IP的PLC-HMI-SCADA系统设计.pdf

第 5 l 卷第 6 期 2 0 1 5 年 1 2月 石油化工自动化 AUToM ATI oN I N P ETR _ CHEM I CAL I NDUS TRY Vo l I 5 1 ，No ． 6 No v e mb e r ，2 0 1 5 基 于 Mo d b u s TC P ／ I P的 P L C～ H MI S C ADA系统设计 孟磊 ， 邹志云 ， 郭宇晴 ， 刘兴红 ， 防化研究院， 北京 1 0 2 2 0 5 赵丹丹 摘要 针对流程工业常用的兼容 Mo d b u s 协议的智能设备， 以一套小型电加热反应系统为对象， 以 P L C作控制器， 利用触摸屏 设计了界面友好、 便于现场操作的人机界面， 并设计上位机数据采集与监控 S C A D A 系统， 各部分通过 Mo d b u s T C P ／ I P协议 互联通信， 构成了一套 P L C HMI S C A D A系统， 详细介绍了系统组成及组态设计。实际应用表明， 基于 Mo d b u s T C P ／ I P协 议通信的 P L C HMI S C ADA系统人机交互方便 ， 便 于扩展 ， 通信速度高 。 关键词 通信协议 可编程控制器触摸屏数据采集及监控系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 6 0 0 4 0 0 3 D e s i g n o f P L C一 删l S C A D A S y s t e m B a s e d o n Mo d b u s T C P ／ I P M e n g Le i ，Z o u Z h i y u n，Gu o Yu q i n g，Li u Xi n g h o n g，Z h a o Da n d a n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h e mi c a l D e f e n s e ， B e i j i n g ，1 0 2 2 0 5 ， C h i n a Ab s t r a c t s Ai mi n g a t i n t e l l i g e n t d e v i c e s wi t h c o mp a t i b l e M o d b u s p r o t o c o l f r e q u e n t l y - u s e d i n p r o c e s s i n d u s t r y ，t h e h u ma n c o mp u t e r i n t e r f a c e wi t h f r i e n d l y i n t e r f a c e a n d c o n v e n i e n t o n - s i t e o p e r a t i o n i S d e s i g n e d wi t h t o u c h s c r e e n wi t h P I C a s c o n t r o l l e r a n d o n e s ma l l s e t o f e l e c t r i c a l h e a t i n g r e a c t i o n s y s t e m a s o b j e c t ．Th e u p p e r c o mp u t e r s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n i s a l s o d e s i g n e d wi t h i n t e r c o n n e c t c o mmu n i c a t i o n a mo n g e a c h s e c t i o n t h r o u g h Mo d b u s TC P ／ I P p r o t o c o l t o c o n s t r u c t o n e s e t o f P LCHM I S CADA s y s t e m． Th e s y s t e m c o mp o s i t i o n a n d c o n f i g u r a t i o n d e s i g n a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l ．Pr a c t i c a l a p p l i c a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h e h u ma n - c o mp u t e r i n t e r a c t i o n i S c o n v e n i e n t f o r Mo d b u d TC P ／ I P p r o t o c o l b a s e d P L CHMI S C AD A s y s t e m wi t h e a s y e x t e n s i o n a n d h i g h c o mmu n i c a t i o n s p e e d ． Ke y wo r d s Co mmu n i c a t i o n p r o t o c o l ；p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ；t o u c h s c r e e n；s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n 流程工业控制一般涉及模拟量较多， 可靠性要 求 高， 其 自动化监控一直是工控领域研究和应用的 重点之一 ， 目前应用较多的有 P L C及 D C S等 J 。 随着 自动化技术的发展 ， 各种智能仪表和模块不断 产生 ， 譬如一类典型的支持 Mo d b u s 协议的智能仪 表 。笔者以某小型反应系统为例 ， 采用浙江 中控 新型的一体化 P L C U6 2 0 0作为控制器 ， 利用 昆 仑通态触摸屏和力控监控组态软件 ， 设计 了一套基 于 Mo d b u s TC P ／ I P协议高速通信的 P I C HMI S C ADA系统 。 1 Mo d b u s T C P ／ I P协 议概述 Mo d b u s 协议是全 球第一个 真正用于工业 现 场的总线协议 ， 自 1 9 7 9年在 Mo d i c o n公司诞生 以 来就因其开放、 免 费、 简单 高效 的特性而广泛应用 于智能设备 问建立基于主从方 式 的通信 连接【 。 Mo d b u s只定义 了通信消息的消息结构 ， 与物理层 无关， 故不管是传统的 R S 一 2 3 2 ， R S 一 4 2 2 ， R S ～ 4 8 5 总线 ， 还是 以太 网网络 ， 均 可支持 Mo d b u s协 议。 当然 ， 为了能 在特定 的网络上传输 Mo d b u s消息， 必须将 Mo d b u s 消息嵌入到此 网络上使用 的帧或 包结构 中， 从而解决在相应 网络上的地址 、 路 由路 径及错误检测等问题 。 当Mo d b u s 在网络上通信时， Mo d b u s 协议规 定必须要知道每个设备的设备地址 ， 并识别按地址 发来 的消息 只接收广播地址和本机地址消息 ， 然 稿件收到 日期 2 0 1 5 0 6 ～ 0 5 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 5 - 0 9 2 8 。 作者简介 孟磊 1 9 9 0 一 ， 男 ， 河南 开封人 ， 2 0 1 3年 毕业 于西安交 通 大学 自动化专业 ， 现 为防化研究 院在读硕士研究生 ， 主要从事过 程 控制方 面的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 孟磊等．基于 Mo d b u s T C P ／ I P的 P L C HMI S C A DA系统设计 4 1 后根据消息内容执行相应 的操作 。如果需要回应 ， 则设备根据 Mo d b u s 协议生成反馈信息并发送到 网络。Mo d b u s 标准帧结构如图 1 所示 。 图 1 Mo d b u s标准 帧 结构示 意 其 中， 协议数据单元 P D U p r o t o c o l d a t a u n i t 部分为必 需 的， 应 用 数 据单 元 ADU a p p l i c a t i o n d a t a u n i t 和 P DU 的差异部分根据传输 网络的不 同而差异 。帧结构中的代码域包含 l B y t e ， 实质是 定义了一系列的 Mo d b u s 功能码 ， 当消息从主设备 发往从设备时 ， 功能代码将告知从设备需要执行哪 些行为， 从设备根据功能码的指示执行相应的操 作。当从设备回应时， 使用功能码来指示是正常还 是异常， 正常回应时功能码保持不变。数据域由 2 个十六进制数集合构成 ， 是各个功能码的操作数 。 Mo d b u s T C P ／ I P是 Mo d b u s 与以太网结合的产 物 ， 其运行在 T C P ／ I P网络上 ， 比 Mo d b U S串行协议 扩展更为方便， 传输速度更高， 伴随着以太网的发展 得到越来越多的关注与应用。一般说来， 利用以太 网通信的 Mo d b u s T C P ／ I P速率可达 1 0 0 Mb i t ／ s ， 而 利用串行协议通信的速率只能达到 1 1 5 ． 2 Kb i t ／ s _ 3 j 。 所有的 Mo d b u s n P ／ I P帧都是通过 T C P端 口 5 0 2 发出。对于 Mo d b U S T C P ／ I P， 其帧结构如图 2所示。 图 2 Mo d b u s TC P帧 结构 示意 图 2中附加 地址域 采用 了 7 B y t e的 MB AP mo d b u s a p p l i c a t i o n p r o t o c o l h e a d e r 前缀 ， 包 含 事务处理标示符 2 B y t e 、 协议标示符 2 B y t e 、 后 续数据长度 2 B y t e 和单元标识符 1 B y t e 。帧本 身没有数据校验域 ， 传输数据的准确性用 T C P ／ I P 和链路层 以太网 校验的机制来校验。 在构建基于 Mo d b u s T C P ／ I P的 HMI ／ S C A D A 系统时， 只需相关智能设备支持标准 Mo d b u s TC P ／ 协议或 至少可扩展支持该协议 ， 将其通过路 由 器 、 交换机等网络设备连接至一个 网络中并进行相 关网络配置和设备组态即可。 2系统组成 本文基于 Mo d b u s TC P ／ I P， 将控制器 与触摸 屏和上位机通过以太 网连接 ， 实现了系统的高速通 信 。硬件上主要 由 U6 ～2 0 0 一体化 P L C 、 昆仑通态 嵌入式工控触摸屏 T P C 1 0 6 2 K、 上位机 、 P A C 1 5 P调 压板 、 可控硅功率元件、 5 0 0 W 电加热套、 P t l 0 0 热电 阻、 三V I 玻璃反应器等组成。整个 系统组成如图 3 所示 。 图 3小型 反应 器 P L CHMI S C A DA 系统 组成 示意 其 中， 一体化 P L C作为控制器 ， 其结构紧凑、 功能强大 ， 机身带有 1 6路 AI ／ 8路 AO， 2 4路 DI ／ 1 6 路 D O及 4 路 P I 频率通道 ， 可以方便实现对 模拟量、 数字量的采集与控制， 无须额外扩展模块 即可完成过程现场多种控制任务 。触摸屏作为人 机交互界面 ， 实现人与 P L C的动态交互 ， 可以方便 在现场监控反应系统 当前状态、 设置 P I D参数、 启 动／ 取消 自整定功能 、 设 定控制温度 、 观察 实时／ 历 史趋势 、 报警等 。上位机在初始 阶段完成 对 P L C 和触摸屏组态 ， 运行 阶段则利用 S C ADA系统 ， 在 上位机 中实现过程 的数据采集与监控 。 该 HMI ／ S C ADA 系统 的设计基 于实验 室小 型电加热反应系统 。该系统通过 P t l 0 0热 电阻 作为测量反馈环节 ， 测得反应器的过程变量当前值 并直接送人 P L C； 调压板、 可控硅与电加热套作为 执行器 ， 接受控制器的 4 ～2 O mA电流输出而相应 调整电加热套 的加热电压 ， 进而影响被控反应器 的 温度变量； 小型三 口玻璃 反应器是 系统 的被控对 象 ， 其内部温度为被控的过程变量。 3 P L OH MI _S C A D A系统 设计 3 ． 1 P L C组态 U62 0 0一 体化 P L C机 身 带有 2个 RS一 2 3 2 C串口和 1 个 以太 网接 口等多种通信接 口， 其 内部集成 Mo d b u s模块 ， 可通过 以太 网接 口支持 Mo d b u s T C P ／ I P协 议 ， 与 处 在 网 络 中 的 其 他 Mo d b u s 智能设备高速通信。本文将该 P L C通过 以太网口连接至路 由器并配 置其 I P地址为 1 9 2 ． 1 6 8 ． 1 ． 2 ， 设备 地址 为 6 ， 默认 为从机模 式。由于 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 石 油化 工 自动化 第 5 l卷 P L C的数 据 类 型 和 支 持 的 功 能 码 在 与 HMI ／ S C AD A通信时起到重要的作用 ， P L C涉及 的数据 类型见表 1 所列 ， 支持 的功能码见表 2 所列 。 表 1 U 6 2 0 0 P L O的数据类型 类 型 说 明 布尔 型 寄存器 整型 浮点 型 1 位 I 6位 3 2位 表 2 U 6 2 0 0 P L C支持的 M o d b u s 功 能码 U6 2 O O P I C不 同于传统 P L C， 需要 编制繁 杂的梯形 图或指令表程序 ， 它只需通过上位机组态 软件 I n s c a n MC S组 态并 通过 Mo d b u s TC P网络 下载编译好的组态文件或通过配套的调试屏就地 组态。该项 目中使用 Al O l采集 P t l 0 0热电阻的输 入 ， P I D 0 1 控制回路接受 A1 0 1 测量值作为反馈 ， 设 定值通过上位机或 HMI 按需设置， 采用数字 P I D 算法 ， 集 成 了基 于继 电反 馈算 法 的 自动 整定 功 能 ， 组 态 后 可通 过 上 位 机或 HMI直 接 调 用。 AO0 1 将 P I D0 1运算结果 以 4 ～2 o mA标准信号 输 出至可控硅调压板。 3 ． 2 触摸屏组态 该项 目利用 国内昆仑通态嵌入式工控触摸屏 设计人机界面， 利用其取代传统的按钮控制系统或 文本操作界面来设计 HMI ， 人机交互更友好 。 使用 MC GS嵌入式组 态软件对触摸屏进行组 态， 该软件体积小且对硬件用 户免费 。与其他 同类产 品相 比， 其开放性更好 ， 灵活性和性价 比更高， 具有 图形界面设计管理 、 动画、 实时／ 历史曲线、 报表 、 报 警等强大的组态功能。 在对触摸屏组态时 ， 首先在设备窗 口中定义设 备属 性 并 设 置 I P地 址 通 信 端 口等 相 关 参 数 。 Mc GS把设 备分为 2个层次 父设 备和子设备 。 父设备与硬件接 口相对应 ， 子设备放在父设备下 ， 用于与该父设备对应的借 口所连接 的设备通信 ， 需 在子设备中将参数调整为与父设备一致。然后定 义设备通 道用于 与 P L C的通信 如 A1 0 1通道 、 A1 0 1 报警通道 含 A1 0 1 ． HH， A1 0 1 ． Hi ， A1 0 1 ． 1 e o ， A1 0 1 ． L I 、 AO 0 1通道等。定义通道时在 P L C说 明书中查出通道 的物理地址 、 数据类 型、 读写属性 和支持功能码 ， 在 MC GS中正确设 置即可。对设 备组态并定义好设备通道后 ， 触摸屏 与 P L C即可 通过 Mo d b u s TC P协议高速通信 。最后可在用户 窗 口中组态人机界面 ， 如动画设 置、 实时趋势曲线 显示等 。 3 ． 3 上 位机 组态 上位机 中采用 力控 7 ． 0监 控组 态 软件 设计 S C AD A系统 。该软 件是对现场生产 数据进行采 集与过程控制的专用软件 ， 最大的特点是能以灵活 多样 的“ 组态方式” 而不是编程方式来进行系统集 成 ， 它提供了良好 的用户开发界面和简捷的工程实 现方法， 只要将其预设置的各种软件模块进行简单 的“ 组态” ， 便可以非常容易地实现和完成监控层的 各项功能 ， 比如在分布式网络应用中， 所有应用 例 如趋势曲线 、 报警等 对远程数据 的引用方法与引 用本地数据完全相同， 通过“ 组态” 的方式可以大幅 缩短系统集成 的时间， 提高集成效率 。 J 。 该部分设计实现思路 同用 MC G S嵌入版组态 触摸屏时类似 。根据定义好 的通道详情 ， 在数据库 中定义模拟 I ／ O点和数字 I ／ 点 ， 其 中布尔 型的 通道在此定义为数字点 ， 其余 的为模拟点 。 1 0设备及数据库组态好后 ， 上位机与 P L C即 可通过 Mo d b u s T C P协议高速通信。最后可在窗 口中组态动画设置 、 实时趋势曲线显示等即可 。 4 结束语 实践证 明， 应用 Mo d b u s TC P ／ I P协议设计 的 一 体化 P I CHMI S C AD A系统 ， 各个智能设备 问通过以太 网实现了高速通信， 系统运行 良好 。在 控制层利用 P L C实现了对设备层小型反应系统 的 有效控制 ， 且该新 型 P I C无需编程 、 组态方便 ； 在 MC GS嵌入版中为昆仑通态嵌入式一体化触摸屏 设计的 HMI 界面友好 ， 在现场 即可实现对反应 系 统 的有效监控 ， 其参数设置 、 自整定启动／ 停止等均 可脱离上位机完全在现场操作实现 ； 在监控层利用 力控 7 ． 0监控组态软件设计上位机 S C AD A系统 ， 通过 Mo d b u s TC P ／ I P可与控制层 的设备 高速通 信 ， 实现对设备层和控制层的有效监控 。 参考文献 [1] 王家国 ， li t 芮．基于 Mo d b u s 总线 议的工业锅炉 监控系统 设计[ J ] ． 自动化技术 与应用 ， 2 0 1 2 ， 3 1 1 1 5 3 5 7 ． [2] s ANGE E THA A I ，NA VEE NKUMAR B ，GANE S H A B， e t a 1 ． Ex p e r im e nt a l Va l i d a t i o n o f PI D Ba s e d Ca s c a d e Co n t r o l S y s t e m ’t h r o u g h S CADAPI C一 PC a n d[ n t e r n e t Ar c h i t e c t u r e s [ J ] ．Me a s u r e me n t ， 2 0 1 2 4 5 6 4 3 6 4 9 ． 下转 第 4 5页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 董荣国等．华东成品油管网模拟仿真与培训系统的开发研究 4 5 中， 软件实时根据管道运行的 S C ADA数据对管道 k值进行调整。其调整基本算法如下 厂一 1 ． 3 7 5 X 1 0 N E 1 2 N 1 0 k ／ d 1 1 0 。 ／ R e 。 ] 1 式中卜摩 阻系数 ； 忌 粗糙度 ； 管径 ； Rr雷诺数。 管道效率 一基准／ 当前粗糙度 ， 该管道效率指 标可以为合理制订清管计划提供依据。 3 ． 2 ． 2 管道安全预警 在线仿真系统部分数据 由 S C A D A系统驱动， 其余运行参数 由软件水力计算得出， 可 以根据该部 分数据的测量值和软件水力计算结果之间的误差来 实现对管道运行的安全评价 ， 在准确建模的条件下 ， 当误差超出一定 的阈值 可以 自由设定 ， 则可以认 为管道运行存在异常 ， 以进一步进行原因分析。 根据软件的水力热力仿真结果 ， 主要实现了流 量 、 压力的异动报警。在线仿真系统通过 S C AD A 系统读取必须的数据作为仿真软件的边界条件导 人 Va r i S i m模块 ， 利用 Va r i S i m对其他运行参数进 行理论计算 ， 然后将计算出的理论数据与 S C AD A 系统的读数进行 比较 ， 当误差达到 阈值 以上时 ， 系 统发出报警。由于仿真软件每秒进行一次运算 ， 因 而一旦由于泄漏、 阀门误动作或者过滤器堵塞等异 常情 况 造 成 压 力、流 量 波 动 后 ， 即 使 未 超 出 S C ADA系统的设 置范 围， 也 能及时判断 和报警 ， 提醒调度人员及时处理 。 4 离线仿真系统开发研究 根据管道基础数据建立 的管道模型 ， 经在线模 型运行调整后 ， 更逼近实际的管道， 在此基础上， 利 用该模型建立管道的离线仿真系统， 进行离线培训 器开发。 在培训服务器端 ， 采用离线仿真软件的工况模 拟功能 ， 可以通过收集 日常输油作业 中的典型案例 进行初始工况开发 ， 生成题库 ； 也可 以通过在线模 型实时抓取工况作为初始工况， 即时模拟。 在学员工作站 ， 仍然采用现有 S C AD A 系统的 HMI 软件和工艺组态画面 ， 实时读写培训服务器 。 特别开发了S c A D A系统与水力仿真软件通信的 中间件。在系统开发中， 不改变原有 S C A D A系统 的软件架构 ， 将水力仿真软件作为带有水力仿真管 道的 P L C系统来考虑 ， 将水力仿真软件数据通过 OP C接 口向中间件封装 ， 在 S C ADA 系统 中针对 一 个虚拟设备 中间件 来开发相应的驱动 ， 实现系 统 的 集 成 。在 整 个 系 统 中， 中 间 件 实 现 一 个 OP C C l i e n t 与仿 真软件 也作 为 OP C C l i e n t 通过 OP C S e r v e r 交换数据 ， S C AD A系统 中编写 的驱动 程序则实时读取 中间件获取到 的水力仿真 系统数 据 ， 并由 S C ADA的 HMI 画面进行显示。 5 结束语 本文从实际运行出发 ， 完成 了华东成品油管网 在线模拟仿真与离线培训系统开发 ， 实现了对管网 运行的同步跟踪分析 、 实时监控预警 ， 并为操作人 员培训提供模拟真实环境下灵活丰富的实操练 习 和测试手段 以及对新工况预先的检测论证平台， 并 成功应用于该管 网的运行管理 ， 对提升管道安全高 效运行水平和员工的操作技能 、 应急处置能力均发 挥 了积极作用 ， 取得 了明显 的应用效果 。 参考文献 [1 ] 王永红 ， 李 晓平 ， 宫 敬． 长输 管道在 线仿真 系统 的应用 与展 望 E J ] ． 油气储运 ， 2 O l 1 ， 3 0 O 2 9 0 9 4 ． [2] 宋生奎 ， 宫敬 ， 耿 光辉． 输 油管 道离线仿 真现状 及应用 I- J ] ． 石油商技 ， 2 0 0 3 ， 2 1 O 6 3 2 3 4 ． [ 3 ] 常大海， 王善坷， 肖尉． 国外管道仿真技术发展状况[ J ] ． 油 气储运 ， 1 9 9 7 ， 1 6 1 0 9 1 3 ． [4] E ． 13 ． 怀利 ， V． I ． 斯特里特． 瞬变流[ M] ．清华大学流体传动 与控制教研组译． 北京 水利电力 出版社 ， 1 9 8 3 2 5 2 9 ． [5] 张国忠． 管道瞬变流动 分析E M] ． 东 营中国石油大学 出版 社 ， 1 9 9 4 3 85 2 ． [ 6 ] 赵建敏 ， 李琦． 基于 G P R S的供热管网远程监控系统F J ] ． 化 工 自动化及仪表 ， 2 O l 2 ， 3 9 O 6 7 5 7 7 6 0 ． 上接 第 4 2页 [ 3] 华镕． 从 Mo d b u s到透 明就绪施 耐德 电气 工业 网络 的协 议 、 设计 、 安装和应用[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4] 于蒙 ， 邹志 云 ， 赵丹 丹 ， 等． 小型 电加热反 应器 温度 的 R B F 神经 网络 自整定 P I D 控 制 [ J ] ．石 油 化 工 自动 化 ， 2 0 1 2 ， 4 8 0 6 3 13 5 ． [ 5] 陈卓． 基于 U62 0 0一体化 P L C的分布式 自动 配料系统的 研究 [ J ] _ 控制工程 ， 2 0 1 4 ， 2 1 增刊 1 1 0 4 1 0 6 ． [6] 窦 小 明， 黄 晓 伟．MCG S触 摸 屏 与 多 台 汇 川 变 频 器 的 Mo d b u s 通讯设 计 与 实 践 [ J ] ．自动 化 技 术 与应 用 ， 2 0 1 2 ， 3 l 1 1 5 35 7 ． [ 7] 黎志刚 ， 王俊元 ， 刘 波． 基 于 MC G S的 S MC电动执行器控制 方法研究_ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 1 4 ， 3 6 0 7 1 64 0 ． [ 8] 徐丽 ， 万朵 ， 王健． 基于 P L C与力控 6 ． 0的调速 管水冷监控 系统设计_ J ] ． 化工 自动化及仪表 ， 2 0 1 3 ， 4 0 0 6 8 0 78 0 9 ． [ 9] 毕健 ， 高世 阳， 何泽 ， 等． P L C和组态软件 在气源总站监控 系 统 中的应用 _ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 1 4 ， 3 5 增刊 1 6 77 2 ． E l O 3 赵黎 明， 张冰． 电机群 网络 管控一体 化 P L CS CA DA设计 与应用I- J ] ． 工业仪表与 自动化装置 ， 2 0 1 2 0 3 2 22 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m