（国家电投宁夏能源铝业中卫热电有限公司 宁夏中卫 755000）
摘要：本文介绍了分散控制系统（简称DCS）与网控系统（简称NCS）之间基于TCP/IP网络和Modbus通信协议的通信方式，重点阐述了该通信方式从硬件到软件的实现过程。通过在国家电投宁夏中卫热电厂的应用实例，验证了该通信方式的正确性及其优势，具有一定的借鉴意义。
关键词：DCS；NCS；Modbus；通信；
随着计算机网络技术及和电力自动化技术的快速发展，许多地区调度自动化系统的功能已很强大[1]。地区调度中心与各个发电厂网络计算机监控系统（NCS）的远动工作站进行信息通信，将发电厂内调度所需的远动信息可靠、实时地传送到调度中心，同时调度中心将控制、调节、对时命令可靠、实时地传送至NCS系统，实现调度自动化。为了对发电厂生产过程中的重要信息进行数据采集，NCS系统必须与发电厂生产控制系统，即与分散控制系统（DCS）建立通信。而在建立通信的过程中，由于NCS系统所支持的通信协议有限，因此需要解决两种系统在数据通信方式上的兼容问题。
中卫热电有限公司分散控制系统（DCS）为北京国电智深控制有限公司生产的EDPF-NT Plus控制系统。该系统配置了通讯站，可通过ModBus协议与PLC及其他控制系统进行数据通信，解决了与NCS系统进行数据通信的兼容问题。
1、网络结构
EDPF-NT Plus分散控制系统的通讯站只需通过工控机的一块网卡和一台串口服务器，便可与多个支持ModBus协议的信息系统同时进行数据通信，其与NCS系统的通信链路结构如下图所示：
图1 DCS与NCS的通讯链路
2、ModBus RTU通信
2.1通信格式
标准的ModBus协议使用两种模式进行通信：ASCII和RTU。在以RTU模式建立通信时，信息是以8位二进制方式传送的，如127（十进制）在RTU模式下是用8位二进制01111111表示的，这种方式最大的好处是在同等传输速率下，可以比ASCII模式传输较多的信息，该模式在智能仪表上被普遍采用。
ModBus RTU帧格式由地址、功能码、数据段、校验码组成，数据段内容根据主-从或从-主关系可包括寄存器起始地址、寄存器数、数据位等。
图2 RTU报文帧
主机向从机发送的请求帧格式：
数据帧中各个字段的含义如下：
1）地址
帧首的Addr地址为轮询地址，范围为0~247，这个字节表明拥有Addr地址的主机的从机将接受主机发送来的信息，并且每个从机都具有唯一的地址，响应的信息均以各自的地址码开始。
2）功能码
信息帧的功能码可用一个字节表示，范围为1-255，功能码表示主机要求从机执行何种操作，如03读寄存器数据，06修改从机地址等。
3）数据段
数据段是请求和响应的主要内容，主机向从机请求读取寄存器内容时，数据段包括寄存器的起始地址及读取的寄存器个数。寄存器从机存放数据的地方，一个寄存器存储2字节数据，地址为16位按高位在前，低位在后排列，有关寄存器地址可查阅通信手册。从机回送响应的数据段包括数据长度、实际采集的数据，另外，从机出现异常，数据段则以错误代码表示[2]。
4）校验码
为避免误码保证通信的可靠性，ModBus RTU传输模式采用循环冗余检验（CRC）。CRC 包含由两个8位字节组成的一个16位值，作为报文的尾帧附加在报文之后。其中低字节在前，高字节在后。附加在报文后面的CRC 的值由主机计算。从机在接收报文时重新计算 CRC 的值，并将计算结果与实际接收到的CRC 值相比较。如果两个值不相等，则为错误。
3、应用实现过程
3.1创建虚拟控制器站点
首先在PC机操作系统上安装好专用的DCS组态软件（本例为北京国电智深控制有限公司生产的EDPF-NT Plus DCS控制系统，虚拟控制器一般安装在DCS负责和第三方系统通讯的通讯站上，已经预装了DCS组态软件）。在DCS工程管理软件中添加新的站点作为虚拟控制器，同时添加冗余虚拟控制器站点。在主通讯站上安装虚拟控制器主站，在其他通讯站上安装冗余虚拟控制器站点，系统将自动安装运行时需要的组态和配置文件。
虚拟控制器启动后，可以像普通控制器一样使用。在系统状态图上可以看到它的运行状态，通过工程管理软件可下载、上传文件，发送指令等。
3.2配置虚拟I/O卡件和数据库
在虚拟控制器内添加虚拟I/O卡件，在配置虚拟I/O卡件的时候需要注意通讯双方必须对起始寄存器号和卡件内的测点数进行协定，虚拟I/O卡件第一个通道的测点必须对应到第三方的通讯地址（寄存器），且双方必须对所传输的信号顺序进行约定，否则可能导致虚拟I/O卡件通道上的测量值错误。
按照通讯双方约定好的信号顺序，将所
传输的信号信息依次录入测点表模板中，然后导入到虚拟控制器的数据库中。
3.3配置虚拟控制器内的信号传输逻辑
在工程管理软件中创建与虚拟I/O卡件相同数目的逻辑文件，为了方便对信号传输逻辑的编辑，可以将逻辑文件的顺序与虚拟I/O卡件的顺序一一对应。然后在每一个逻辑文件中编辑信号输出逻辑，将DCS系统中需要传输的信号与其在虚拟I/O卡件上的通道一一进行映射。编辑完成后，将所有逻辑文件编译后下载到虚拟控制器内，再将站点及数据库信息更新至所有监控站，就完成了对虚拟控制器的配置。
3.4与串口服务器的通讯
虚拟控制器所在的通讯站上使用独立的网卡与串口服务器连接。而串口服务器作为转接接口，其每个端口只能连接一个第三方系统。由于串口服务器具有 IP 地址和端口号，DCS 与每个第三方系统之间的通讯将映射到 DCS 与串口服务器每个端口之间的通讯。串口服务器每个端口的 IP 地址一样，均是串口服务器的 IP 地址，而端口号不同，每个端口具有自己的端口号。在通讯中，需要保证 DCS 通讯站与串口服务器属于同一个子网。当 DCS 需要使用多个串口服务器和第三方系统通讯时，则需要 DCS 通讯站有多块网卡分别与串口服务器连接，或者把通讯站的一块网卡和多个串口服务器均连接到 HUB、交换机上组成通讯子网。
在本应用方案中，选定串口服务器上与NCS系统进行通讯的端口后，便可登录串口服务器进行配置。通常可采用WEB登录方式，即在浏览器地址栏输入串口服务器的IP地址进行登录；或采用telnet远程登录方式，即在命令提示符窗口内用telnet+串口服务器IP地址的命令进行登录。以WEB登录方式为例，登入串口服务器后，在[服务器]选项卡内可对串口服务器的IP地址进行更改。在[串口配置]选项卡中点击选定的端口号，根据所要连接的NCS系统设备的波特率，数据位，停止位，校验位，流量控制，类型等设置该端口的参数。由于与NCS系统的通讯采用Modbus协议，所以类型选择“RS485”。在[工作模式]选项卡中选择该端口的工作模式，并配置通讯站与串口服务器的的传输协议以及对端主机（通讯站）的IP地址和端口等参数并记录下来。
图6 串口服务器配置二
然后在虚拟控制器的通讯配置文件中定义DCS与NCS系统的通讯方式、本地IP地址和端口号（即在串口服务器中配置的对端主机的IP地址和端口）、远端IP地址和端口号（即串口服务器的IP地址和在串口服务器上与NCS系统相连的端口的端口号）等参数。
在运行过程中，DCS系统采集现场信号，通过虚拟控制器输出至串口服务器，最后通过RS485端口将信号传送至NCS系统。
该应用方案的优点：
1、既不需要像传统的DCS与NCS系统通讯方式使用大量的硬接线，也不需要OPC技术及其设备，节约了大量成本。
2、虚拟控制器既具有DCS控制器的功能、可靠性、故障查找等方面的优点，又能充分利用计算机的大容量、高速CPU的优势。
3、工程技术人员可以方便地在工控机上使用自己熟悉的组态软件完成虚拟控制器的配置。
参考文献：
[1]张建设,马维青,郭晋洋.IEC 60870-5-104协议在远动通信中的应用[J].电力系统自动化,2003,27(11):91-93
[2]姜健. OPC技术在电力监控系统中的应用与研究[D].华中科技大学硕士论文,2003
作者简介：王思奇（1990-），男，助理工程师，大学本科，国家电投宁夏能源铝业中卫热电有限公司热控主检修工
论文作者:王思奇1
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：串口论文; 通讯论文; 控制器论文; 地址论文; 服务器论文; 系统论文; 寄存器论文; 《电力设备》2018年第20期论文;