MODBUS在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

讀取和寫入數(shù)據(jù)

　　MODBUS擁有最多255個(gè)功能代碼，但是01（讀取輸出量）、02（讀取離散輸入）、03（讀取保持寄存器）以及04（讀取輸入寄存器）是最為常用的讀取功能代碼，這些代碼被用來從MODBUS從設(shè)備采集數(shù)據(jù)。

　　假如設(shè)備遵從了MODBUS配置的要求，那么設(shè)定主設(shè)備讀取和寫入數(shù)據(jù)、檢查狀態(tài)、獲取診斷信息以及執(zhí)行各種控制和監(jiān)視功能的編程任務(wù)就變得非常簡(jiǎn)單了。

　　在大多數(shù)工廠里，現(xiàn)場(chǎng)儀表采用單獨(dú)的控制室直連對(duì)絞線電纜連接到控制系統(tǒng)（見下圖）。當(dāng)儀表設(shè)備被連接到一種分散式I/O系統(tǒng)（例如來自于Moore Industries公司NCS系統(tǒng)）的時(shí)候（見中圖），你可以增加更多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，但是僅僅需要一根對(duì)絞線電纜就可以把所有數(shù)據(jù)傳送到MODBUS主站。在多個(gè)NCS系統(tǒng)以MODBUS網(wǎng)絡(luò)的方式組網(wǎng)連接的時(shí)候（見下圖），整個(gè)工廠的連接都能夠從對(duì)絞線電纜控制室直連的方式轉(zhuǎn)變成為MODBUS連接方式。

　　圖3：對(duì)等網(wǎng)連接模式。在某些案例當(dāng)中，控制系統(tǒng)不能處理MODBUS信號(hào)。在這種情況下，可以采用使用雙重NCS設(shè)備的對(duì)等網(wǎng)解決方案，僅用一根MODBUS電纜就可以替代所有的控制室直連電纜。來自第二個(gè)NCS的模擬量輸出再通過硬接線直接連接到控制系統(tǒng)的I/O盤。

連接MODBUS設(shè)備

　　最容易的一種把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到一個(gè)過程控制系統(tǒng)、PLC或是工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方法，就是簡(jiǎn)單的把數(shù)字量以及模擬量I/O連接到一個(gè)具有MODBUS通訊能力的分散I/O系統(tǒng)里面。例如來自Moore Industries公司的NCS（Net Concentrator System）系統(tǒng)允許用戶對(duì)模擬量和數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，然后再通過雙絞線連接到一個(gè)MODBUS主設(shè)備。多個(gè)NCS系統(tǒng)可以安裝在全廠的幾個(gè)不同的地點(diǎn)，都通過MODBUS進(jìn)行連接（參見圖2）。

　　這個(gè)解決方案即適合于新的工廠，也適用于現(xiàn)存的工廠。在許多現(xiàn)有的工廠里面，現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備通常是采用多芯電纜連接到DCS或者PLC系統(tǒng)的，每個(gè)設(shè)備都通過單獨(dú)的對(duì)絞電纜把模擬信號(hào)傳送出去。采用NCS系統(tǒng)，只需要這些電纜中的一個(gè)用來傳送MODBUS信號(hào)就可以了。假如工廠想要增加額外的現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備，卻不想安裝更多電纜（電纜安裝費(fèi)用通常為每英尺100美元）的時(shí)候，這種解決方案就特別有用。一套分散I/O系統(tǒng)就可以滿足所有現(xiàn)存儀表I/O的需要，或者僅僅用它來傳送來自于所有新增現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)。

　　在有些案例當(dāng)中，控制系統(tǒng)不能處理MODBUS的信號(hào)。例如現(xiàn)有的控制系統(tǒng)有可能是為處理4到20毫安模擬量I/O和直接接線的數(shù)字量I/O而定制的，并且為現(xiàn)有的老系統(tǒng)進(jìn)行重新編程使其支持MODBUS也非常困難。通常，用戶一般并不傾向于通過鋪設(shè)新電纜或是購買昂貴的MODBUS接口卡件來將新增加的遠(yuǎn)程信號(hào)接入到系統(tǒng)中，因?yàn)閷?duì)MODBUS接口卡件進(jìn)行重新編程費(fèi)用很高。在這種情況下，一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)方案（peer to peer）可以很好的解決問題。例如來自Moore Industries公司的CCS（Cable Concentrator System）和NCS（Net Concentrator System）系統(tǒng)就都具備對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊能力。

　　NCS和CCS系統(tǒng)與一套分散I/O模件十分相似，但是具有更強(qiáng)的內(nèi)建智能。并且NCS和CCS系統(tǒng)既可以被設(shè)置成對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模式，也可以被設(shè)置成主從網(wǎng)絡(luò)（peer to host）模式。

　　使用一套對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模式的NCS系統(tǒng)（參見圖3），配置了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)集中器;一個(gè)安裝在現(xiàn)場(chǎng)，另一個(gè)安裝在控制室。現(xiàn)場(chǎng)儀表被連接到遠(yuǎn)程的那個(gè)NCS。這個(gè)遠(yuǎn)程N(yùn)CS與控制室里的NCS之間通過一根雙絞線進(jìn)行連接。然后控制室NCS的輸出再通過硬接線接入現(xiàn)有控制系統(tǒng)的模擬I/O盤。采用這種方法，來自新增現(xiàn)場(chǎng)變送器的模擬信號(hào)就能夠以原來模擬信號(hào)的狀態(tài)通過工廠現(xiàn)有的模擬I/O卡件接入控制系統(tǒng)。這使得新增信號(hào)帶來的編程和調(diào)試工作與新增數(shù)字接口卡件相比大大減少。這種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)解決方案也能夠滿足雙向式通訊的要求，在這種情況下系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)側(cè)和控制室一側(cè)都可以有輸入和輸出能力。

HART借助MODBUS

　　老式工廠面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是找出一種便宜而又方便的方法來發(fā)揮已經(jīng)安裝的和“將要安裝的”HART智能儀表的優(yōu)勢(shì)。HART的意思是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道。HART是一種數(shù)字化協(xié)議，其設(shè)計(jì)初衷是使變送器能夠通過傳統(tǒng)工廠安裝的銅質(zhì)對(duì)絞線在傳送

　　一路模擬信號(hào)的同時(shí)傳送數(shù)字化的數(shù)據(jù)。這使用戶能夠通過在這根對(duì)絞線上任何一點(diǎn)的連接對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程或是本地的組態(tài)、測(cè)試以及診斷。HART從設(shè)備既可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式連接，也可以采用多分支網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行連接。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接是最常見的HART連接方式，在這種方式下HART變送器通過改變模擬回路上的電流來表征所需要的過程變量。當(dāng)然，只監(jiān)視數(shù)字化的HART數(shù)據(jù)也是可以的;不過在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)行模式下，很少有人這么做。在HART變送器控制電流的同時(shí)，它還能夠通過HART數(shù)據(jù)流發(fā)送多種數(shù)字化的信息包。過程變量數(shù)據(jù)和數(shù)字化信息數(shù)據(jù)都可以被HART從設(shè)備或是變送器傳送。這些數(shù)據(jù)可以被用來監(jiān)視儀表的完好情況或是被過程控制系統(tǒng)或者資產(chǎn)管理系統(tǒng)用來優(yōu)化過程，幫助實(shí)現(xiàn)更加嚴(yán)密的控制或者防止意外的過程波動(dòng)。在某些情況下，現(xiàn)有工廠可能有數(shù)以百計(jì)具有HART能力的儀表。不幸的是，由于種種原因許多工廠從來不開發(fā)這些HART儀表的潛在能力。

　　在目前資產(chǎn)管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)和先進(jìn)控制獲得廣泛應(yīng)用的環(huán)境下，許多工廠都希望能夠把HART儀表的數(shù)字化信息提取出來，但是他們的控制系統(tǒng)和現(xiàn)存的接線方式無法支持這種要求。這些控制系統(tǒng)可能無法從數(shù)字信號(hào)里面提取HART數(shù)據(jù)，或是這些控制系統(tǒng)僅僅想要看到硬接線的數(shù)字量和模擬量I/O信號(hào)。一臺(tái)HART儀表可以通過HART信號(hào)發(fā)送多達(dá)四個(gè)過程變量：PV（第一變量）、SV（第二變量）、TV（第三變量）、FV（第四變量）。另外還有各種比特和字節(jié)的狀態(tài)數(shù)據(jù)也可以被HART信號(hào)所傳送。但是，如果控制系統(tǒng)不能夠從數(shù)字化的HART信號(hào)里面讀取這些額外的過程變量數(shù)據(jù)或是任何其它診斷信息和狀態(tài)信息，那么這些數(shù)據(jù)就被白白浪費(fèi)了。

　　用戶當(dāng)然也可以選擇利用這些HART數(shù)據(jù)，即使對(duì)現(xiàn)有工廠里的老式系統(tǒng)也是如此。有些DCS公司能夠提供新型的升級(jí)版本的模擬量I/O卡板，這種卡板有能力“辨認(rèn)出”這些HART數(shù)據(jù)。不過這樣的卡板通常會(huì)比傳統(tǒng)的模擬量I/O卡板昂貴三到五倍。此外還有一些HART信號(hào)混合單元可以安裝在現(xiàn)有的模擬量I/O回路里面，這種接口單元具備RS422和RS485輸出端口，可以被連接到資產(chǎn)管理系統(tǒng)或者DCSes系統(tǒng)。當(dāng)然，這類HART信號(hào)混合單元的價(jià)格也是令人望而卻步的。另一個(gè)選擇項(xiàng)就是使用一種HART到MODBUS的轉(zhuǎn)換器，就像來自Moore Industries公司的HIM（HART信號(hào)接口模件），這是一種效費(fèi)比較高而且具有靈活性的解決方案，它能夠以合理的價(jià)格選擇性的監(jiān)視僅僅少數(shù)回路或者很多回路。