彭　宇

(宜兴华润热电有限公司，江苏 宜兴 214200)



MODBUS RTU通信在脱硝尿素系统程控中的应用

彭宇

(宜兴华润热电有限公司，江苏 宜兴 214200)

摘要：基于支持MODBUS RTU通信的设备作为数据采集接口，通过异步串行传输RS-232-C进行连接，由美国通用公司(GE)集散控制系统(DCS)中的虚拟分散处理单元(VDPU)进行数据处理、运行控制，实现DCS系统远程监控吹灰的目的。通过MODBUS将锅炉蒸汽吹灰可编程逻辑控制器(PLC)与DCS进行通信，纳入DCS一体化控制。

关键词：MODBUS RTU通信协议；可编程逻辑控制器(PLC) ；虚拟虚拟分散处理单元(VDPU)

近年来，在国家环保部设定了现有火力发电厂执行的新大气污染排放标准中NOx的限值后，笔者所在单位作为众多火力发电厂环境污染治理“参与者”的一员，深感环保压力和社会责任与日俱增。这就要求主炉运行人员需要实时监测烟气中NOx排放量是否达标。脱硝尿素系统是降低NOx排放量的源头，现有模式更多依赖于值长电话通知化学运行人员进行尿素投入量的操作，反应周期长，而且运行人员不能实时远程监控及操作，这给NOx排放量的达标带来很大困难。若能将脱硝尿素系统纳入到主炉集散控制系统(DCS)，以上问题也就迎刃而解。笔者所在单位经过调研和反复论证，决定采用MODBUS通信方式将可编程逻辑控制器(PLC)和DCS连接起来，从而将脱硝尿素系统纳入到DCS进行一体化控制。

1方案确定

方案1：笔者所在单位DCS系统采用的是美国通用电气公司(GE)新华DCS，硬件版本为XDPS400+，软件版本为XDPS2.0。考虑将脱硝尿素系统改为全部由DCS系统控制，需将PLC柜全部取消，同时增加2台DCS远程柜，增加2台分散处理单元(DPU)从站，原先接线方式需要全部改动到DCS远程柜中。此方案改造费用需要60多万元。

方案2：利用MODBUS网络通信协议实现DCS系统与PLC通信。查阅GE新华DCS技术资料，系统支持MODBUS通信协议，采用在人机接口站(MMI)上设置虚拟分散处理单元(VDPU)的方式实现通信。为此，只需配置2台安装有GE DCS软件的工控机，增加1台GE PLC中央处理器(CPU)，从而实现冗余通信。此方案改造费用在10余万元。

上述两种方案各有优缺点：方案1工作量大，改造周期长，费用高，还增加了DCS CPU使用率，但稳定性高，数据传输迅捷；方案2工期短，费用低，不会增加DCS CPU使用率，但传输稳定性较差。改造人员经过反复的调研与论证后认为，第2种方案是可行的，冗余通信模式能够弥补传输稳定性差这一缺点，根据数据显示，两条通信终端的切换时间小于1 s。

2MODBUS通信的具体实现

2.1MODBUS通信协议

MODBUS是Modicon公司为该公司生产的PLC设计的一种通信协议，MODBUS传输协议定义了控制器可以识别和使用的信息结构，而不须考虑通信网络的拓扑结构，是一种开放协议，一种广泛应用于电子控制器的通用语言，已成为通用工业标准。从功能上讲，MODBUS包括24种命令，每个功能都有相应的功能码，最基本的功能主要包括AI/AO、DI/DO的数据传送。数据结构主要包括输入离散量、线圈、输入寄存器、保存寄存器等4个基本单元。

目前MODBUS有3种通信方式：以太网，对应的通信模式为MODBUS TCP；异步串行传输模式(各种介质有RS485/232、光纤、无线等)，对应的通信模式是MODBUS远程终端单元(RTU)或者MODBUS美国信息标准交换代码(ASCII)；高速令牌传递网络，对应的通信模式是MODBUS PLUS。笔者所在单位采用的通信模式为MODBUS RTU。

2.2MODBUS RTU在 GE PLC中的配置[1]

GERX3I型号中单槽可编程协处理器(PCM)模块是一个用来执行协处理功能的高性能微型计算机，同时具有通信模块和编程模块的功能。PCM有两个独立的串行口port1和port2，均支持RS232，其中port2还支持RS485，用户可以根据不同需求进行配置。PCM内置MODBUS RTU协议和主/从站协议(CCM)。

PCM模块与主机的连接非常简单，一般选用port1为编程口，port2为通信口。port1与工控机连接，主机可以对其进行编程及现场调试，在port1中首先需要对通信方式进行设置[2]，如图1所示。

图1　port1通信方式设置

Port Made为通信方式设置，其中有RTU模式、TCP/IP模式，笔者所在单位选择RTU模式。设置完通信模式，再进行数据位、波特率、功能码、有无校验、停止位的设置。将设置的数据记录下来，因为在主机VDPU中也需进行设置，必须保证主机与从机在设置上的一致性。

2.3GE新华DCS主机中VDPU的配置

DPU机柜因成本费用较高，此次脱硝尿素系统采用VDPU。在GE新华DCS中，将运行在人机接口MMI 站上实现全部或部分 DPU 功能的计算机或软件包，或与非标 I/O 接口的计算机、专用的与外部控制系统接口的计算机都定义为VDPU。人机接口MMI 站支持VDPU 映射功能，通过通信接口将非本系统的控制设备在逻辑上映射为系统的一个 DPU 节点，如同操作本系统的其他DPU 一样。

VDPU由执行文件(EXE)、动态联接库(DLL)和配置文件组成，具有以下功能：系统仿真，使用该功能可离线调试系统组态；接口，与相应驱动配合，可实现与非本系统的控制设备或现场智能仪表通信并控制；性能计算，利用 DPU 的算法可完成性能计算的功能。

MMI站上运行的VDPU通过调用Modiplc.dll通信接口程序，将DCS与PLC互相交换发送的数据映射到新华分散处理系统(XDPS)的虚拟I/O卡件上，每个数据对应在虚拟卡件的虚拟通道上，实现与XDPS系统采集处理数据的相同功能[3]，通信原理见图2。

通信接口采用二线制RS485，PLC端使用一块RS232转RS485的设备。通信规约为MODBUS RTU。

XDPS系统接口软件由动态链接文件modiplc.dll和modiplc.ini配置文件组成。VDPU运行程序为VDPU.exe。VDPU.cfg文件及modiplc.ini文件的置配及说明见表1及表2。

表1　VDPU配置文件(VDPU.cfg)及说明

3系统调试运行

1)调试过程中遇到的问题和解决方法。首次送电后出现DCS画面测点坏点较多，测点数据无法实时更新，经检查发现，这是由DCS侧VDPU中测点位置与PLC中排序错位造成，重新排序后正常。因此在日常维护中，需要进入VDPU中进行逻辑修改，一定要注意测点排序，不能打乱，在修改逻辑时一定要有专业人员进行监护。在线修改逻辑时杜绝在备用VDPU中进行，因为在线保存时会出现备用VDPU强制切换为主VDPU，而主VDPU瞬间会出现数据丢失，使运行中的尿素循环泵及稀释水泵停运，从而造成NOx超标。

2)调试后运行效果。系统远控操作反应迅捷，实时数据更新正常；能查询实时、历史趋势及报警信息。

表2　驱动配置文件及说明

4结束语

脱硝尿素系统在改造后运行良好，解决了运行人员实时投入尿素量信息的滞后性，提高了主炉运行人员对NOx排放值的可控性。新华DCS系统开放式结构及模块化的设计，为实现与第三方通信提供了极大的便利。通过这次改造，对MODBUS通信协议在实际工程中的应用也有了更深刻的体会。

参考文献：

[1]赵海英.浅谈MODBUS协议在DCS与PLC通讯中的应用[J].济源职业技术学院学报，2011(3)：10.

[2]于树新.MODBUS协议在DCS通信中的应用[J].仪器仪表与分析检测，2007(1)：2-3.

[3]刘国利.基于MODBUS的DCS与PLC吹灰程控的通讯实现[J].热电技术，2011(1)：31-34.

A Study on the Application of the MODBUS RTU Communication in the Stored Program Control of the Urea Denitration System

PENG Yu

(Yixing Thermal Power Co., Ltd. of CR Power，Yixing Jiangsu 214200，P.R.China)

Abstract：The device which supports the MODBUS RTU communication is used as the interface of data acquisition．Then，it is connected by the RS-232-C asynchronous serial transmission．The virtual VDPU of the GE DCS is used in data processing and operational control to realize the remote monitoring of the soot-blowing with the DCS system．The communication between the GE PLC and GE DCS of the stored program system of the steam soot-blowing of the boiler is realized by the MODBUS and brought into the DCS integrated control．

Key words：MODBUS RTU communication；programmable logic controller(PLC)；virtual distributed processing(VDPU)

收稿日期：2015-02-26

作者简介：彭宇(1985-)，工程师，主要从事火电厂热控工作。

中图分类号：TM621

文献标识码：A

文章编号：1008- 8032(2016)03- 0040- 03