MODBUS在过程控制系统中的应用

　　图3：对等网连接模式。在某些案例当中，控制系统不能处理MODBUS信号。在这种情况下，可以采用使用双重NCS设备的对等网解决方案，仅用一根MODBUS电缆就可以替代所有的控制室直连电缆。来自第二个NCS的模拟量输出再通过硬接线直接连接到控制系统的I/O盘。

　　连接MODBUS设备

　　最容易的一种把现场设备连接到一个过程控制系统、PLC或是工业计算机系统的方法，就是简单的把数字量以及模拟量I/O连接到一个具有MODBUS通讯能力的分散I/O系统里面。例如来自Moore Industries公司的NCS(Net Concentrator System)系统允许用户对模拟量和数字量信号进行远程连接，然后再通过双绞线连接到一个MODBUS主设备。多个NCS系统可以安装在全厂的几个不同的地点，都通过MODBUS进行连接(参见图2)。

　　这个解决方案即适合于新的工厂，也适用于现存的工厂。在许多现有的工厂里面，现场仪表设备通常是采用多芯电缆连接到DCS或者PLC系统的，每个设备都通过单独的对绞电缆把模拟信号传送出去。采用NCS系统，只需要这些电缆中的一个用来传送MODBUS信号就可以了。假如工厂想要增加额外的现场仪表设备，却不想安装更多电缆(电缆安装费用通常为每英尺100美元)的时候，这种解决方案就特别有用。一套分散I/O系统就可以满足所有现存仪表I/O的需要，或者仅仅用它来传送来自于所有新增现场仪表设备的数据。

　　在有些案例当中，控制系统不能处理MODBUS的信号。例如现有的控制系统有可能是为处理4到20毫安模拟量I/O和直接接线的数字量I/O而定制的，并且为现有的老系统进行重新编程使其支持MODBUS也非常困难。通常，用户一般并不倾向于通过铺设新电缆或是购买昂贵的MODBUS接口卡件来将新增加的远程信号接入到系统中，因为对MODBUS接口卡件进行重新编程费用很高。在这种情况下，一种对等网络方案(peer to peer)可以很好的解决问题。例如来自Moore Industries公司的CCS(Cable Concentrator System)和NCS(Net Concentrator System)系统就都具备对等网络通讯能力。

　　NCS和CCS系统与一套分散I/O模件十分相似，但是具有更强的内建智能。并且NCS和CCS系统既可以被设置成对等网络模式，也可以被设置成主从网络(peer to host)模式。

　　使用一套对等网络模式的NCS系统(参见图3)，配置了两个网络集中器;一个安装在现场，另一个安装在控制室。现场仪表被连接到远程的那个NCS。这个远程NCS与控制室里的NCS之间通过一根双绞线进行连接。然后控制室NCS的输出再通过硬接线接入现有控制系统的模拟I/O盘。采用这种方法，来自新增现场变送器的模拟信号就能够以原来模拟信号的状态通过工厂现有的模拟I/O卡件接入控制系统。这使得新增信号带来的编程和调试工作与新增数字接口卡件相比大大减少。这种对等网络解决方案也能够满足双向式通讯的要求，在这种情况下系统的现场侧和控制室一侧都可以有输入和输出能力。

　　HART借助MODBUS

　　老式工厂面临的另一个挑战是找出一种便宜而又方便的方法来发挥已经安装的和“将要安装的”HART智能仪表的优势。HART的意思是可寻址远程传感器高速通道。HART是一种数字化协议，其设计初衷是使变送器能够通过传统工厂安装的铜质对绞线在传送

　　一路模拟信号的同时传送数字化的数据。这使用户能够通过在这根对绞线上任何一点的连接对变送器进行远程或是本地的组态、测试以及诊断。HART从设备既可以采用点对点的方式连接，也可以采用多分支网络的方式进行连接。点对点连接是最常见的HART连接方式，在这种方式下HART变送器通过改变模拟回路上的电流来表征所需要的过程变量。当然，只监视数字化的HART数据也是可以的;不过在点对点的运行模式下，很少有人这么做。在HART变送器控制电流的同时，它还能够通过HART数据流发送多种数字化的信息包。过程变量数据和数字化信息数据都可以被HART从设备或是变送器传送。这些数据可以被用来监视仪表的完好情况或是被过程控制系统或者资产管理系统用来优化过程，帮助实现更加严密的控制或者防止意外的过程波动。在某些情况下，现有工厂可能有数以百计具有HART能力的仪表。不幸的是，由于种种原因许多工厂从来不开发这些HART仪表的潜在能力。

　　在目前资产管理系统、远程诊断系统和先进控制获得广泛应用的环境下，许多工厂都希望能够把HART仪表的数字化信息提取出来，但是他们的控制系统和现存的接线方式无法支持这种要求。这些控制系统可能无法从数字信号里面提取HART数据，或是这些控制系统仅仅想要看到硬接线的数字量和模拟量I/O信号。一台HART仪表可以通过HART信号发送多达四个过程变量：PV(第一变量)、SV(第二变量)、TV(第三变量)、FV(第四变量)。另外还有各种比特和字节的状态数据也可以被HART信号所传送。但是，如果控制系统不能够从数字化的HART信号里面读取这些额外的过程变量数据或是任何其它诊断信息和状态信息，那么这些数据就被白白浪费了。

　　用户当然也可以选择利用这些HART数据，即使对现有工厂里的老式系统也是如此。有些DCS公司能够提供新型的升级版本的模拟量I/O卡板，这种卡板有能力“辨认出”这些HART数据。不过这样的卡板通常会比传统的模拟量I/O卡板昂贵三到五倍。此外还有一些HART信号混合单元可以安装在现有的模拟量I/O回路里面，这种接口单元具备RS422和RS485输出端口，可以被连接到资产管理系统或者DCSes系统。当然，这类HART信号混合单元的价格也是令人望而却步的。另一个选择项就是使用一种HART到MODBUS的转换器，就像来自Moore Industries公司的HIM(HART信号接口模件)，这是一种效费比较高而且具有灵活性的解决方案，它能够以合理的价格选择性的监视仅仅少数回路或者很多回路。

　　采用一个支持MODBUS RTU通讯的HART接口模件，就能够简单而且便宜的把所有HART数据都采集到控制系统里面(参见图4)。这种HIM是智能化的设备，它即可以作为HART主站在前端运行，同时又可以作为MODBUS RTU的从设备在后端运行。HIM可以从变送器的模拟量信号里面提取出所有HART数据，却不会影响或者干扰连接到控制系统去的4到20毫安信号。HIM还可以提供一个液晶显示窗口、三路4到20毫安信号、两个继电器输出和一个可选的双路MODBUS RTU输出。当用户使用MODBUS选择项的时候，HART数据被数字化的映射在HIM的MODBUS存储器映射里面，然后作为MODBUS RTU主站的PLC或者DCS就可以从这个存储器映射得到需要的数据了。将多个HIM采用多分支网络方式连接起来并通过RS485接口传送HART数据，这种架构从本质上来说几乎就是一个小规模的资产管理系统，而费用却只有其几分之一。

　　无线MODBUS

　　一个MODBUS网络可以相当容易的设置成通过无线连接进行工作(参见图5)。从本质上来说，任何无线连接所作的都只不过是用布置在网络各端的发射器/接收器来替代双绞线电缆而已。很多无线电台的制造商都支持MODBUS协议。但是由于无线电台和调制解调器使用了一些加密和时间延迟方案，所以有一点非常重要：在你假定某些无线设备支持MODBUS协议之前，务必要先咨询这些无线设备的供应商。

　　图4：一个HART接口模件(HIM)从HART信号里面提取数字化数据并且把它存储在自身的MODBUS存储器映射里面，这样任何MODBUS主设备就都可以读取这些数据了。原始的4-20mA信号仍旧象以前一样被连接到控制系统。

　　图5：一台无线接口(例如来自于Moore Industries公司的无线连接模件)使用RF连接代替了双绞线。