浅谈如何实现ABB DCS与和利时DCS通信

黄 景，胡勇刚，彭光华

（江西铜业铅锌金属有限公司 ，江西 九江 332500）

1 引言

铅锌公司采用了当今世界技术经济指标先进、自动化程度高的基夫赛特法炼铅工艺和常规湿法炼锌工艺，该工艺可建立企业内部物料循环系统，实现清洁生产。即利用铅系统处理锌系统的二次物料，利用锌系统处理铅系统的二次物料，提高金属回收率和资源综合利用水平，尽量实现资源综合利用的最大化和废水、废渣、废气排放的最小化，形成了铅锌联合冶炼循环经济产业模式。

铅冶炼工艺过程控制系统项目选用了ABB公司的ABB IndustrialIT Freelance 800F DCS控制系统，该系统配置了六个冗余的过程控制单元，各控制单元之间通过以太网组成一个通讯环网，根据铅锌联合冶炼工艺要求，其中有2个控制单元控制锌渣过滤干燥工序和烟气碱洗工序。锌冶炼系统项目采用了和利时DCS系统，配置了三个冗余控制器。公司根据实际生产需要，便于工艺生产管理操作，将锌渣过滤干燥工序和烟气碱洗工序分配给锌冶炼工艺人员管理。为实现锌冶炼中央控制室监测和控制锌渣过滤干燥工序和烟气碱洗工序中的设备，两套DCS系统之间的数据通信是必要的，本文主要介绍了ABB PM802控制器和和利时SM202控制器之间的通信构建和应用。

2 DCS系统概述及构造

DCS系统又称集散型控制系统，是计算机（computer）、通信（communication）、CRT显示和控制（control）技术（简称四C技术）发展起来的产物。它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，以及分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代的工业生产和管理要求。常规模拟调节仪表组成的过程控制系统存在许多局限性，如难以实现多变量相关对象的控制；难以实现复杂的高级控制规律和参数的集中显示与操作。由于生产规模的扩大和工艺过程的复杂，就要增加仪表，相应的模拟仪表屏也要增大。而计算机的集中DDC控制会导致危险集中。不难实现用一台计算机去控制几十个甚至上百个回路，但这样必然会降低系统的安全运行性能。集散型控制系统吸收了模拟仪表和计算机集中控制的优点，将多台微机分散应用于过程控制、全部信息经通信网络由上级计算机监控；通过显示装置、通信总线、键盘和打印机等设备，又能集中地操作、显示和报警。因此，DCS系统不仅具备极高的可靠性、多功能性，而且人—机联系便利，能够完成各类数据的采集与处理以及复杂高级的控制［1］。

一个最基本的DCS应包括四个大的部分：至少一台现场控制站，至少一台操作员站一台工程师站（也可利用一台操作员站兼做工程师站），一条系统网络。一个典型的DCS体系结构如图所示，图1中表明了DCS各主要组成部分和各部分之间的连接关系。

图1 典型的DCS体系结构

3 通信系统的构成

3.1 Modbus通信协议

Modbus通信协议，它简单可靠，通用性强，Modbus通信协议按电气特性可分为RS-232、RS-422与RS-485，按照数据流的方向可分成三种基本的传送方式：全双工、半双工、和单工。它们都是串行数据接口标准，用户可以建立自己的高层通信协议利用串口通讯实现PC机与设备之间的通讯。标准波特率系列为 110、300、600、1200、4800、9600和19200bps等［2］。Modbus 协议是主从站通讯协议，用异步串行口完成通讯，物理层采用RS485或RS232。传输速率可以达到115kbps，理论上可接（寻址）一台主站和至多247台从站［6］。受线路和设备的限制，最多可接一台主站和32台从站。Modbus 协议的某些特性是固定的，如帧格式、帧顺序、通讯错误和异常情况的处理，以及所执行的功能等，都不能随便改动。其他特性属于用户可选的，如传输介质、波特率、字符奇偶校验、停止位的个数等等，传输模式为RTU。用户所选择的参数对于各个站必须一致，在系统运行时不能改变［3］。

3.2 通信接口的设计

铅锌公司铅冶炼项目采用了ABB IndustrialIT Freelance 800F DCS系统，锌冶炼项目采用了和利时公司生产的 MACS_V4 DCS系统，这两个系统内部的控制器与I/O卡件之间均采用了Profibus DP通信协议，均开发了与Modbus协议通信的相对应的软件，支持串口通信和以太网通信，因此选用Modbus 协议将两个系统联合起来是可行的。 ABB一侧做Modbus主站,和利时一侧做Modbus从站，由此涉及到DP协议和Modbus协议之间的转换，需通讯协议转换模块，且铅备料（ABB 4#控制器）和锌焙烧（和利时1#控制器）所在厂房距离较远，因此还有用到光纤连接，需光电收发模块。具体通信结构示意图如图2［5］：

图2 DCS通信结构

3.3 通讯模块

FM020模块是和利时公司生产Modbus通讯模块，支持Profibus DP总线协议与Modbus协议，通过支持Profibus DP总线协议与控制器进行参数与数据交换实现DP从站功能，同时通过Modbus通讯协议获取或下发Modbus数据，支持功能码01、02、03、04、05、06、0F、10，FM020 模块在 Modbus一侧即可以做Modbus主站，也可以做Modbus从站［7］。

FM1202模块是和利时公司生产的光电收发模块，支持Profibus DP和RS485协议，实现了光电介质转换功能，拓展总线的物理长度，也避免了电磁干扰、雷击及化学腐蚀对信号传输的影响。

4 基于ABB Freelance 800F系统的硬件配置和软件组态

4.1 硬件连接

ABB系统采用PM803F控制器带Profibus-DP通讯模件FI830F，FI830F模件与FM020模件之间连接采用DP插头连接，FMO20与FM1202之间采用普通屏蔽双绞线传输，即FMO20模块上RS485+接FM1202模块上的A1，FMO20模块上RS485-接FM1202模块上的B1，光电收发模块FM1202与光纤终端盒之间用尾纤连接。

4.2 软件组态

为了将ABB系统与和利时FM020模块连接,需要和利时公司提供FM020模块的GSD文件，使用根据GSD文件组态的工具，可以将FM020和ABB DCS系统集成在同一组态环境中。具体组态步骤：打开ABB系统项目文件，进入硬件结构，点击4#控制器AC800FR(AC800FR4)，右击插入新对象，选择FI830FR Profibus 模件冗余，选择槽位F2并确认；点击FI830FR ，右击插入新对象，选择PROFI_M_DEV Profibus 主站，点击PROFI_M_DEV，右击插入新对象，选择PROFI_S_DEV Profibus 从设备（基于GSD),出现从设备位置对话框，输入节点号3和总线地址3后确认，选择从磁盘导入FM020模块的GSD文件即可， 最终形成DP网拓补示意图如图3［6］：

图3 ABB DCS系统DP网拓补

上图中总线地址为3的FM020-Master模块就是此次组态设置的对象。

GSD文件导入成功后，在里面按顺序插入设备状态status和设备控制control，然后添加WORD型模块read 16 words（3xxxx) 和 write 32 words（4xxxx)各一个（按通信变量100个I/O点数配置），然后在相应的字里加入需要的通信变量，在read 16 words（3xxxx)模块和 write 32 words（4xxxx)模块进行I/O编辑，进行I/O编辑，然后将要通信的变量定义，接收的通信的变量直接读取数据，发送的通信变量直接写入数据，就可以实现数据通讯功能。

4.3 参数设置

ABB DCS系统通信参数设置如表所下表1所示：主要有波特率选择19200、校验方式选择偶校验、Modbus选择主站、数据传输模式选择RTU，数据更新模式选择At Evry MD End,超时时间设置200 ms,RS232/RS485选 择 RS485，Max polling no从站回复超时最大轮训次数为10次。

表1 通信参数设置

5 基于和利时MACS_V4系统的硬件配置和软件组态

5.1 硬件连接

和利时MACS_V4 DCS系统采用SM系列硬件，其中主控单元由主控模块SM201主控机笼构成，I/O模块插入I/O机笼，机笼之间用DP电缆连接，在DP链路末端直接用DP电缆接入FM020模块，FMO20与FM1202之间连接方式和ABB DCS一端相同。

5.2 软件组态

和利时MACS_V4 DCS系统内已集成FM020模块，因此不需要GSD文件，具体组态步骤：打开项目文件，在10#控制站左方点击“+”，出现主控模块SM202，点击SM202，右击新增模块、选择模块、功能模块、通讯模块、FM020-Slave Modbus从站通讯模块，最终确认地址为46，在输入输出模块中添加变量后定义变量类型，因为ABB系统输出/接收的变量类型和和利时系统接收/输出的变量类型不一样，组态时只需加入变量类型转换功能块即可读取或发送。

5.3 FM020/Slave的配置说明

FM020模块添加完之后，点击FM020-Slave，进入DP设备属性，首先添加设备状态status和设备控制control，然后添加2个WORD型模块16 words in（4xxxx) 和 16 words out（3xxxx)一个，在此要说明的是MACS_V4 DCS系统 FM020模块里没有32words in（4xxxx)，因此用了2个WORD型模块16 words in（4xxxx)。在此说明的是两DCS系统组态时要保证Modbus存储区标识符（4xxxx) 、（3xxxx) 输入输出一 一对应。波特率、检验方式等参数都与ABB DCS系统相同，配置不同的是和利时一侧MODBUS 只能为从站。

6 FM020调试

地址设定，FM020模块的地址必须与DCS系统中定义的地址一致。 终端匹配开关的设置，FM020模块上有两个中端匹配开关（DP TRMODBUS TR)，通过匹配开关选择是否为Profibus DP总线和Modbus总线的RS485接口连接有源匹配电阻网络。

FM020模块有四个指示灯，分别代表着模块的运行状态和通信状态，可以方便地对模块的工作及运行状态进行检测，状态指示灯组合及含义如表 2［7］：

表2 FM020模块指示灯含义

7 结束语

在铅锌联合冶炼工艺系统中，通过Modbus协议将两个不同的DCS系统构成了一个可以交换信息的整体，而且通讯数据量可根据需求随时扩展，大大的方便了两套工艺间的数据交换的需求。这种通信模式，已成为当今自动化领域的应用方向［4］。该通信系统投入应用到现在近5年了，两系统之间通信性能稳定、数据准确可靠。满足了工艺的需求。

［1］董瑞龙. DCS系统设计及先进控制在DCS系统中的应用探讨[J].现代工业经济和信息化, 2016, 6(11):98-99.

［2］王彩辉.横河DCS系统Modbus通信的实现[J].中国仪器仪表，2016(8):49-51

［3］刘春艳,吴明生,罗炳浩, 等.Modbus 通信协议在 DCS 与 PLC 通信中的应用[J].化工自动化及仪表, 2014(9):1093-1095.

［4］杨星根.基于Profibus-DP协议的PLC与DCS通信设计[C]. 2014年全国第十九届自动化应用技术学术交流会论文集, 2014:117-119.

［5］丁志云.运用MODBUS协议实现了霍尼韦尔EPKS与和利时DCS的通讯[J].软件(教育现代化)(电子版), 2016(8):374-375.

［6］陈兰芳,柴山,孔彦虎. 浅谈MODBUS转PROFIBUS通讯协议转换在实际中的应用[J]. 酒钢科技, 2014(3):92-96.

［7］FM020 Modbus 通讯模块使用说明书. 和利时公司.