。然而，在使用Modbus通信协议时，兼容性问题时常出现。基于此，本文将对Modbus通信兼容性问题进行分析和解决，以提高海上油气平台控制系统的稳定性和可靠性，保障生产安全。

关键词：海上油气平台；控制系统；Modbus通信；系统兼容性

海上油气平台作为油气勘探和开发的主要场所，其控制系统的稳定性和可靠性对保障生产安全至关重要。而Modbus通信协议作为一种常用的控制系统通信方式，其兼容性问题也给海上油气平台控制系统带来了一定的挑战。本文从海上油气平台控制系统的概念及特点、Modbus通信协议简介、Modbus通信兼容性问题导致海上油气平台计量系统故障的原因分析与解决方案等方面展开讨论。

一、海上油气平台控制系统

（一）海上油气平台控制系统的概念及特点

一般而言，海上油气平台的中控系统是基于DCS/SIS技术发展而来的控制系统。其中，中控系统按照功能划分，可分为ESD（紧急关断系统）、F&G（火灾与可燃气泄漏系统）、PCS（生产流程控制系统）。ESD和F&G系统因执行的是应急处置程序，根据海上油气平台生产流程风险等级的划分，一般ESD和F&G系统符合SIL3认证的安全仪表控制产品搭建，而PCS系统一般采用SIL2认证的控制产品搭建。

海上油气平台控制系统的特点在于其工作环境的复杂性和高度的安全可靠性要求。由于海上环境的特殊性，控制系统需要承受大气压、高湿度、盐雾腐蚀、大风浪、海洋生物侵蚀等复杂环境的考验。在控制系统的设计和应用上要符合防水、防腐、抗震、防雷等方面的特殊要求。同时，海上油气平台控制系统必须具有高度的安全可靠性，保证在紧急情况下快速响应、控制和处理各种危险事故。

（二）海上油气平台控制系统的组成结构和工作流程

海上油气平台控制系统的组成结构主要包括控制器、传感器、执行器、通信网络、计算机等。其中，控制器是整个控制系统的核心，负责控制和监测平台上的各种设备和工艺。传感器主要用于检测和采集海上油气平台上的各种参数和信号，如温度、压力、流量等。执行器用于控制各种机械和设备的运行状态，如泵、阀门、管道等。通信网络承担着传输和交换各种信号、数据和指令的功能。计算机作为整个控制系统的数据处理和显示中心，负责实时监测和监控设备和工艺，并提供各种控制算法和模型。

海上油气平台控制系统的工作流程分为数据采集、数据传输、数据处理和控制执行四个主要步骤。数据采集是指利用传感器采集各种参数和信号的过程，如温度、压力、流量等。数据传输是指将采集到的数据通过通信网络传输到计算机中进行处理和分析。数据处理是指利用计算机对传输的数据处理、分析、计算和决策，生成相应的控制指令和信号。控制执行是指利用执行器控制相应的设备和工艺的运行状态，以达到期望的控制目标。

在海上油气平台控制系统中，各个组成部分之间进行数据的交互和控制指令的传递。这就需要一种可靠、高效的通信协议实现数据交换和控制指令的传输。其中，Modbus通信协议作为常用的工业自动化通信协议，被广泛应用于海上油气平台控制系统中。但是，由于各个设备和工艺的厂商和型号不同，以及Modbus通信協议的局限性，可能会导致海上油气平台控制系统中出现Modbus通信兼容性问题。

二、Modbus通信协议简介

（一）Modbus通信协议的工作原理和特点

Modbus串口通信协议是M-S模式的半双工通信协议。作为总站的Master在通信系统内只有一个，所有的通信需求均由主站发出。从站Slave可以不止一个。理论上，单个通信网络中最多可以有255个从站。在通常情况下，主站只与1台从设备通信，但当主设备发出的地址码为0时（即采用广播方式时），可以将消息发给所有的从设备。在正常通信过程中，主站按照协议规定的代码发出数据包。数据包中信息包括需求地从站地址、功能码、需要读/写数据的地址、错误校验、结束结构。从站通过识别数据包中的从站地址确认主站是否需要自身数据，随后将相应的数据发送给主站或写入主站发送过来的数据，这样通信系统就完成了整个通信流程。需要注意的是，通信是至少2个以上系统间信息的交互，其通信设置需要在两系统间同时进行匹配性设置，才能顺利开展通信，否则系统之间将出现通迅兼容性问题。

（二） Modbus通信协议的应用

中控系统的三部分往往采用相同品牌的控制产品进行一体化搭建，三个系统之间、系统与上位机系统间采用相同品牌控制产品内部通信协议进行交互。而针对外部设备（外部设备是指一体化中控系统之外的控制设备，如空压机联控系统、制氮机系统、可寻址火气系统等）而言，一般是通过通信形式与中控系统进行交互。目前，海上油气设施应用的通信形式有Profibus总线、FF总线、CAN总线、HART协议、Modbus协议等。其中，Modbus串口通信协议由于广泛的应用、低廉的价格、公开发表并且无版权要求、易于部署和维护、对供应商来说修改移动本地的比特或字节没有限制，侦错能力强、数据传输量大、实时性好，成为海上油气设施通信的主流形式之一。

三、海上油气平台计量系统故障的原因分析与解决方案

下面将以两种因Modbus通信兼容性问题造成的通信故障进行分析。

（一）周期性写入导致的通信不兼容

某控制产品搭建的PCS系统在工程中与现场的计量设备进行通信，中控系统进行组态后初步与现场计量设备完成通信，但始终无法正常使用。该计量设备采用单片机控制单元，作为从站与PCS系统通信。正常的通信流程为，PCS系统通过通信对特定寄存器写入整数1（INT型变量），计量系统特定寄存器写入成功后开展吹扫作业；20分钟后吹扫结束，PCS系统写入整数3，开始计量，计量时间（可通过PCS进行调节）结束后表征计量系统工作状态的特定寄存器地址自动设置为0（0代表系统处于停止状态）。

系统组态完成后，现场工程师发现计量系统无法通过PCS与计量系统的通信完成预定功能。经过反复测试，现场出现的故障状态为系统经过吹扫完成后，反复出现重新开始计量的情况。根据现场反复排查，现场工程师发现是通信系统的兼容性出现了问题。搭建PCS系统的控制产品，其Modbus通信协议下，其读写命令是周期性执行的，也就是在每个定义周期下，都会对从站进行轮询读写；而计量系统的Modbus通信，其控制计量开始的状态位，并没有在开始计量后就保护起来不允许写入的设置。这种不兼容的情况导致吹扫完成开始计量时，PCS在每个通信周期内都会对计量开始状态位赋值，而每次赋值都会导致计量重新开始。

发现故障后，双方工程师针对现场故障开展了一系列测试。计量系统的工程师使用其功能测试工具进行系统测试，发现计量系统的通信正常，通过内部上位机和串口调试工具均顺利完成预定功能；中控PCS工程师针对中控系统进行内部测试，发现周期内读写命令正常。但这样是无法解决系统之间故障的，经过反复测试，在最终确认周期性写入命令是导致系统无法正常运行的最终原因后，中控PCS工程师发现该控制产品不具备Modbus写入变位使能的功能（因其不是标准Modbus的功能要求）。后续经过反复磋商，最终计量系统通过新增空白控制命令状态位（如定义该状态位为5时，系统不进行任何操作），同时PCS程序在写入开始计量命令后立刻变为空白命令，以防止重复下发开始计量命令，故障顺利解决。

（二）数据长度不一致导致的通信不兼容

某海上油气平台中控系统改造中采用品牌中控系统搭建全新的中控系统。该平台处于海上油田群（图1）中，且承担海上油气生产的作用。由于海上油气运输依靠预埋设的海底管线，且油田群中的各平台是依次接入到海底管线中的，因此各平台的生产流程直接关系到上下游平台的正常生产，各平台通过Modbus-TCP协议将重要的关断信号传输至中心设施以统一协调。中控系统改造完成后，通过通信网络建立Modbus-TCP协议建立关断通信的工作迟迟不能完成。

由于海上油气生产所处环境的特殊性，其远距离通信存在诸多限制条件，一般较远距离的通信应用海底管线附属的光缆或微波进行通信。其关断Modbus-TCP通信网络的通信依托该区域已建立的MESH网络，而MESH网络则通过中心（即FPSO）和各生产平台之间的微波进行通信。由于网络系统结构复杂，中间经过的网络设备很多，故障原因很难判断。现场工程师先是在平台中控系统交换机处用电脑通过串口调试工具对Modbus-TCP从站设置进行检验，确定了从站接收命令和发送数据正常；随后在通信链路上的MESH网络接口上进行通信测试，发现平台与中心设施的通信也正常；然后在通信网络上的各级交换机处均进行系统测试，发现通信网络均可以正常通信。最终经过串口调试工具的多次测试，发现中心设施的主站经通信网络到平台中控发送端的网络正常；平台地从站经过通信网络到中心设施的中控系统主站发送端也是正常的。这就代表唯一可能的通信故障原因是系统之间的数据对应出现了问题。

由于关断系统采用的是SIL3认证的控制产品搭建的，其中控串口通信数据需要在系统内进行定义。经过定义的通信数据放置于特殊的数据缓存区，并在需要时开放外部訪问该数据缓存区的访问权限。经过反复的测试与试验，最终工程师确认现场的故障原因为主站访问数据缓存区失败。但通过串口调试工具的测试，发现数据缓存区的访问是正常的。最终，通过对两侧通信程序的核对，发现主站的数据读取需求为读取20个整数（INT型变量），而从站在数据缓存区仅仅放置了15个整数（INT型变量），缓存区数据不足以使主站完成所有数据读取，出于安全仪表系统设计的要求，系统拒绝了主站的访问需求。随后通过修改从站缓存数据量，最终完成数据通信。

（三） Modbus通信中的注意事项

Modbus通信协议由其结构决定，主要的兼容性问题往往是通信的双方之间并未就数据信息达成一致造成的。

Modbu通信协议下，主要需要关注的内容包括：

1.通信的基础数据。如数据长度、从站地址、波特率、有无奇偶校验、有无停止位等，这些数据是建立通信的基础数据。

2.通信的功能码。功能码决定了主站从车站读取的数据存储区域，读取的数据长度等信息。

3.数据的对应关系。数据的对应关系决定了如何应用通信程序编写，进而通过读写寄存器等最终完成控制逻辑。在实际工程中，因数据的对应关系和使用不当造成的通信不兼容现象比比皆是。

对于大部分工程项目而言，数据的长度并不需要主从站读写数据长度完全一致。但系统内的从站数据应稍多于主站要求数据，这样数据读写才能顺利开展。尤其是当系统内存在安全仪表系统时，数据长度应当重点关注。

四、结语

综上所述，控制系统在海上油气平台中的作用及重要性不言而喻。而Modbus通信协议的应用也是不可避免的。然而，由于兼容性问题，Modbus通信协议在海上油气平台控制系统中的应用也不是完全顺利的。本文通过实际案例分析，为控制系统运维人员提供了一定的参考和帮助。只有不断加强技术学习和掌握Modbus通信协议的使用方法，才能更好地维护和管理海上油气平台控制系统，确保生产和安全。

参考文献：

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[3]肖宇，刘荆飞，瞿斌梅.基于MODBUS通信协议拓展装置新功能的设计[J].中国科技信息，2022（02）：73-75.