基于Modbus通讯协议的LC卡在电厂中的应用

谢 松，李西亮

（宁夏枣泉发电有限责任公司，银川 750409）

0 引言

宁夏枣泉电厂2×660MW超超临界火电机组DCS采用艾默生过程控制有限公司的Ovation控制系统，软件版本号3.5.1，控制器型号OCR1100。Ovation提供了基于Modbus通讯协议的链路控制器模块，以下简称LC卡，允许第三方设备或系统以串行数据通讯的方式连接到Ovation控制系统。宁夏枣泉电厂的IDAS壁温、干式电除尘控制、集控室LED大屏均通过LC卡接入DCS。本文拟从IDAS智能前端配置、LC卡参数配置、DCS逻辑组态、常见问题及原因分析4个方面阐述LC卡在电厂中的应用。

表1 Modbus功能码及作用对照表Table 1 Modbus function codes and function comparison table

1 Modbus通讯协议[1]简介

Modbus通讯协议由MODICON公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。Modbus通讯协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。标准的Modbus通讯协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。本文介绍的LC卡通讯使用的Modbus RTU报文类型和RS485接口、常用Modbus功能码及作用见表1。

2 IDAS智能前端配置

IDAS智能前端[2]需要设置从站地址、传输波特率、每个通道的信号类型，当输入信号为热电偶时还要设置冷端补偿方式：恒温补偿、自动补偿、具体通道补偿。传输数据格式为2字节16位带符号整数，且在数据传输过程中默认将数值放大20倍后以整型数值进行传输，DCS侧读取到数值后再乘以0.05转化为实际壁温数值，这样既能保证温度测量精度为0.05℃，又能减少LC卡的数据寄存器占用。

智能前端具有双网冗余功能，每台前端的CPU内有两个可同时工作的UART，AB两条总线分别送至两块LC卡，可以同时并行工作，极大地提高了总线型网络的可靠性。

智能前端通讯参数：通讯方式为半双工异步通讯；网络冗余为双Modbus总线，可同时通讯；接口类型为RS485；通讯协议为Modbus RTU；主从关系为DCS为主站，智能前端为从站；通讯波特率为9600Kbps；数据格式为起始位1/数据位8/停止位1/无奇偶校验。

3 LC卡参数配置[3]

3.1 配置文件内容

主要包括两部分：通讯参数和寄存器地址映射关系。通讯参数与第三方设备相匹配。寄存器地址映射关系中I0000表示LC卡的寄存器地址，address 0000表示智能前端的寄存器地址，data_type INT16表示数据类型为带符号整数。

platform RLC # LC卡类型

baud 9600 # 通讯波特率

data_bits 8 # 数据位

parity None # 无奇偶校验

stop_bits 1 # 停止位

duplex half # 半双工通讯方式

flow_ctl rts_on_tx # 流控方式

link_stat_reg 700 # 链接

status_hold_time 200 # 状态保持时间

group "AI" # 数据组名称

operation periodic # 周期性运行方式

interval 100 # 扫描周期

slave 1 func RHR # 从站地址及读取模拟量的功能码

point I0000 address 0000 data_type INT16 # 模拟量地址映射关系

......

point I0020 address 0020 data_type INT16

group "DI" # 数据组名称

operation periodic # 周期性运行方式

slave 1 func RIS # 从站地址及读取开关量的功能码

point D0021 address 0000 # 开关量地址映射关系

......

point D0024 address 0003

3.2 将配置文件写入LC卡

1）将刷卡批处理文件autoexec.bat、配置文件conf.txt、Modbus通讯协议支持文件modbus.exe、刷卡执行文件rlcflash.exe拷贝至工控电脑的虚拟盘LCnameSpace。

2）用通讯电缆连接工控电脑与LC卡，并打开LC Loader软件的Terminal程序。

3）对LC卡进行热拔插操作，使其重启。

4） 通过cpoy命令，将以上4个文件拷贝至LC卡存储空间（识别为A盘），并执行rlcflash命令将配置文件写入LC卡，配置完成后提示“FLASH ram successfully programmed”。

5）再次对LC卡进行热拔插操作使其重启，此时按“A”键即可查看报文，再次按“A”键停止查看。

3.3 LC卡通讯报文解读

1）通讯报文格式[4]

主站查询报文格式：

?

从站应答报文格式：

?

2）开关量报文

tx:01 02 00c8 0014 f9fb

解读：主站查询01号从站，地址200～219这20路开关量输入的状态。

解读：01号从站应答回复3个字节长度的数值，将每个字节十六进制转换为二进制，从低位到高位分别代表8个开关量的状态，1=ON；0=OFF，其数值与地址之间的对应关系如箭头所示。若查询的开关量个数不是8的倍数，则在最后的数据字节中的剩余位到字节的最高位全部填0。

3）模拟量报文

tx:01 04 0000 0014 f005

解读：主站查询01号从站，地址0～19这20个模拟量输入的数值。

解读：01号从站应答回复40个字节长度的内容，每2个字节对应一个模拟量点（定义的传输数据格式为2字节16位带符号整数），将十六进制转换为十进制即为当前模拟量输入的数值。

4 DCS逻辑组态[5]

Ovation有专门用于LC卡通讯的逻辑模块，SLC DIN、SLC DOUT、SLC AIN、SLC AOUT分别对应开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出信号。以模拟量输入逻辑模块SLC AIN为例，需要配置参数：数据类型、起始寄存器地址、主LC卡硬件地址、备LC卡硬件地址、LC卡类型。

LC卡硬件地址的计算方法：查看LC卡的模件点Module Point如D10P2B1L1，将 Hareware Address（4C0DH）的最后一位D改写为0，即4C00H。再转换为十进制19456，即为LC卡的硬件地址。

LC卡通讯故障判断逻辑：监视LC卡的模件点Module Point如D10P2B1L1的A2字段第2位的状态，通讯正常时为ON，通讯异常时为OFF，增加延时时间来组态主备卡切换逻辑。

5 常见问题及原因分析

问题1：IDAS单个温度点跳变。

原因分析：炉膛传出部分元件因含硫烟气中酸雾冷凝腐蚀热电偶，导致热电偶损坏。

问题2：单个智能前端上的全部点数据不更新，点的质量为Good，历史趋势为一条直线。

原因分析：智能前端断电或智能前端损坏。由于Modbus通讯总线是多个智能前端并联送入LC卡，故单个智能前端损坏后不会导致通讯中断，只是数据不更新，传输点的质量仍是Good。

问题3：LC卡报通讯故障，多个智能前端温度点质量变坏点。

原因分析：检查智能前端电源电缆靠近炉顶支吊架，支吊架处温度227℃，将电缆绝缘皮烫坏，导致电缆短路，上级电源柜空开跳闸，导致所有智能前端失电，Modbus通讯中断，故DCS上温度全部变坏点。

问题4：LC卡在冬季环境温度低于0℃后通讯中断，当环境温度高于0℃后，LC卡通讯恢复正常。

原因分析：用Modscan32和Modsim32串口调试软件[6]测试分别对上位机和LC卡进行通讯调试，发现LC卡现有配置支持传输负数，上位机不支持传输负数。修改上位机的配置文件后LC卡通讯恢复正常。

6 结束语

采用Modbus通讯协议方式传输信号的最大特点是一根通讯电缆代替了信号从就地引到电子间的电缆及其对应的控制柜和卡件，极大节省了建设成本和维护费用。缺点是通讯电缆损坏或LC卡的故障将导致整个系统数据的异常，因此这种通讯方式只适用于辅助监视参数的传输，不适于重要信号的传输。本文从IDAS智能前端配置、LC卡参数配置、DCS逻辑组态、常见问题及原因分析4个方面阐述LC卡在电厂中的应用，为其他同样采用Ovation系统的电厂提供参考。