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 王明成，王玉成，何  彥

1  前言
為改善柴油質(zhì)量，甘肅玉門油田分公司煉化總廠擴(kuò)建了柴油加氫裝置，但由于其危險(xiǎn)性高，在控制系統(tǒng)時(shí)需考慮DCS與ESD（Emergency Shut Down）系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置。DCS用于對生產(chǎn)過程進(jìn)行連續(xù)動態(tài)監(jiān)控，使生產(chǎn)裝置在設(shè)定值下平穩(wěn)運(yùn)行；而ESD系統(tǒng)用于對生產(chǎn)過程的關(guān)鍵參數(shù)及過程工作狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，檢測其相對于預(yù)定安全操作條件的變化，當(dāng)所監(jiān)測的過程變量超過其安全限定值時(shí)，ESD系統(tǒng)即取代DCS進(jìn)行操作，按預(yù)置的安全邏輯順序動作，將過程設(shè)置成安全的非正常操作狀態(tài)，把發(fā)生惡性事故的可能性降到最低。柴油加氫裝置DCS選用ABB公司的Freelance2000系統(tǒng)，ESD選用Moore公司的QUADLOG系統(tǒng)。為便于DCS操作人員了解ESD聯(lián)鎖過程數(shù)據(jù)，有必要將ESD關(guān)鍵參數(shù)傳至DCS中進(jìn)行顯示，這就涉及到DCS與ESD間數(shù)據(jù)通訊的問題。

2  Modbus從設(shè)備
在DCS與ESD通訊時(shí)，ESD作為Modbus的從設(shè)備，QUADLOG系統(tǒng)提供的Modbus從功能塊庫能將QUADLOG的控制器設(shè)置成Modbus的從設(shè)備，從設(shè)備提供數(shù)據(jù)響應(yīng)Modbus主設(shè)備發(fā)出的請求。
Modbus從功能塊庫提供了MODBUS_S和SERIAL功能塊，Modbus主設(shè)備要能從Modbus從設(shè)備取得數(shù)據(jù)，MODBUS_S功能塊必須將這些數(shù)據(jù)映射成Modbus主設(shè)備能識別的寄存器（Registers）或線圈（Coils）地址，然后主設(shè)備通過Modbus協(xié)議讀取這些寄存器或線圈地址。把數(shù)字量如布爾值映射為線圈（地址從00001到09999）或輸入線圈（地址從10001到19999）；把模擬量如實(shí)數(shù)、整數(shù)映射為輸入寄存器（地址從30001到39999）或保持寄存器（地址從40001到49999）。
2.1  SERIAL功能塊
該功能塊用來初始化Modbus通訊端口、激活從設(shè)備的串行端口，以便同Modbus網(wǎng)絡(luò)和Freelance2000進(jìn)行通訊，該功能塊如圖1所示。
EN為TRUE，激活該功能塊并產(chǎn)生一個(gè)ID號，該ID號提供給串行通訊功能塊如MODBUS_S使用。激活后，SERIAL功能塊處理串行功能塊和連接到串口的主設(shè)備的請求。在SERIAL提供的參數(shù)表中，可設(shè)置串行通信的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、停止位、流量控制、超時(shí)和串口號。

   圖1  SERIAL功能塊      圖2  MODBUS_S功能塊

2.2  MODBUS_S功能塊
該功能塊將QUADLOG系統(tǒng)的控制器設(shè)置成Modbus從設(shè)備，使用Modbus協(xié)議使QUADLOG系統(tǒng)同Modbus主設(shè)備Freelance2000交換數(shù)據(jù)，MODBUS_S功能塊如圖2所示。
EN為TRUE時(shí)，MODBUS_S響應(yīng)Freelance2000的讀請求；ID是SERIAL功能塊產(chǎn)生的ID號，且該ID號可供同一個(gè)控制器中的多個(gè)MODBUS_S使用；ADDR是分配給控制器作為Modbus從設(shè)備的地址，F(xiàn)reelance2000發(fā)出的請求必須使用該地址才能同QUADLOG控制器進(jìn)行正常通訊；START是Freelance2000讀取數(shù)據(jù)的起始地址；NUM是線圈或寄存器數(shù)量；DATA是存放實(shí)際數(shù)據(jù)的數(shù)組。
3  Modbus主設(shè)備
Freelance2000是Modbus主設(shè)備，采用AC800F現(xiàn)場控制器。同ESD的串行通訊由FI820接口模件完成，在FI820下必須設(shè)置一個(gè)Modbus主對象（MODM_DEV），在該對象中組態(tài)并完成相關(guān)設(shè)置以實(shí)現(xiàn)通訊。
在Modbus主功能塊庫中，提供了Read-coil、Read-register和轉(zhuǎn)換功能塊。由于在數(shù)據(jù)通訊時(shí)，Read-coil比Read-register簡單，故只介紹后兩者。
(1)  Read-register功能塊
讀寄存器功能塊有三種類型：MODM_R1R，MODM_R8R，MODM_R16R，分別最大輸出1個(gè)、8個(gè)、16個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)。該功能塊通過Freelance2000的串行接口從ESD讀取數(shù)據(jù)并將讀來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Freelance2000 WORD數(shù)據(jù)類型。
(2)  轉(zhuǎn)換功能塊
由于實(shí)數(shù)在ESD中占用兩個(gè)寄存器地址，在通訊過程中，讀寄存器功能塊分別將其讀為尾數(shù)和指數(shù)，并轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)格式。
4  Freelance2000與QUADLOG系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊
4.1  QUADLOG系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

圖3  QUADLOG系統(tǒng)程序流程圖

在柴油加氫裝置中，DCS與ESD進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的點(diǎn)數(shù)大約有200多個(gè)位號，為敘述方便，僅舉4個(gè)壓縮機(jī)軸振動位移傳給DCS進(jìn)行顯示。QUADLOG系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)如圖3所示。
MODBUS_S的ID輸入值來自SERIAL塊，ID為“2”表示SERIAL在控制器的串行端口2上進(jìn)行通訊；控制器作為從設(shè)備的地址設(shè)為10；由于從QUADLOG系統(tǒng)的模擬卡件的內(nèi)存讀取模擬數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)應(yīng)放入保持寄存器，保持寄存器地址從40001～40009，所以START的起始地址設(shè)為40001；由于壓縮機(jī)軸振動位移是實(shí)數(shù)，占用兩個(gè)寄存器，故NUM為位移個(gè)數(shù)的兩倍，NUM等于8；SLVDATA是一維數(shù)組，維數(shù)為4，用來存放傳給DCS的4個(gè)位移數(shù)據(jù)，SLVDATA[1]……SLVDATA[4]分別存放DI_101……DI_104值。Freelance2000從QUADLOG系統(tǒng)讀取的寄存器地址范圍從40001到40008，DI_101值映射為寄存器地址40001和40002，DI_102值映射為寄存器地址40003和40004，DI_103值映射為寄存器地址40005和40006，DI_104值映射為寄存器地址40007和40008。
4.2  Freelance2000軟件的實(shí)現(xiàn) 

圖4  Freelance2000工作原理框圖

使用Modbus協(xié)議，通過Freelance2000的串口讀取QUADLOG系統(tǒng)SLVDATA數(shù)組元素映射成的寄存器。在Freelance2000為讀取寄存器，將8輸出的讀寄存器功能塊放入組態(tài)區(qū)域。由于實(shí)數(shù)映射成兩個(gè)寄存器，因此R01讀的是40001寄存器，R02讀的是40002寄存器，要能把兩個(gè)寄存器還原為實(shí)數(shù)，還要把轉(zhuǎn)換功能塊放入組態(tài)區(qū)，R01連至轉(zhuǎn)換功能塊的指數(shù)管腳，R02連至轉(zhuǎn)換功能塊的尾數(shù)管腳，轉(zhuǎn)換功能塊將讀取來的報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的壓縮機(jī)軸振動位移數(shù)據(jù)，并在DCS上顯示出來，位號為DI_101。其它三個(gè)位移同理可得，全部8個(gè)輸出的連接如圖4所示。
在MODM_R8R的參數(shù)表中還要進(jìn)行一些設(shè)置后，F(xiàn)reelance2000才能同ESD進(jìn)行正常通訊。在Interface name中設(shè)該功能塊的MODM_DEV對象；在Slave addr中設(shè)ESD控制器的地址，此處為10；Function code設(shè)為讀保持寄存器；Start addr是MODBUS_S的START地址，地址為40001；Register count是MODM_R8R的最大輸出個(gè)數(shù)：8個(gè)。
4.3  QUADLOG系統(tǒng)與Freelance2000硬件結(jié)構(gòu)
QUADLOG系統(tǒng)的控制器有兩個(gè)串口P1和P2。P1用于模塊間通訊，P2用于同DCS交換數(shù)據(jù)。FI820也有兩個(gè)串口Ser1和Ser2，均可用于同ESD進(jìn)行通訊。但是，每個(gè)串口必須插入一個(gè)MODM_DEV對象，然后在該對象下組態(tài)，在對象的參數(shù)表中可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：串行通信的波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)、幀和串口標(biāo)準(zhǔn)；DCS與ESD間串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)有：RS232、RS422、RS485。RS232的最大通訊距離只有20m，而RS422和RS485的最大通訊距離可達(dá)1200m，最大通訊速率可達(dá)12M。由于該廠的DCS與ESD相距較遠(yuǎn)，故選用RS485標(biāo)準(zhǔn)，ESD端必須使用RS232/RS485轉(zhuǎn)換器將RS232轉(zhuǎn)換成RS485，F(xiàn)reelance2000可軟件組態(tài)成RS485。DCS與ESD的硬件連接如圖5所示。

圖5  DCS與ESD的硬件連接

5  結(jié)語
本文僅介紹了DCS從ESD讀數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)功能塊同樣可實(shí)現(xiàn)DCS寫數(shù)據(jù)到ESD，DCS將實(shí)數(shù)或整數(shù)轉(zhuǎn)換成尾數(shù)和指數(shù)，傳至Write register功能塊的兩個(gè)相鄰的wi和wi+1（i為奇數(shù)）。如果通訊的數(shù)據(jù)是數(shù)字量，就更為簡單，無需利用轉(zhuǎn)換功能塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把數(shù)值量映射成線圈地址即可，一個(gè)數(shù)字量只占用一個(gè)線圈地址。