Modbus协议在火力发电机组分散控制系统中的应用

2022-12-23彭杰

机电信息 2022年24期

关键词：模件除尘器网关

彭杰

（陕煤电力石门有限公司，湖南常德 415300）

0 引言

为进一步规范和加强全省燃煤发电企业的环保监督管理，促进燃煤发电企业环保设施正常运行，我公司建设了环保智慧监管平台发电企业侧子站，对于环保关键信号进行数据采集，其中部分除尘器重要参数采用Modbus通信协议传输信息。

1 系统概述

1.1 电袋复合式除尘器

我公司2号机组灰网采用电袋复合式除尘器，前级电除尘区采用阳极侧部振打、阴极顶部传动侧顶部振打二分区结构的电场，以提高电除尘区的除尘效率。电除尘器后部电场空间布置低压脉冲喷吹袋式除尘区，有关信号送入除尘器程控系统。

除尘器4个电场一、二次电压及电流参数分别由专用MCS-51系列单片机负责数据采集，以并联方式通过Modbus网关通信硬件设备接入灰网PLC 程控系统TCP/IP网络，设置不同ID编号进行区分，直接由上位机InTouch应用程序读取数据。

1.2 可编程控制器

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，用软件代替继电器控制系统。PLC采用不断循环的顺序扫描工作方式，从输入模块读取状态信号放入过程映像区，然后开始调用循环。如果有事件产生中断，则调用相应的模块进行处理，最后把过程映像输出表写到输出模块。具体工作过程如图1所示。

图1 PLC控制器工作过程

灰网控制系统采用施耐德昆腾系列PLC，主要由CPS电源模件、CPU控制器模件、NOE网络通信模件、CRP远程I/O通信模件、CHS热备模件等构成。通过通信模件与输入/输出模件进行数据采集，并实现远方设备启停、相互联锁的操作和重要参数报警功能。

2 Modbus通信技术

Modbus协议是应用于电子控制器的一种通用语言，是应用层报文传输协议。当在Modbus网络上进行通信时，该协议能使每一台控制器知道其本身的设备地址，并识别对它寻址的数据，决定所具有作用的类型，取出包含在信息中的数据等，控制器也可组织回答信息，并使用Modbus协议将此信息传送出去。

主控制器可对各从设备寻址，发出广播信息，从设备返回信息作为对查询的响应。从设备对于主控制器的广播查询，从设备返回的内容不包括设备地址，而包括请求功能代码、发送数据、错误校验码等[1]。

3 虚拟控制器

虚拟控制器（VDPU）是OC 6000e系统中的一个子程序，运行在HMI站上，模拟实际控制器的功能。VDPU可以通过通信接口将非本系统的控制设备或现场智能仪表在逻辑上映射为DCS系统的一个DPU节点。

运行虚拟控制器程序前，必须先运行OC 6000e系统主程序MPC，通过修改VDPUx.vco文件名中的“x”编号可运行特定节点号码的VDPU。虚拟控制器可以配置成双重冗余方式，但必须运行在同一OC 6000e系统网络中的两台不同HMI站上[2]。

4 建立可编程控制器与DCS系统通信方式

4.1 外部系统I/O通信驱动程序

OC 6000e系统中可以装载多个不同的I/O驱动程序，用于驱动不同的I/O设备，主要包括标准Modbus驱动，以主站方式驱动标准的Modbus设备，支持串口连接和TCP/IP连接；OPC客户驱动，连接各种OPC服务器；Profibus主站驱动，连接各种Profibus子站设备。本文选用标准Modbus驱动，互联网编号分配管理机构给Modbus协议赋予TCP 502端口。数据结构主要包括输入离散量、线圈、输入寄存器、保存寄存器4个基本单元，通过不同的功能代码访问4个独立数据块，具体功能码信息如表1所示。

4.2 通信网络架构

（1）在通信网络体系结构中，每个设备必须有地址标志，每个设备专用一个地址。通过InTouch监控软件与PLC进行通信连接，在MBENET Topic Definition主题名设置画面中，配置连接PLC设备的IP地址，同时设置网关的映射值ID号，设备类型选用Quantum系统PLC可编程控制器。打开InTouch WindowMarker软件，根据图2记录电除尘高压柜一、二次电压及电流标记名、项目名（400025）。

图2 标记名

（2）Modbus通信使用主从结构，在该结构中，只有一个主控制器，可以在网络中对其他从设备启动查询会话，即主控制器开始查询，而从设备返回对查询做出的响应，或处理查询所要求的动作。PLC控制器I/O扫描服务会定期对以太网上的设备进行读/写操作，通过使用配置文件的读/写请求扫描设备的输入/输出。利用Quantum以太网模块NOE77101内部I/O扫描器，读取或写入输入/输出设备。根据图3配置I/O扫描列表，用于标记授权与其重复通信的目标。当控制器运行时，NOE以太网模块根据I/O扫描列表，将数据传输到控制器的寄存器和线圈，或从控制器的寄存器和线圈获取数据。

图3 I/O扫描配置

（3）Modbus网关设备具有数据采集、数据传输、数据叠加功能，可匹配所有标准Modbus协议的设备，可支持PLC控制器远程监控、远程调试、远程上下载、远程控制及PLC控制器数据采集等功能。建立与控制器网络物理通信连接，并根据图4合理配置硬件Modbus网关参数，将数据采集变量通过串口485-232连接方式传输至DCS控制系统。

图4 Modbus网关参数配置

（4）虚拟控制器设备管理，在OC 6000e系统中以虚拟设备驱动的方式进行加载和配置。添加虚拟设备组，选用MODB通信模块，根据通信连接命令设置基本参数。运行上位机虚拟控制器VDPU程序，同时开启报文监视工具，查看数据报文通信是否正常，有无出错信息。具体参数配置如图5所示。

图5 虚拟控制器VDPU配置

4.3 数据通信传输

将电除尘4个电场现场模拟量数据，采用专用MCS-51系列单片机进行数据采集，并通过Modbus TCP设备接入PLC控制器的TCP/IP Ethernet网络。利用昆腾NOE网络模块的I/O扫描功能，将4个数据块进行编号区分，设置对应通信点表。在PLC控制器以太网络中增加Modbus通信网关转发需要数据，采用上位机COM串口接收数据，同时开启虚拟控制器VDPU读取数据。