MODBUS RTU转TCP协议远程通讯在海上平台的应用.pdf

2 0 1 9 01 技术应用与研究技术应用与研究 当代化工研究m Chenmical Intermediate 丄 J 丄 MODBUS RTU转TCP协议返程通讯在海上平台的屈Lffl * 李明海* 李明海 中 海 石 油 （ 中国）有 限 公 司 湛 江 分 公 司 广 东 524057 摘 要 D C S系统是海上油田重要的生产过程自动化控制、火气设备检测.应急生产关断的控制系统。WZ12-2A平台控制系统西门子P CS7系 统，WZ12-2B平台控制系统ABB公司800 xA系统；WZ12-2B平台井口平台中控房操作员较少，WZ12-2A中心平台需要协助井口平台监控生产、 火气及紧急关断系统重要关键参本文阐述西门子PCS7系统与ABB/司800 xA系统采用的MODBUS RTU转TCP协议通过SDH远程通信的实现。 关键词MODBUS协议；TCP/IP协议；SDH; w i n c e ;网关 中图分类吾 T 文献标识码A Application of MODBUS RTU to TCP Protocol Remote Communication in Offshore Plat L i MinghaiL i Minghai Zhanjiang Branch o f CNOOC China CO. , LTD. , Guangdong, 524057Zhanjiang Branch o f CNOOC China CO. , LTD. , Guangdong, 524057 Abstract DCS system is an important control system for the automation control, fire and gas equipment detection and emergency production shutdown in offshore oilfield production process. WZ12-2A Plat Control System, Siemens PCS7 System, WZ12-2B Plat Control System, ABB Company 800XA System; There are few operators in the central control room of the wellhead plat ofWZ12-2B plat, and the center plat ofWZ12-2A needs to assist the wellheadplat in monitoring important key parameters of production, internal heat and emergency shutdown system. This paper describes the realization of remote communication between Siemens PCS7 system and ABB company 800 XA system through SDH using modbus RTU to TCP protocol. Key words i MODBUS protocol TCP/IP protocol i SDH； wince； gateway 引言引言 随着南海北部湾海上油气田的开发，海上平台建造越 来越多，集成化程度高，油气水生产一体化管理，上下游平 台平台之间的生产系统数据、火气系统以及关断逻辑的监控 越来越重要。中心平台对无人井口平台各项生产系统参数监 控、火气设备的探头状态及消防系统运行情况，紧急关断逻 辑的控制一体化建设重要性更为重要。本文介绍海上油气田 中上游井口平台与下游集输中心平台不同DCS系统之间通过 MODBUS RTU转TCP协议远程通信的实现，网络拓扑结构，如 图1 DCS远程传输拓扑结构图。 I B B I II ABB 800 xA RTU-TCP 网关 SDH 海底光纤 W SDH 交换机 Siemens PCS7 图1 DCS远程传输拓扑结构图 1. 1. MODBUS通信协议介绍通信协议介绍 MODBUS通信协议工业现场应用最广泛的总线规约。 MODBUS通信协议采用的是主从通信模式（ 即Master/Slave 通信模式） ，MODBUS通信协议具有多个类型，支持串口 主要是RS-485总线）及以太网多个版本，其中最常用的是 MODBUS RTU， MODBUS ASCII和MODBUS TCP三种。 MODBUS RTU 与MODBUS ASCII均为支持RS-485总线的通信协议， MODBUS RTU由于其采用二进制表现形式以及紧凑数据结构，通信效 率较高，应用比较广泛。而MODBUS ASCII传输效率要远远 低于MODBUS RTU协议，在工业现场一般都是采用MODBUS RTU 协议。 MODBUS TCP协议则是在MODBUS RTU协议上加一个MBAP报 文头，由于TCP是基于可靠连接的服务， MODBUS TCP协议中是 没有CRC校验码，MBAP报文头共七个字节长度，除第五、六 个字节外，其余基本不变。 MODBUS TCP使M0DBUS_RTU协议 运行于以太网。 MODBUS TCP通信报文被封装于以太网TCP/IP 数据包中。与传统的串口方式， MODBUS TCP插入一个标准的 MODBUS报文到TCP报文中，不再带有数据校验和地址。 MODBUS TCP与MODBUS RTU的协议转换时，RTU协议中的地址 码，网关转换MODBUS协议，在TCP协议中，单元标志数据就 类型 MBAP报文头地址码功能码寄存器地址 寄存器数量 CRC校验 MODBUS RTU无010301 8E00 0425 DE MODBUS TCP00000000000600无0301 8E00 04无 表1 MODBUS RTU与Modbus TCP读指令对比 类型 MBAP报文头地址码功能码寄存器地址 寄存器数量数据长度正文 CRC校验 MODBUS RTU无011001 8E00 010200 00A8 7E MODBUS TCP00000000000900无1001 8E00 010200 00无 表2 MODBUS RTU与Modbus TCP写指令对比 132 当代化工研究 技术应用与研究技术应用与研究 2 0 1 9 01 是对应RTU协议中的地址码，如下表1、表2所示 表1指令的涵义从地址码为01 TCP协议单元标志为00 的模块0 xl8E018E寄存器地址开始读（ 0 3 四 个 （ 00 04 寄存器。 表2指令的涵义从地址码为01 TCP协议单元标志为00 的模块0 xl8E018E寄存器地址开始写（ 10 个 （ 00 01 寄存器，具体数据长度为2个 字 节 （ 0 2 ，数据正文内容为 00 00 00 00 2. MODBUS RTU与TCP转换的实现 MODBUS的ASCII、RTU协议规定消息、数据的结构、命令 和就答方式，数据通讯采用主从通信模式（Master/Slave通 信模式。 MODBUS RTU通信协议采用的是MODBUS协议需要对 数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式 采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，M0DBUSTCP通 讯模式，没有主站、从站之分，有 服 务 器 （Server 与 客 户 端 （C lient 之分 。发出数据请求的一方为客户端 Client ，做出数据应答的一方为服务器（Server 。 服 务 器 （Server 与 客 户 端 （Client 分别类似于MODBUS RTU从站、主站的作用，但MODBUS RTU与M0DBUSTCP之间没有 任何关系。server打开502端口监听，协议处在接收状态， client是连接server的IP端口，连接后主动发送查询报文。 A B B 8 0 0 x A系 统 | LU R I sg 图2 ABB系统侧结构图 ABB 800 xA系统做MODBUS RTU主站，通过CI853卡将数据 传输到MS-CPU32 M0DBUSRTU转TCP网关）从站中，图二ABB 系统侧结构图。在MS-CPU32中RTU的通讯波特率、校验位等 设置MODBUS TCP中进行IP、网关、DNS、server/client等 设置，本次远程传输需要MS-CPU设置为MODBUS TCP设置为 server〇 3. SDH传输原理 油田群平台与平台之间，尤其是无人井口平台与中心平 台间的数据传输，信号稳定性好，并可在恶劣环境中运 行 ，安全等级要求高。涠洲油田群采用SDH系统可满足要 求。 SDH Synchronous Digital Hierarchy, 同步数字体 系），是不同速度的数位信号的传输提供相应等级的信息结 构，包括复用方法和映射方法，以及相关的同步方法组成的 一个技术体制。SDH是同步光纤网络多路复用器，基于SDH油 田群平台之间可以通过光纤来传输生产控制系统信号，视频 监视信号，电话、广播，也可传输紧急关断的干结点信号及 MODBUS协议 4. 工程师站编程与组态的实现 1通洲12-2B平台DCS系统 涠洲12-2B平台中控系统采用的是ABB公司800 xA系统， 其中包括过程控制系统、紧急关断系统及火气探测系统。紧 急关断系统中ESD-1/ESD-2/ESD-3的因果状态。火气探测系 统中的生产现场火焰、可燃气探头、手动火灾报警站、固定 式灭火系统；电气开关间生活楼的烟探头、热探头以及可 燃气探头的报警/故障/正常状态；生产控制系统井口控制盘 液位/压力信号、生产井/注水井压力温度与注水流量计等 参数。 PCS系统NonSIL等级与FGS系统NonSIL等级数据交换。在 PCS系统Program新建通讯变量，编写程序，把需要交换的数 据传送到通讯变量中；在FGS系统Program中新建通讯变量， 名称、数据类型等必须和PCS系统的通讯变量一致，方向一 列改为IN, 编写程序，把需要交换的数据由通讯变量传送到 变量中；编写通讯程序。 ESD系统SIL等级和FGS系统NonSIL等级数据交换。在 ESD系统Diagram中新建变量；使用MMSDefHI功能块进行通 讯写变量操作；在FGS系统Diagram-NonSIL等级中新建变量 并使用MMSReadHI功能块进行通讯读变量操作。把FGS系统 D i agr am-NonS IL等级中对MMSReadHI功能块通讯变量传送至 FGS系统Program-NonSIL等级中，方法与PCS系统NonSIL等级 与FGS系统NonSIL等级数据交换相同。 2通洲12-2A平台DCS系统 涠洲12-2A平台DCS系统采用的是西门子PCS7系统，通 过STEP7编程、WinCC组态。DCS系统采用的CPU控制器是S7 417-5H,通过CPU集成PN口作为client端进行MODBUS TCP通 讯。STEP 7中设置CPU属性中PN 口的IP地址，新建BD5设置 MODBUS TCP通讯的参数包含IP地址、0A/1A/0B/1B的设置， DB12接收通讯数据。新建chart功能块，通过MB_PNHCL 把 接 收 到 的 数 据 进 行 解 压 。数 字 量 通 过W_B0 HMI_ DSP、ALARM_8P三个功能块实现WinCC显示与报警信息。模拟 量通过I_IAM0N实现WinCC显示与报警。 结束语 通过MODBUS RTU转TCP协议不同平台间DCS系统的远程数 据传输的实现，对无人井口平台数据传输、油田群各平台之 间协助监控生产参数、火气检测系统与紧急关断信号的监测 与控制提供选择。 【 参 考 文 献 】 [1] 海上油气田SDH光纤通信网的设计应用.海洋工程装备与技 术,2015. [2] Modbus协议RTU模式与TCP模式的通信转换设计.科学技术 与工程,2013. [3] 基于S7-400 CPU集成PN接口MODBUS TCP通讯.西门子手册， 2011. 【 作 者 简 介 】 李明海（ 1981- ，男，中海石油（ 中国） 有限公司湛江分公 司；研究方向油气田自动化仪表及控制系统研究。