Modbus协议在银催化剂中试评价装置中的应用

2012-01-12梁汝军

石油化工自动化 2012年4期

梁汝军

（1.北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京100029；2.中国石油化工股份有限公司北京化工研究院燕山分院，北京102549）

银催化剂是乙烯氧化制环氧乙烷反应过程中惟一有效的催化剂。在该催化剂的研发过程中，银催化剂中试评价装置（以下简称单管装置）及银催化剂工业侧线评价装置（以下简称侧线装置）分别是2套对银催化剂反应性能进行测试和评价的实验装置。为了分析数据的准确，先后装备了工业在线色谱仪、工业在线质谱仪等先进的在线分析仪器。

1 项目简介

以单管装置装备的工业在线质谱仪（PRIMA－δB）为例，其突出的优点是可以在瞬间进行气体试样的全组分分析。但是，该优点却给DCS与工业在线质谱仪之间的数据通信带来了困难，因为工业在线质谱在对每一路试样气进行分析检测时，一个周期内会产生25个组分的摩尔比信号；总共6路试样气自动循环切换分析，再加上工业在线质谱仪内部各种运行状态参数以及各种故障报警输出等信号，总共有100多个信号要求在同一周期内进行传输。若采用传统的模拟量或开关量信号传输模式，需要在DCS与工业在线质谱仪之间铺设至少数十根信号线，并需要在DCS机柜和工业在线质谱仪中新增数个相互匹配的模拟量或开关量输入／输出卡件。这样不仅投资巨大，而且给日后DCS和工业在线质谱仪的管理和维护也带来不小的难度。

为寻求准确、可靠、快速的数据通信方法，有人曾进行过各种尝试，如文献［1］利用传统的模拟量、开关量I／O输入输出方式，实现了GC1000S工业在线色谱仪与TDC－3000DCS间的信号传输，但传输信号仅有2个模拟量信号和4个开关量信号；文献［2］利用了工业在线色谱仪工作站中的RS－232CI／O接口卡与DCS中数据通信卡，实现了AA工业在线色谱仪与Centum－XL型DCS之间的数字化通信。但是，由于存在多台AA工业在线色谱仪分析数据的通信地址分配与DCS通信卡中的地址分配不匹配的问题，在DCS中未能接收到全部的色谱分析数据；文献［3］曾利用Modbus协议的RS－485串行通信方式实现了工业色谱仪与DCS之间的数字通信。

以此为基础，笔者曾于2008年运用独特的双寄存器存储数据技术，首次利用基于Modbus协议的RS－485串行通信方式，精准地实现了侧线装置的DCS（CS－3000）与工业在线质谱仪（MAX300－IG）之间数据通信的数字化［4］。近期，笔者又对该数字化通信方式进行了改进，并再次将其应用到单管装置中，同时实现了单管装置DCS（Webfield ECS－100）与工业在线色谱仪（MAXUM EDITION II）、工业在线质谱仪2台智能分析仪器之间准确、简洁的Modbus协议数字化通信。

2 Modbus协议

目前国内外许多仪器、仪表的生产厂商都将Modbus协议作为其产品或系统共同遵守的通用语言，不仅将Modicon的网络部件（如Modbus Plus）集成到自己的产品中，而且还在实践应用过程中严格遵循并支持该协议。

在石油石化行业中，出于提高DCS的自控水平、完善控制功能的考虑，往往需要将其他的专用系统接入DCS中。因此，大量采用RS－485串行通信方式和Modbus通信协议，使得来自DCS的数据流和其他专用系统的数据流能够相互间有效识别、高速交流，从而实现DCS对装置各系统的统一监控、控制、管理等功能，这在具体的实践中确实拥有很多成功应用的实例［5－10］。

尽管Modbus网络通信方法对各个系统来说关系是对等的，但Modbus协议通信方式采用的却是主－从原则。即在该网络中只有一个控制器可以初始化查询，并发起一个信息传送，这个控制器就是Modbus通信网络中的主设备，信息传出后，它期待着其他从设备发出相应的响应信号。与此类似，当另一个控制器（从控制器）收到信息后，就会组织一个从设备进行响应，并将反馈消息返回到发出信息的控制器（主控制器）上。Modbus通信协议主－从设备查询回应周期如图1所示。笔者所在的单管装置中，选取DCS为主设备，工业在线色谱仪及工业在线质谱仪等智能分析仪器为从设备。

Modbus通信协议中报文格式［3，11－14］有两种：ASCII和远程终端单元RTU（Romote Terminal Unit），两种报文格式的结构形式雷同。区别仅在于ASCII格式报文以冒号开始，以回车换行符结束；而RTU格式却以传递一不短于3.5个字符的空闲时间开始，并以不短于3.5个字符的一空闲时间来表示报文的结束。

不同的控制器可以按照标准的Modbus通信网络，用两种报文中的任意一种来进行通信。一定格式的报文定义了Modbus通信网络中以串形方式传输的信息场中的具体内容，规定了信息是如何被打包到信息场中以及如何对信息进行解码。

参照图1，以主设备查询数据报文为例，主设备查询信息中的功能代码为被寻址的从设备应执行的动作类型，数据字节中包含从设备需执行功能的附加信息。该数据区必须包含有从设备读取数据的起始地址、数量等信息，它可以是实际的数值、状态值、主设备发送给从设备或者从设备发送给主设备的地址等。Modbus的RTU报文格式规定通信字符串的最后两个字节用于传递循环冗余校验数据。在RTU报文格式中采用的是CRC－16的冗余校验方式。最后，以不短于3.5个字符的一空闲时间来表示报文结束。错误效验区为从设备提供了一种检验方法，用以保障信息内容的完整性。

如果从设备产生正常回应，则从设备应答报文中的功能代码就是对主设备在查询报文中功能代码的回应。随后的数据段中包含从设备所收集到的数据内容：如寄存器状态及寄存器中的数据值等。但是，如果检测出错，则从设备应答报文中的功能代码将被修改，用以指出回应信息是错误的，同时数据段中包含了描述该错误信息的代码，错误检测域允许主设备确认信息内容是否可用。

这两种格式在表达相同的信息时，RTU需要较少的位数，且在相同通信速率下具有更大的数据流量。因此，笔者在单管装置中的实际应用中，选取的是RTU报文格式。

图1 Modbus通信协议主－从设备查询回应周期表

3 银催化剂中试评价装置Modbus协议的应用

3.1 硬件配置

3.1.1 DCS硬件配置

单管装置DCS选用Webfield ECS－100，该系统提供一块通信接口卡FW244，是DCS与其他智能分析仪器或仪表通信的网间连接设备，是ScnetⅡ网络节点之一。在FW244卡的芯片上有DCS主控卡的程序。它的通信程序通过SCX语言编写，由DCS组态软件下传到FW244卡中运行。主要功能是将各智能设备中的数据通过通信的方式连入DCS，并通过ScnetⅡ网络实现数据在DCS中的共享。该卡可提供RS－232和RS－485两种物理接口方式，并通过SCX语言进行编程，实现DCS与其他智能分析仪器或仪表的通信。

3.1.2 工业在线智能分析仪硬件配置

在单管装置共有2台工业在线智能分析仪器，其与DCS之间的Modbus串行通信过程中，考虑到装置区现场主从设备间的距离（约100m）的实际情况，Modbus串行通信物理接口选择的方式为RS－485，半双工差分方式传输信号。该方式采用二线差分电平发送和接收，能最大程度地克服共模干扰、抑制线路噪音。

3.1.3 通信连接

连接各系统的通信电缆选用符合BS6500标准的LIYCY 3×2×0.14型RS－485总线电缆（总长约150m），该电缆能够有效屏蔽外界电场的影响，保证数据的精确传输，并附带有独立的接地导体。

值得强调的是，在RS－485通信网络外部接线过程中，各系统的通信接口卡应该按照规范的要求进行接线，如图2所示。但在实际应用中，部分厂家在连接RS－485通信链路时通常只是简单地用一对双绞线将各个接口的正负端对应连接起来，忽略了信号接地线的连接，这种做法是不妥当的。

3.2 软件设置

3.2.1 地址分配表

地址分配表是工业在线智能分析仪器（或其他从设备）的工作站分配给智能分析仪器中所有分析数据或仪器所有运行状态参数的连续地址序列。根据地址分配表中每一个分析数据或运行参数地址编码的不同，它们被存储在仪器内存寄存器中的不同位置。一旦DCS想要从中获取数据，只需发送想要的数据所存储的寄存器地址码即可。

Webfield ECS－100控制系统中的1块FW244通信卡最多可同时连接4个从设备，为了避免不同的从设备中具有相同寄存器地址编码的存储数据之间的互相干扰，每个从设备间将以不同的从设备地址加以区分。

3.2.2 SCX编程软件源程序

Webfield ECS－100系统中FW244通信卡的驱动程序由SCX编程语言编写，由该DCS组态软件下载到FW244通信卡中运行。SCX编程语言可提供串行通信库函数、Modbus RTU协议库函数和Hostlink协议库函数。

图2 RS－485接口的外部接线示意注：2，4，8，9，11——接口端子上的接线管脚编号

按照SCX程序的运行，DCS将从工业在线质谱仪和色谱仪相应寄存器地址中读取数据，给Webfield ECS－100系统相对应的分析数据变量进行赋值，并按照DCS组态程序的要求参与控制回路、联锁回路的运算或执行。

由于篇幅所限，这里略去SCX编程源程序。

3.2.3 波特率

在工业在线质谱仪和色谱仪与DCS之间利用RS－485接口进行Modbus协议通信过程中，其信号传输的速率由系统的波特率决定，该参数的设置较为关键。

a）波特率数值越高数据传输速率越快，但波特率越高，数据的传输距离会越短。

b）由于单管装置始建于1986年，中间历经多次改扩建，部分仪表信号线和动力电缆线在装置区有混杂交汇的现象，个别仪表信号线和动力电缆线甚至处于同一电缆桥架内，未做有效的隔离。因此，通信电缆所处电磁环境较为恶劣。

由于Modbus协议对报文的起始时间以及报文与报文之间的停顿时间间隔有一定的要求，每两帧数据响应间隔不能超过1s，而且报文必须作为一个连续的数据流进行传输，考虑到系统最大的报文长度以及一次传输256帧数据的要求，波特率最终设定为9 600bit／s，这样可同时满足传输速度和可靠性的要求。

在配置控制器时，用户在选择串行口通信参数（波特率、奇偶校验方式等）的同时可选择通信方式。在同一个Modbus网络中，所有的设备都应设置成同样的通信方式和串行通信参数。

3.2.4 寄存器

由于RS－485传输电平采用差分信号负逻辑，2～6V表示“0”，－6～－2V表示“1”。而工业在线质谱仪和色谱仪的内存寄存器均为16位2进制存储器。因此，按照Modbus协议的RS－485串行通信方式是无法传输小数。如果从设备想要发送一个十进制数据，其范围只能是0～99 999之间的任意整数，DCS接收的数据也在0～99 999之间的任意一个和主机非常接近但绝对不相等的整数，DCS只有通过一个计算公式X从设备＝XDCS÷99 999×量程上限，才能保持和从设备发送的十进制数据在一定有效位数范围内相等。为避免传输过程中数据失真，一般要对从设备的原始数据进行放大处理，使其尽可能地接近99 999，否则会产生较大误差。为此在把分析数据存入内存寄存器之前，必须进行取整运算。

但对于在线工业质谱或色谱这样的智能分析仪器，要想寻找到合适的放大倍数并不容易，这是因为此类分析仪均为全组分分析仪器，不仅用以对反应混合气当中的常量组分进行分析，而且还用来分析10－6级的微量组分。因此，若放大倍数过小，则微量组分通信传输至DCS后显示结果会始终为0，严重失真；相反，若放大倍数过大，则又会造成常量组分寄存器存储溢出，同样造成数据传输失败。

为此，笔者对在线工业质谱及色谱操作软件进行了二次开发，通过对操作软件的底层程序做适当修改，使得每个分析数据在存入寄存器前均能乘以一个独立的与分析数据数量级相匹配的放大倍数。这样既保证了传输数据的精度，又保证了寄存器的有效存储容量，提高了运算和传输的速度，从根本上解决了该矛盾。

3.3 实际应用效果

自该方案实施以来，利用RS－485串行通信方式，再次实现了单管装置DCS与工业在线质谱仪及色谱仪之间准确、快捷的数字化数据通信。使用至今从未出现过数据传输失真、数据通信故障等事故，提高了整个装置的自动化水平。

图3，图4分别为单管装置DCS连续记录的工业在线色谱仪常量组分和微量组分分析数据的历史趋势。其中的每一个摩尔比分析数据均由工业在线色谱仪以RS－485串行通信方式实时传输过来。

图5，图6分别为单管装置DCS连续记录的工业在线质谱仪常量组分和微量组分分析数据的历史趋势。其中的每一个摩尔比分析数据均由工业在线质谱仪以Modbus协议的RS－485串行通信方式实时传输过来。

4 结束语

在银催化剂中试评价装置中，利用RS－485串行通信方式，实现了DCS与工业在线质谱仪及色谱仪之间准确的数字化数据通信。通过对工业在线质谱仪及色谱仪操作软件进行二次开发，运用给每个分析数据乘以一个独立的放大倍数的方法，有效地增加了内存寄存器分析数据的有效存储容量，提高了DCS与工业在线质谱仪及色谱仪之间数据传输的准确性、可靠性和传输速度。实现了DCS对装置各系统的统一监控、控制、管理等功能，提高了装置的整体自动化水平和管理水平。

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