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案例頻道 摘要：本文以RS-485總線在分散控制系統(tǒng)（DCS）中的應(yīng)用為切入點，簡要介紹了Modbus RTU協(xié)議的通訊模式、通訊規(guī)約，以及RS-485總線應(yīng)用在現(xiàn)場控制站中的軟硬件設(shè)計，探討了DCS開放性設(shè)計的重要性和緊迫性。
關(guān)鍵詞：開放性；分散控制系統(tǒng)；485總線；通訊；組態(tài)
1 引言
當(dāng)前，根據(jù)不同需要，各種面向特定行業(yè)、特定生產(chǎn)過程的分散控制系統(tǒng)設(shè)計成了一種潮流，各種新型的控制系統(tǒng)也應(yīng)運而生。目前來看，DCS的上位軟件組態(tài)過程往往局限于固定廠商的固定設(shè)備，給系統(tǒng)及其設(shè)備的可移植性帶來不少困難，這使得開放性顯得越來越重要。這就要求分散控制系統(tǒng)軟件設(shè)計引進(jìn)各種先進(jìn)設(shè)計思想、應(yīng)用各種高新技術(shù)，特別是現(xiàn)場總線技術(shù)，力求實現(xiàn)系統(tǒng)的高開放性。
開放系統(tǒng)是指通訊協(xié)議公開、不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互聯(lián)并實現(xiàn)信息交換。這里的開放是指相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵循。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵循相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)力交給了用戶。用戶可按自身需要和考慮把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)，避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被“框死”設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中。
本文以遵循Modbus RTU協(xié)議的RS-485工業(yè)智能I/O模塊設(shè)備為例，闡述分散控制系統(tǒng)在組態(tài)以及通訊上的開放性設(shè)計。
2 RS-485 I/O模塊的連接及基本通訊規(guī)則
2.1 RS-485 I/O模塊在分散控制系統(tǒng)中的連接
分散控制系統(tǒng)以多層計算機網(wǎng)絡(luò)為依托，實現(xiàn)各部分的信息共享和協(xié)調(diào)工作，共同完成各種控制、管理及決策功能。圖1所示為一個分散控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的所有設(shè)備分別處于不同的層次，自上而下分別是：管理級、監(jiān)控級、控制級和現(xiàn)場級。
如圖1所示，I/O智能模塊通過現(xiàn)場總線與現(xiàn)場控制站相連，現(xiàn)場控制站通過相應(yīng)的規(guī)則，對I/O智能模塊進(jìn)行讀寫操作，即現(xiàn)場控制站的讀卡任務(wù)，在控制現(xiàn)場，是由各種智能I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、任務(wù)執(zhí)行，按其通道類型不同分為AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）模塊，按其PV特性不同分為4~20mA、0~20mA、-5~5V、-10~10V等不同類型模塊，這些I/O模塊，都會遵循一定的協(xié)議連在總線上，比如Modbus TCP協(xié)議、Modbus RTU協(xié)議等，那么如何獲取I/O模塊的采集數(shù)據(jù)，如何使I/O模塊進(jìn)行一定的輸出，就需要控制器對I/O模塊進(jìn)行讀卡操作，需要按其相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送、分解、校驗。
圖1 分散控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)
針對本文所要舉例的一類遵循Modbus RTU協(xié)議的RS-485智能I/O模塊，如圖2所示，現(xiàn)場控制站通過RS-485接口與這類模塊按照菊花鏈的形式相連，按照Modbus RTU的協(xié)議規(guī)約進(jìn)行通訊。
圖2 RS-485設(shè)備接線圖
2.2 Modbus RTU協(xié)議的通訊規(guī)則
Modbus RTU協(xié)議規(guī)定了RS-485設(shè)備通訊的基本規(guī)則，即：
（1）所有RS485通訊回路都應(yīng)按照主/從方式，數(shù)據(jù)可以在一個主站（如PC機）和32個子站之間傳遞；
（2）主站將初始化和控制在RS485通訊回路上傳遞的所有信息；
（3）任何一次通訊都不能從子站開始；
（4）在RS485回路上的所有通訊都以“信息幀”方式傳遞，“信息幀”就是一個由數(shù)據(jù)幀（每一個字節(jié)為一個數(shù)據(jù)幀）構(gòu)成的字符串（最多255個字節(jié)），是由信息頭和發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)異步串行數(shù)據(jù)，該通訊方式也與RTU通訊規(guī)約相兼容；
（5）如果主站或子站接收到含有未知命令的信息幀，則不予以響應(yīng)。
在RS-485通訊回路中，通訊傳輸為異步方式，并以字節(jié)（數(shù)據(jù)幀）為單位。在主站和子站之間傳遞的每一個數(shù)據(jù)幀都是11位的串行數(shù)據(jù)流，如表1、圖3、圖4所示。
表1 數(shù)據(jù)幀格式
在請求包和應(yīng)答包發(fā)送過程中，信息幀格式如表2所示，當(dāng)通訊命令發(fā)送至儀器時，符合相應(yīng)的地址碼的設(shè)備接收通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)；然后把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動作后的功能碼、執(zhí)行動作后的數(shù)據(jù)以及錯誤校驗碼（CRC）。如果出錯就不發(fā)送任何信息。
圖3 有奇偶校驗的時序圖
圖4 無奇偶校驗的時序圖
表2 信息幀格式
3 組態(tài)開放性
在標(biāo)準(zhǔn)的ModBus RTU通訊規(guī)約中，通信回路以主/從模式運行，主站（如PC機）在向子站（如串口卡）發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，需要用戶指定模件地址、級聯(lián)號、功能碼等信息，而這些信息在不同的應(yīng)用場合以及不同的硬接線配置下又有較大的差別。傳統(tǒng)的應(yīng)用方式是針對某張通道數(shù)及通道類型已知的具體的串口卡件，組態(tài)軟件和現(xiàn)場控制站固化相應(yīng)的軟件程序，以某電力監(jiān)測器的組態(tài)為例說明傳統(tǒng)的應(yīng)用方式，如表3。
表3 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)表
如前所述，組態(tài)軟件和現(xiàn)場控制站固化一段針對該電力監(jiān)測器的軟件程序，若增加另外一種串口卡件時，這段固化的軟件程序要做修改才能應(yīng)用。而DCS強調(diào)提供完整的系統(tǒng)給用戶，軟件上是一個整體方案，解決的是一個系統(tǒng)設(shè)計中的所有技術(shù)問題，這種傳統(tǒng)的應(yīng)用方式顯然違背了DCS的開發(fā)初衷，勢必給DCS的開發(fā)人員以及DCS用戶的使用帶來不便。
所以基于以上考慮，筆者提出一種全新的解決方案，自主開發(fā)出DCS組態(tài)軟件，可以方便的通過填表方式組態(tài)，并將組態(tài)文件下發(fā)給現(xiàn)場控制站，直接無縫集成任何符合標(biāo)準(zhǔn)ModBus RTU通訊規(guī)約的第三方系統(tǒng)和設(shè)備，而無需更改組態(tài)軟件和現(xiàn)場控制站的系統(tǒng)程序。仍以上述電力監(jiān)測器為例，簡要介紹上位機組態(tài)過程，如表4所示。
表4 數(shù)據(jù)庫組態(tài)表
表4中加下劃線部分由用戶依實際掛接的串口卡件配置，后續(xù)工作（讀寫卡件、判斷卡件狀態(tài)等）交給現(xiàn)場控制站來完成，用戶只需關(guān)心卡件所涉及數(shù)據(jù)的類型、地址以及所對應(yīng)的功能碼，集中精力于控制方案的實現(xiàn)而不必拘泥于技術(shù)細(xì)節(jié)。
此解決方案較之傳統(tǒng)的應(yīng)用方式，優(yōu)勢在于：可自由選擇串口卡件（符合ModBus RTU標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約）；個別卡件故障或掉電不影響其它卡件的正常工作；支持在線插拔，快速更換卡件，并且更換或重新上電后無需重啟現(xiàn)場控制站，并且支持?jǐn)U展標(biāo)準(zhǔn)接口的平臺，真正實現(xiàn)自由配置、按需配置、靈活配置。
RS-485卡件可由用戶根據(jù)具體應(yīng)用行業(yè)及特殊卡件工作周期受限等條件通過組態(tài)設(shè)定合適的工作周期，在實際工作過程中，DCS通過標(biāo)準(zhǔn)接口與RS-485卡件連接，這種連接通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，采用通用的、開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，充分保證了DCS的開放性。
4 通訊開放性
ModBus通訊規(guī)約定義功能碼為1~127（01H~7FH）。作為主機請求發(fā)送，通過功能碼告訴子機執(zhí)行什么動作。作為子機響應(yīng)，子機發(fā)送的功能碼與主機發(fā)送來的功能碼一樣，并表明子機已響應(yīng)主機進(jìn)行操作。本文以功能碼4（讀多路輸入寄存器的輸入）為例，介紹開放性RS-485串口通訊的過程。
4.1 請求與應(yīng)答包的構(gòu)成
主機發(fā)送的報文格式為【模件地址】【功能碼】【起始寄存器地址高八位】【起始寄存器地址低八位】【讀寄存器個數(shù)高八位】【讀寄存器個數(shù)低八位】【CRC碼低八位】【CRC碼高八位】
從機響應(yīng)返回的報文格式為：【模件地址】【功能碼】【返回的字節(jié)數(shù)2n】【寄存器1數(shù)據(jù)高八位】【寄存器1數(shù)據(jù)低八位】【寄存器2數(shù)據(jù)高八位】【寄存器2數(shù)據(jù)低八位】•••【寄存器n數(shù)據(jù)高八位】【寄存器n數(shù)據(jù)低八位】【CRC碼低八位】【CRC碼高八位】
例如：主機要讀取從機模件地址為01、起始地址為0116的3個寄存器的數(shù)據(jù)。假設(shè)從機數(shù)據(jù)寄存器的地址和數(shù)據(jù)信息如表5所示。
表5 設(shè)備寄存器信息
明確了具體設(shè)備的寄存器相關(guān)信息之后，要組成若干字節(jié)的發(fā)送請求包，請求包即一個unsigned char類型的數(shù)組，各字節(jié)的報文格式如表6所示。
表6 主機發(fā)送的報文格式
表7 從機響應(yīng)返回的報文格式
請求包發(fā)送到串口的緩沖區(qū)后，如發(fā)送正確，RS-485設(shè)備將返回一定格式的應(yīng)答包，現(xiàn)場控制站可用一個unsigned char類型的緩沖區(qū)接收，要接收的應(yīng)答包的長度由主機請求的寄存器個數(shù)來決定，具體的報文格式如表7所示。
4.2 串口通訊流程
在串口通訊過程中，一般的PC機或其它規(guī)格的控制器都帶有RS-232接口，可以外接一個RS-232轉(zhuǎn)RS-485接頭來實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與RS-485模塊的通訊。在此，筆者不深入闡述RS-485在物理層上的機理，只討論串口通訊在應(yīng)用層這一層面上的實現(xiàn)過程。如圖5所示，在串口通訊時首先用標(biāo)準(zhǔn)的ioctl函數(shù)來配置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位等信息，繼而是組包、發(fā)包、收包、解包的過程。在分散控制系統(tǒng)應(yīng)用中，控制站收到返回包并檢驗成功后，應(yīng)立即將有用數(shù)據(jù)讀到現(xiàn)場控制站的共享內(nèi)存，并向上位機廣播I/O模塊的相應(yīng)狀態(tài)。
4.3 防止串口阻塞在軟件上的實現(xiàn)
在串口通訊過程中，數(shù)據(jù)量隨請求I/O模塊通道數(shù)的增加而加大。由于串口寄存器的特點，通訊過程會很容易出現(xiàn)串口阻塞而造成程序無法正常運行，在軟件上加以優(yōu)化是非常有必要的。
在串口初始化完成后，用sfd來表示此時串口獲取到的文件描述符，可用如下的幾行代碼來檢測文件的句柄和串口的可讀性，
FD_ZERO(&fds);
FD_SET(sfd,&fds);
select(sfd+1, NULL, &fds, NULL, &tv);
FD_ISSET(sfd,&fds);
也就是說，在調(diào)用select()函數(shù)檢查此時串口是否可讀后，用FD_ISSET()函數(shù)來檢測fdset中文件sfd有無發(fā)生變化。只有當(dāng)select()函數(shù)和FD_ISSET()函數(shù)均返回“真”的時候，說明串口已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以發(fā)送請求包。接下來，用write()函數(shù)向串口發(fā)送一定字節(jié)數(shù)的請求包即可。
圖5 串口通訊流程圖
在接收返回包時，有時由于數(shù)據(jù)量大或速度較快造成串口緩沖區(qū)未能收到I/O模塊發(fā)出的返回包，因read()函數(shù)沒有一定的時間限制，在讀取串口數(shù)據(jù)時很有可能串口緩沖區(qū)沒有收全全部字節(jié)的返回包，這可能會使程序始終陷于read()函數(shù)中不能跳出，為解決這一問題，筆者采取的方法主要是以字節(jié)為單位逐字節(jié)地讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，并在讀取每個字節(jié)之前用select()函數(shù)檢查串口此時是否可讀，這樣可以有效防止串口在讀取過程中阻塞的隱患，提高程序可靠性。
5 結(jié)語
本文以Modbus RTU協(xié)議為例，在組態(tài)及通訊等方面，探討了基于RS-485總線的I/O模塊在分散控制系統(tǒng)中的開放性設(shè)計。經(jīng)過一定時間的測試及實際應(yīng)用，實踐表明基于RS-485總線的分散控制系統(tǒng)開放性設(shè)計可以有效降低成本、提高程序的可移植性和硬件的兼容性，極大地方便了用戶在使用過程中根據(jù)需要選擇適合的模塊。另外，可熱插拔、各種錯誤檢測、容錯功能等軟件設(shè)計的優(yōu)化，最大限度提高了系統(tǒng)軟件可靠性和運行效率。今后，開放性的思想可以滲透到分散控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，使之更好地為社會生產(chǎn)服務(wù)。
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高 明（1969-）
男，江蘇邳州人，高級工程師，中國大唐集團公司B級專家，主要從事火電廠優(yōu)化自動控制研究。
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女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向為智能控制及其在工程中的應(yīng)用、非線性控制，風(fēng)力發(fā)電機組建模、網(wǎng)絡(luò)化控制。
摘自《自動化博覽》2012年第三期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號