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摘要：本文主要讨论Honeywell PKS系统与Tricon PLC之间通过Modbus协议进行实时通讯的开发与应用，介绍了Modbus协议的特点，对两系统的结构、硬件配置和软件组态方面作了较为详细的说明。
关键词：Modbus通信协议；PKS系统；Tricon PLC
1引言：
辽阳石化140万吨/年连续重整装置控制系统采用DCS（集散控制系统）、PLC（可编程控制器）相结合的方式完成对整个装置的自动控制。其中DCS系统采用霍尼韦尔新一代的Experion PKS控制系统，实现对整个装置的整体控制。PLC采用TRICON控制系统，完成对循环氢气压缩机组K261的控制。Tricon PLC独立于PKS系统，在正常情况下，TRICON系统自动运行，不需要人为干预。但为了DCS操作人员监视压缩机过程数据，有必要将压缩机的关键数据传至DCS中进行显示，这就涉及到PKS与TRICON之间的数据通讯问题。这里我们利用MODBUS通讯协议实现Honeywell PKS系统与Tricon PLC之间的串行通讯。
2 Modbus协议简介
Modbus是Modicon公司于1979年提出的一种通讯协议，经过多年的实际应用，已经成为一种应用于工业控制器上的标准通讯协议。有了它，不同厂商生产的控制系统可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通讯的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，以及怎样侦测错误并记录，它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通讯时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种动作。如果需要回应，控制器将产生反馈信息，并用Modbus协议发出。
2.1 Modbus报文
如图1所示，Modbus通讯使用查询-响应会话技术，即主设备初始化查询，从设备做出响应。主设备单独和从设备通讯，也能以广播方式和所有从设备通讯。Modbus主设备查询的格式：从设备地址、功能代码、起始地址、所查询的数据量、错误检测域。从设备响应消息的格式：从设备地址、功能代码、数据长度、响应的数据、错误检测域。
2.2 Modbus传输方式
Modbus协议有两种传输模式：ASCII（美国标准信息交换代码）或RTU（远程终端单元）。它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等）。在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。ASCII模式通信的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。RTU模式通信的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。
2.3 错误检测方法
标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测（LRC或CRC）应用于整个消息。其中CRC（循环冗余校验）用于RTU模式；LRC（纵向冗余校验）用于ASCII模式。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔，这个时间间隔要足够长，以使任何从设备都能作出正常响应。如果从设备侦测到传输错误，消息将不会被接收，也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时错误。
3 系统结构及TRICON系统组态
如图2所示，Honeywell PKS系统采用冗余结构，通过CISCO（思科）Catalyst 2960系列交换机把控制器、服务器、操作站连接在一个FTE（容错以太网）网络中。基本网段IP地址为10.1.0.1；子网掩码为255.255.255.0。Tricon系统采用三重化冗余的结构，主要包括3块控制器、2块冗余通讯卡及其它I/O卡件。两套系统通过串口服务器Moxa NPort5630连接在一起。
3.1 通讯模件配置
TCM 4351（Tricon通讯模块）作为Tricon专有通讯卡件支持多种通讯协议及物理连接方式。具有2个网口，4个串口，1个专用调试口，可以实现10/100M以太网，RS232/485等。冗余的4351通讯卡安装在Tricon主机架的第7个槽位，保障了通讯的可靠性及安全性。每一个串口具有一个唯一的地址，并且可以被組态为MODBUS主站或者从站。我们采用PLC与DCS point-to-point（点对点）的拓扑结构，采用RS-485两线制半双工的数据传输方式，连接头为DB9标准接口。最大传输距离为1220m。
如图3所示，使用TriStation 1131组态软件设置TCM卡的串口参数。设置通讯协议为MODBUS SLAVE RTU；从站地址为1；允许写端口；波特率为19200；8位数据传输格式；1位停止位；进行奇校验；传输模式为RS485，两线制的RS485必须勾选握手协议。
3.2 数据地址
如表1所示，Modbus地址由5位数字组成，包括起始的数据类型代号，以及后面的偏移地址。
如表2所示，实型数据的地址比较特殊。Tricon控制器通过Modbus协议传输32位浮点型数据需要使用特殊的映射通讯地址。它把一个32位的浮点型数据映射为两个16位的整型数据，其中高16位映射为一个Modbus整型地址n，低16位映射为n+1。例如：地址为41001的Memory REAL，Read/Write（可读/写内存实型）数据，对应的MODBUS地址高16位为42001，低16位为42002。
3.3 串口服务器组态 MOXA串口服务器Nport 5630-8为串口设备连接到以太网提供了便捷的传输方式。只需要做一些简单的配置任务，就可以使现有的串口设备做好了联网的准备。此外，NPort5630系列可以直接进行串口和以太网接口的双向传输数据；同时集中管理串口设备和分散的主机系统。其特点如下：
·简单易用的LCM状态显示及设置。
·10/100 M自适应以太网络。
·8个RS-485/422串口。
·所有串口信号带突波保护（15 KV ESD）。
·提供TCP Server，TCP Client，UDP等操作模式。
·提供ARP、web console、telnet console等进行设置。
·提供SNMP MIB-II来提供网络管理。
·支持静态IP、DHCP、BOOTP协议。
主要参数设置如下：
网络设置
IP CONFIG：STATIC；IP 地址：10.1.0.79/80；子网掩码：255.255.255.0，网关：10.1.0.254。
串口设置
波特率：19200；数据位：8；停止位：1；奇偶校验：奇；接口：RS485 2wire；操作模式：TCP server；PORT1端口号：4001。
如图4所示，串口服务器端的物理连接采用RJ-45接口，其中引脚5接Data-、引脚6接Data+、引脚7接GND。Tricon TCM端采用标准DB9 Female连接头。
4 Experion PKS系统组态
Experion PKS系统主要采用Configuration Studio组态软件包中的Quick Builder软件实现第三方通讯点的组态。包括：Channel（通道）、Controller（控制器）、Point（点）三方面的组态设置。为了更好地理解，我们以TIC2605（K261压缩机组润滑油温度控制回路）为例说明组态过程。整个控制回路包括4个参数，分别为测量值（PV）、设定值（SP）、输出值（OP）以及操作模式（MD）。
4.1 通道组态
通道组态用于建立MODBUS通讯协议的连接，参数的设置要跟串口服务器相对应。定义一个名称为K261CH的Modbus通道。主要参数设置如下：通讯报警边缘限Marginal Alarm Limit（MAL）用于产生一个高优先级的通讯故障报警。MAL的计算公式：控制器数量开方X每个控制器MAL值。通讯失败报警限Fail Alarm Limit（FAL）一设置般为通道MAL的2倍。端口类型选择Terminal Server；协议为Modbus RTU；Terminal Server TCP Host Name（串口服务器TCP IP地址）为10.1.0.79、冗余端口设置为10.1.0.80；Terminal Server TCP Port No（串口服务器TCP端口号）为4001，对应Nport 5630第一个端口。
4.2 控制器组态
这里建立的控制器是依据Modbus协议定义的逻辑控制器，而不是物理上的控制器。控制器对应具体的数据类型，我们建立4个Modbus控制器，分别为K261CTLAI（只读模拟量控制器）、K261CTLAIH（可读/写模拟量控制器）、K261CTLDI（只读数字量控制器）、K261CTLDO（可读/写数字量控制器），对应的数据类型分别为Input Register、Holding Register、Digital Input和Digital Output。PLC Station ID（从站地址）设为1，Channel Name（通道名称）是K261CH。
4.3 点组态
如图5所示，我们建立一个名称为TIC2605的模拟量点，必须指定Parent Asset（区域），这里为REF；扫描周期一般设置为5秒；量程为0-100°C。控制点的Source Address（源地址）设置是关键也是难点，设置的正确与否将直接影响通讯结果的正误。源地址的格式为“控制器 地址 解析码”，其中控制器和解析码由控制点的数据类型决定，地址为去掉功能号的Modbus通讯地址。TIC2605控制回路的源地址组态参数详见表3。
整型数据是Modbus通讯中一种常见的数据类型，PKS系统提供了一些常用的16位整型数据解析码，详见表4。
Tricon PLC中输入整型测量值PV的数据范围为819-4095，PKS系统没有合适的解析码。
我们使用PKS系统软件包中的“User-defined Data Format”工具建立自定义的数据格式。打开Station软件，从菜单栏中选择 Configure > Application Development > User-defined Data Formats。建立一个名称为KJC_1的解析码，其中Data type（数据类型）：INT2（16位整型）；Conversion type（转换类型）：Linear（线性）；Field value（现场值）：Node1 =819；Node2=4095；Converted value（转换值）：Node1 =0；Node2=1。这样解析码KJC_1就把数据819-4095进行线性量程转换成为0-1。
对于32位的实型数据，PKS系统提供4种常用的解析码，分别为：IEEEFPB（大端格式）；IEEEFPBB（字节交换的大端格式）；IEEEFPL（小端格式）；IEEEFPLB（字节交换的小端格式）。我们以设定值SP为例说明实型数据的读取方式。例如SP值为47，对应的32位浮点数为3C 42 00 00。在Tricon內存中为大端存取模式，其中MSB（最高有效位）3c 42两个字节存放在低地址42001中，LSB（最低有效位）00 00两个字节存放在高地址42002中。PKS系统读取Modbus浮点型数据是按address、address-1方式读取。所以读取到的数据格式为00 00 3c 42，这种数据格式也就是交换字节的小端格式IEEEFPLB。
5 总结
PKS系统与Tricon PLC之间的通信已经完成，两系统流程图画面上显示的数值完全一致，能够很好地对这些数据进行监控。PKS系统与Tricon PLC之间的顺利通信，使操作人员在监视工艺过程运行情况的同时，还能及时监视压缩机组某些重要测量点的实时值，不但减小了PKS系统的控制负荷，提高了控制精度，而且费用较低、安装方便，降低了系统的投资成本。
参考文献：
[1] Honeywel1.Experion Quick Builder Guide.EP-DSX285，R310，2007，11：75—131.
[2] TRICON.Communication Guide for Tricon v9–v10 Systems.Tricon Manual，2009，11：74—88.
[3]王刚，王玉琪，王冰.用Modbus协议实现DCS与PLC之间的串行通讯. 自动化技术与应用，2010，29（4）：45—47.
作者简介：
赵钊，男，1982年出生，工程师，学士，研究方向：仪表自动化设备应用与维护。
关键词：Modbus通信协议；PKS系统；Tricon PLC
1引言：
辽阳石化140万吨/年连续重整装置控制系统采用DCS（集散控制系统）、PLC（可编程控制器）相结合的方式完成对整个装置的自动控制。其中DCS系统采用霍尼韦尔新一代的Experion PKS控制系统，实现对整个装置的整体控制。PLC采用TRICON控制系统，完成对循环氢气压缩机组K261的控制。Tricon PLC独立于PKS系统，在正常情况下，TRICON系统自动运行，不需要人为干预。但为了DCS操作人员监视压缩机过程数据，有必要将压缩机的关键数据传至DCS中进行显示，这就涉及到PKS与TRICON之间的数据通讯问题。这里我们利用MODBUS通讯协议实现Honeywell PKS系统与Tricon PLC之间的串行通讯。
2 Modbus协议简介
Modbus是Modicon公司于1979年提出的一种通讯协议，经过多年的实际应用，已经成为一种应用于工业控制器上的标准通讯协议。有了它，不同厂商生产的控制系统可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通讯的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，以及怎样侦测错误并记录，它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通讯时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种动作。如果需要回应，控制器将产生反馈信息，并用Modbus协议发出。
2.1 Modbus报文
如图1所示，Modbus通讯使用查询-响应会话技术，即主设备初始化查询，从设备做出响应。主设备单独和从设备通讯，也能以广播方式和所有从设备通讯。Modbus主设备查询的格式：从设备地址、功能代码、起始地址、所查询的数据量、错误检测域。从设备响应消息的格式：从设备地址、功能代码、数据长度、响应的数据、错误检测域。
2.2 Modbus传输方式
Modbus协议有两种传输模式：ASCII（美国标准信息交换代码）或RTU（远程终端单元）。它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等）。在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。ASCII模式通信的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。RTU模式通信的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。
2.3 错误检测方法
标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测（LRC或CRC）应用于整个消息。其中CRC（循环冗余校验）用于RTU模式；LRC（纵向冗余校验）用于ASCII模式。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔，这个时间间隔要足够长，以使任何从设备都能作出正常响应。如果从设备侦测到传输错误，消息将不会被接收，也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时错误。
3 系统结构及TRICON系统组态
如图2所示，Honeywell PKS系统采用冗余结构，通过CISCO（思科）Catalyst 2960系列交换机把控制器、服务器、操作站连接在一个FTE（容错以太网）网络中。基本网段IP地址为10.1.0.1；子网掩码为255.255.255.0。Tricon系统采用三重化冗余的结构，主要包括3块控制器、2块冗余通讯卡及其它I/O卡件。两套系统通过串口服务器Moxa NPort5630连接在一起。
3.1 通讯模件配置
TCM 4351（Tricon通讯模块）作为Tricon专有通讯卡件支持多种通讯协议及物理连接方式。具有2个网口，4个串口，1个专用调试口，可以实现10/100M以太网，RS232/485等。冗余的4351通讯卡安装在Tricon主机架的第7个槽位，保障了通讯的可靠性及安全性。每一个串口具有一个唯一的地址，并且可以被組态为MODBUS主站或者从站。我们采用PLC与DCS point-to-point（点对点）的拓扑结构，采用RS-485两线制半双工的数据传输方式，连接头为DB9标准接口。最大传输距离为1220m。
如图3所示，使用TriStation 1131组态软件设置TCM卡的串口参数。设置通讯协议为MODBUS SLAVE RTU；从站地址为1；允许写端口；波特率为19200；8位数据传输格式；1位停止位；进行奇校验；传输模式为RS485，两线制的RS485必须勾选握手协议。
3.2 数据地址
如表1所示，Modbus地址由5位数字组成，包括起始的数据类型代号，以及后面的偏移地址。
如表2所示，实型数据的地址比较特殊。Tricon控制器通过Modbus协议传输32位浮点型数据需要使用特殊的映射通讯地址。它把一个32位的浮点型数据映射为两个16位的整型数据，其中高16位映射为一个Modbus整型地址n，低16位映射为n+1。例如：地址为41001的Memory REAL，Read/Write（可读/写内存实型）数据，对应的MODBUS地址高16位为42001，低16位为42002。
3.3 串口服务器组态 MOXA串口服务器Nport 5630-8为串口设备连接到以太网提供了便捷的传输方式。只需要做一些简单的配置任务，就可以使现有的串口设备做好了联网的准备。此外，NPort5630系列可以直接进行串口和以太网接口的双向传输数据；同时集中管理串口设备和分散的主机系统。其特点如下：
·简单易用的LCM状态显示及设置。
·10/100 M自适应以太网络。
·8个RS-485/422串口。
·所有串口信号带突波保护（15 KV ESD）。
·提供TCP Server，TCP Client，UDP等操作模式。
·提供ARP、web console、telnet console等进行设置。
·提供SNMP MIB-II来提供网络管理。
·支持静态IP、DHCP、BOOTP协议。
主要参数设置如下：
网络设置
IP CONFIG：STATIC；IP 地址：10.1.0.79/80；子网掩码：255.255.255.0，网关：10.1.0.254。
串口设置
波特率：19200；数据位：8；停止位：1；奇偶校验：奇；接口：RS485 2wire；操作模式：TCP server；PORT1端口号：4001。
如图4所示，串口服务器端的物理连接采用RJ-45接口，其中引脚5接Data-、引脚6接Data+、引脚7接GND。Tricon TCM端采用标准DB9 Female连接头。
4 Experion PKS系统组态
Experion PKS系统主要采用Configuration Studio组态软件包中的Quick Builder软件实现第三方通讯点的组态。包括：Channel（通道）、Controller（控制器）、Point（点）三方面的组态设置。为了更好地理解，我们以TIC2605（K261压缩机组润滑油温度控制回路）为例说明组态过程。整个控制回路包括4个参数，分别为测量值（PV）、设定值（SP）、输出值（OP）以及操作模式（MD）。
4.1 通道组态
通道组态用于建立MODBUS通讯协议的连接，参数的设置要跟串口服务器相对应。定义一个名称为K261CH的Modbus通道。主要参数设置如下：通讯报警边缘限Marginal Alarm Limit（MAL）用于产生一个高优先级的通讯故障报警。MAL的计算公式：控制器数量开方X每个控制器MAL值。通讯失败报警限Fail Alarm Limit（FAL）一设置般为通道MAL的2倍。端口类型选择Terminal Server；协议为Modbus RTU；Terminal Server TCP Host Name（串口服务器TCP IP地址）为10.1.0.79、冗余端口设置为10.1.0.80；Terminal Server TCP Port No（串口服务器TCP端口号）为4001，对应Nport 5630第一个端口。
4.2 控制器组态
这里建立的控制器是依据Modbus协议定义的逻辑控制器，而不是物理上的控制器。控制器对应具体的数据类型，我们建立4个Modbus控制器，分别为K261CTLAI（只读模拟量控制器）、K261CTLAIH（可读/写模拟量控制器）、K261CTLDI（只读数字量控制器）、K261CTLDO（可读/写数字量控制器），对应的数据类型分别为Input Register、Holding Register、Digital Input和Digital Output。PLC Station ID（从站地址）设为1，Channel Name（通道名称）是K261CH。
4.3 点组态
如图5所示，我们建立一个名称为TIC2605的模拟量点，必须指定Parent Asset（区域），这里为REF；扫描周期一般设置为5秒；量程为0-100°C。控制点的Source Address（源地址）设置是关键也是难点，设置的正确与否将直接影响通讯结果的正误。源地址的格式为“控制器 地址 解析码”，其中控制器和解析码由控制点的数据类型决定，地址为去掉功能号的Modbus通讯地址。TIC2605控制回路的源地址组态参数详见表3。
整型数据是Modbus通讯中一种常见的数据类型，PKS系统提供了一些常用的16位整型数据解析码，详见表4。
Tricon PLC中输入整型测量值PV的数据范围为819-4095，PKS系统没有合适的解析码。
我们使用PKS系统软件包中的“User-defined Data Format”工具建立自定义的数据格式。打开Station软件，从菜单栏中选择 Configure > Application Development > User-defined Data Formats。建立一个名称为KJC_1的解析码，其中Data type（数据类型）：INT2（16位整型）；Conversion type（转换类型）：Linear（线性）；Field value（现场值）：Node1 =819；Node2=4095；Converted value（转换值）：Node1 =0；Node2=1。这样解析码KJC_1就把数据819-4095进行线性量程转换成为0-1。
对于32位的实型数据，PKS系统提供4种常用的解析码，分别为：IEEEFPB（大端格式）；IEEEFPBB（字节交换的大端格式）；IEEEFPL（小端格式）；IEEEFPLB（字节交换的小端格式）。我们以设定值SP为例说明实型数据的读取方式。例如SP值为47，对应的32位浮点数为3C 42 00 00。在Tricon內存中为大端存取模式，其中MSB（最高有效位）3c 42两个字节存放在低地址42001中，LSB（最低有效位）00 00两个字节存放在高地址42002中。PKS系统读取Modbus浮点型数据是按address、address-1方式读取。所以读取到的数据格式为00 00 3c 42，这种数据格式也就是交换字节的小端格式IEEEFPLB。
5 总结
PKS系统与Tricon PLC之间的通信已经完成，两系统流程图画面上显示的数值完全一致，能够很好地对这些数据进行监控。PKS系统与Tricon PLC之间的顺利通信，使操作人员在监视工艺过程运行情况的同时，还能及时监视压缩机组某些重要测量点的实时值，不但减小了PKS系统的控制负荷，提高了控制精度，而且费用较低、安装方便，降低了系统的投资成本。
参考文献：
[1] Honeywel1.Experion Quick Builder Guide.EP-DSX285，R310，2007，11：75—131.
[2] TRICON.Communication Guide for Tricon v9–v10 Systems.Tricon Manual，2009，11：74—88.
[3]王刚，王玉琪，王冰.用Modbus协议实现DCS与PLC之间的串行通讯. 自动化技术与应用，2010，29（4）：45—47.
作者简介：
赵钊，男，1982年出生，工程师，学士，研究方向：仪表自动化设备应用与维护。