CS3000和Tricon系统的Modbus通信探讨

黄军政 杨权文 王晓春 马润波

(新疆独山子石化公司乙烯厂仪表车间，新疆 克拉玛依 833600)

0 引言

在化工生产中，常常需要将来自现场的仪表信号通过Modbus通信在监测控制、联锁保护等系统之间传递，以实现仪表信号在不同控制系统中的数据共享。这种数据通信在当今化工生产中已经被普遍采用并标准化，但是仍然需要用户根据具体情况灵活应用。本文对CS3000系统和Tricon SIS系统之间的Modbus通信进行了探讨。

1 Modbus协议简介

1.1 Modbus的定义

Modbus的最初定义是:Modicon的各种控制器所使用的公共语言称为Modbus协议［1］。该协议定义了控制器能识别和使用的信息结构。通信分主从站，一个主站最多可以有32个从站。当通信接口采用RS-232时，最大传输距离为15 m，仅用于点对点通信;当采用RS-422时，最大传输距离为1 220 m，但仅用于点对点通信;当采用RS-485时，最大传输距离为1 220 m，可用于点对点或多点串行通信，RS-485可用2线或4线电缆，均采用双绞线，以提高抗干扰能力。

Modbus有两种通信模式:ASCII模式和远程终端装置(remote terminal unit，RTU)模式。

当控制器以ASCII模式在Modbus总线上进行通信时，是将原始数据信息中的每8 bit数据信息转换为2个以16进制表示的ASCII字符传输。这种模式效率较低，只能传输7 bit的老式设备。

当控制器以RTU模式在Modbus总线上进行通信时，数据信息是以原始的二进制传输的，效率高。因此本设计的集散控制系统(distributed control system，DCS)和安全仪表系统(safety instrument system，SIS)的Modbus通信都采用RTU模式。

1.2 Modbus的消息体结构

当DCS与其他控制系统采用RS-485串口进行Modbus通信时，必须采用RTU模式，以消息帧的形式传输。RTU模式的Modbus消息结构图如图1所示。

图1 Modbus消息结构图Fig.1 Structure of Modbus message

消息帧正文包括:地址域、功能码、数据域和校验域。每个消息帧的开始和结尾是3.5个字符传输时间的静默［2］。

Modbus网络上的每个设备都有唯一的地址码，范围为1～247。当一个主设备在Modbus网络上发出一个请求时，该网络上的所有从设备将解码该消息帧中的设备地址域，以决定它是否是发给自己的。只有地址码与消息帧地址域中地址码相同的设备才会做出响应，其他设备将丢弃这个请求。

消息中的功能代码表示被寻址的从设备应执行的动作类型。Modbus功能码简要说明如表1所示。

表1 Modbus功能码Tab.1 Functional code of Modbus

数据域中的内容就是功能码所表示的操作功能的操作对象。在查询消息中，数据域由数据起始地址和数据长度组成，它们分别占用2 B。在响应消息中，数据域包括数据长度(2 B)和数据内容。

校验域用于检查传输过程中的错误，保证设备不去响应错误消息，提高系统的安全性。校验采用循环冗余校验CRC16。

2 与Modbus通信相关的硬件功能简介

在CS3000和Tricon的通信中，CS3000为主站，Triconex为从站。CS3000的 ALR121是该系统的Modbus专用模块，它将传输信息按Modbus协议进行打包处理，然后通过RS-485串口通信将信息传输给Triconex的 TCM通信模块。CS3000和 Tricon的Modbus连接图如图2所示。

图2 CS3000与Tricon的Modbus连接图Fig.2 Modbus connections between CS3000 and Tricon

Tricon是带3个主处理器的三重冗余系统，TCM与DCS通信通过Modbus总线，而与3个主处理器的通信是通过Tricon内部的通信总线。

3 CS3000与Tricon之间的Modbus组态

3.1 与Modbus通信相关的硬件组态

3.1.1 CS3000 系统 ALR121 硬件组态

在系统组态画面System View中，选中与PLC连接的ALR121卡。右键单击，在跳出的属性设置对话框中进行参数定义，如波特率、偶校验、响应时间等。属性对话框中Card Common属性页的Connnection Device一项一定要选Modbus。

3.1.2 Tricon系统TCM硬件通信组态

TCM硬件组态分为网络接口组态、串口组态、点对点接口组态、Modbus TCP接口组态、路由组态等。

Tricon TCM硬件通信组态步骤如下。

①在Tristation中，打开要组态的项目，然后展开控制树，双击组态，展开硬件配置。

②双击安装有TCM的槽，在出现的对话框中点击Setup。

③在出现的TCM设置对话框中选择Modbus TCP，打开下一级对话框，完成 Modbus通信组态［3］。

3.2 与Modbus通信相关的软件组态

3.2.1 ALR121 通信卡的 Modbus软件组态

在定义完ALR121通信卡属性后，最重要的一项工作就是在 ALR121中定义通信点的地址［4］。在System View中对应的Flash通信服务器(flash communication server，FCS)中找到要组态的 ALR121，右击该图标选择 Edit Detail，出现 communication building，其中关键参数如下。

Size:4;

Port:1;

Station:1;

Device＆Address:A31030;

Ddata Type:input(discrete)。

其中，Device＆Address的地址 A31030是SIS编程者提供的Modbus通信地址的起始地址，以后的排列顺序必须与 SIS提供的地址表相一致。“Device＆Address”在 Modbus PLC的地址结构如下:

在本例中(Device＆Address:A31030):A为CS3000功能码，表示读或写Tricon中打包好的数据，一次读写16 bits;“3”表示CS3000要读的信息存储在Tricon的输入寄存器内;“1030”表示Tricon中输入寄存器的初始地址。

ALR121字地址分配图如图3所示。

图3 ALR121字地址分配图Fig.3 Distribution map of ALR121 word address

3.2.2 数字量的Modbus通信组态

对于数字量通信，在定义完硬件地址A31030等参数后，应记住%WW0089地址，然后在所在FCS的Switch表格中定义通信点变量详细地址。由于1字符=2 B=16 bit，因此%WW0089对应Switch表格中的%WB008901～%WB008916，可以定义16个数字量。按照SIS程序提供的通信变量顺序，将变量分配给%WB008901～%WB008916。其中Switch表格中的Tag Name是在CS3000系统中调用的变量名称。

3.2.3 模拟量的Modbus通信组态

模拟量的Modbus通信可以采用以无符号16位整型数的形式传输和以浮点数的形式传输。

3.2.3.1 以无符号16位整型数的形式传输

对于由Tricon通信到 CS3000的模拟量信号，Tricon将一个模拟量转换成一个无符号16位整型数，取值范围为819～4 095，并赋予别名，每个别名对应一个Modbus地址。CS3000根据Modbus地址收到该信号后，将此无符号16位整型数放在ALR121的一个%WWxxxx中，并在 Data Type中选16-bit unsigned(16位无符号整型数);然后在Control Drawing中组态时采用PVI显示模块。该模块输入地址为%WWxxxx，从而将信号值传到 PVI中处理。在 PVI显示模块 Edit Detail中的 Input菜单下填入利用式(1)计算出的GAIN和BIAS值，将无符号16位整型数转换成CS3000所需要的工程值。Tricon整型数与实型数对应图如图4所示。

图4 Tricon整型数与实型数对应图Fig.4 Corresponding graph of Tricon integer and real number

式中:Y为HIS中显示的PV，即图4中的实数值;X为通过Modbus传到DCS的数据(无符号16 bit整型数)，即图4中(Modbus最大值－Modbus最小值)之间的值，这里取值范围为0～32 767;GAIN为“斜率”，即图4中(量程上限 －量限下限)/(Modbus最大值 －Modbus最小值);BIAS为偏差值，即图4中量程下限。

3.2.3.2 以浮点数的形式传输

以浮点数的形式传输是指Tricon将一个模拟量直接转换成用浮点数表示的工程量，并赋予别名，每个别名对应一个Modbus地址。CS3000根据Modbus地址收到该信号后，将此浮点数放在ALR121的一个%WWxxxx中，并在Data Type中选32-bit floating(32位浮点数)。然后在Control Drawing中组态时采用PVI显示模块，模块输入地址为%WWxxxx，从而将信号值传至PVI中。此时无需再利用式(1)就可以在DCS中显示该值的工程量。

3.2.4 Tricon 别名的使用规则

Tricon系统对每一个变量分配一个别名，每个别名对应一个唯一的Modbus地址，这样Modbus主机或其他外部的计算机可以通过Modbus地址来访问Tricon控制器内的数据。

Tricon系统使用三种类型的变量和别名，即输入/输出变量、内存变量、系统变量。

①输入/输出别名是在用户安装或拆下输入/输出卡件时由Tricon自动分配的。

②内存别名必须由编程者根据协议、规则制定分配。

③系统别名由Tricon预定义，而且不能改变。

别名由五个数字组成，表2给出了Modbus数据类型表示方法。

表2 别名与Modbus数据类型对照表Tab.2 Contrast between alias and Modbus data type

值得注意的是，数字2～数字5中的数据须经过转换才是真正的Modbus地址。

3.2.5 Tricon 中的 Modbus程序

Tricon支持布尔型数、16位整型数、32位整型数和32位实型数等。假如Tricon有16个数字量信号需要传输到DCS，则系统将这16个数字量信号打包装入一个16位输入寄存器中，并且给它分配Modbus地址(从31030开始)。DCS通过这个地址可以读到相应信息。然后CS3000使用Communication I/O Builder将信息包中信息分配给DCS系统中的Switch开关量，同时给这些开关量指定tag name，以备CS3000调用。若Tricon通过Modbus通信接收到来自CS3000的信息，则使用拆包程序，Tricon可以使用这些拆分好的开关量信息参与逻辑运算。

4 结束语

本设计中DCS采用的是CS3000系统，SIS采用Tricon三重冗余系统，压缩机状态检测采用本特利3500系统，压缩机速度控制系统采用Woodward505。以上各系统均可以实现Modbus通信，因此，Modbus通信在实际应用中非常普遍，发挥着十分重要的作用。本文仅对DCS和SIS之间的Modbus通信进行了比较全面的阐述，希望对大家有一定的启发作用。

［1］张喆，姜薇.TriStation 1131配置及应用［M］.上海:上海福克斯波罗有限公司，2006.

［2］刘文权，刘玲，张文.如何建立CS3000与子系统的MODBUS通讯［J］.化工自动化及仪表，2010，37(10):118 －120.

［3］赵恒.内嵌Modbus协议的通用监控模块［J］.自动化仪表，2010，31(12):12 －15.

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