基于Modbus TCP/IP的PLC-HMI-SCADA系统设计

孟磊，邹志云，郭宇晴，刘兴红，赵丹丹

(防化研究院，北京 102205)



基于Modbus TCP/IP的PLC-HMI-SCADA系统设计

孟磊，邹志云，郭宇晴，刘兴红，赵丹丹

(防化研究院，北京 102205)

摘要：针对流程工业常用的兼容Modbus协议的智能设备，以一套小型电加热反应系统为对象，以PLC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(SCADA)系统，各部分通过Modbus TCP/IP协议互联通信，构成了一套PLC-HMI-SCADA系统，详细介绍了系统组成及组态设计。实际应用表明，基于Modbus TCP/IP协议通信的PLC-HMI-SCADA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

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PLC及DCS等[1-2]。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Modbus协议的智能仪表[3]。笔者以某小型反应系统为例，采用浙江中控新型的一体化PLC U6-200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Modbus TCP/IP协议高速通信的PLC-HMI-SCADA系统。

1Modbus TCP/IP协议概述

Modbus协议是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，自1979年在Modicon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间建立基于主从方式的通信连接[3]。Modbus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RS-232，RS-422，RS-485总线，还是以太网网络，均可支持Modbus协议。当然，为了能在特定的网络上传输Modbus消息，必须将Modbus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Modbus在网络上通信时，Modbus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Modbus协议生成反馈信息并发送到网络。Modbus标准帧结构如图1所示。

图1　Modbus标准帧结构示意

其中，协议数据单元PDU(protocol data unit)部分为必需的，应用数据单元ADU(application data unit)和PDU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1Byte，实质是定义了一系列的Modbus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。

Modbus TCP/IP是Modbus与以太网结合的产物，其运行在TCP/IP网络上，比Modbus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Modbus TCP/IP速率可达100 Mbit/s，而利用串行协议通信的速率只能达到115.2 Kbit/s[3]。所有的Modbus TCP/IP帧都是通过TCP端口502发出。对于Modbus TCP/IP，其帧结构如图2所示。

图2　Modbus TCP帧结构示意

图2中附加地址域采用了7 Byte的MBAP(modbus application protocol header)前缀，包含事务处理标示符(2 Byte)、协议标示符(2 Byte)、后续数据长度(2 Byte)和单元标识符(1 Byte)。帧本身没有数据校验域，传输数据的准确性用TCP/IP和链路层(以太网)校验的机制来校验。

在构建基于Modbus TCP/IP的HMI/SCADA系统时，只需相关智能设备支持标准Modbus TCP/IP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Modbus TCP/IP，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U6-200一体化PLC、昆仑通态嵌入式工控触摸屏TPC1062K、上位机、PAC15P调压板、可控硅功率元件、500 W电加热套、Pt100热电阻、三口玻璃反应器等组成。整个系统组成如图3所示。

图3　小型反应器PLC-HMI-SCADA系统组成示意

其中，一体化PLC作为控制器，其结构紧凑、功能强大，机身带有16路AI/8路AO，24路DI/16路DO及4路PI(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PLC的动态交互，可以方便在现场监控反应系统当前状态、设置PID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PLC和触摸屏组态，运行阶段则利用SCADA系统，在上位机中实现过程的数据采集与监控。

该HMI/SCADA系统的设计基于实验室小型电加热反应系统[4]。该系统通过Pt100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入PLC；调压板、可控硅与电加热套作为执行器，接受控制器的4～20mA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。

3PLC-HMI-SCADA系统设计

3.1PLC组态

U6-200一体化PLC机身带有2个RS-232C串口和1个以太网接口等多种通信接口，其内部集成Modbus模块，可通过以太网接口支持Modbus TCP/IP协议，与处在网络中的其他Modbus智能设备高速通信。本文将该PLC通过以太网口连接至路由器并配置其IP地址为192.168.1.2，设备地址为6，默认为从机模式。由于PLC的数据类型和支持的功能码在与HMI/SCADA通信时起到重要的作用，PLC涉及的数据类型见表1所列，支持的功能码见表2所列。

表1U6-200 PLC的数据类型

类 型说 明布尔型1位寄存器(整型)16位浮点型32位

表2U6-200 PLC支持的Modbus功能码

功 能 码功 能01读一个/一组布尔量03读一个/一组寄存器05写一个布尔量06写一个寄存器15写一个/一组布尔量16写一个/一组寄存器

U6-200 PLC不同于传统PLC，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Inscan MCS组态并通过Modbus TCP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AI01采集Pt100热电阻的输入，PID01控制回路接受AI01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PID算法，集成了基于继电反馈算法的自动整定功能[5]，组态后可通过上位机或HMI直接调用。AO01将PID01运算结果以4～20mA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[6-7]。使用MCGS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IP地址通信端口等相关参数。MCGS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PLC的通信： 如AI01通道、AI01报警通道(含AI01.HH，AI01.Hi，AI01.Lo，AI01.LL)、AO01通道等。定义通道时在PLC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MCGS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PLC即可通过Modbus TCP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SCADA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[8-10]。

该部分设计实现思路同用MCGS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/O点，其中布尔型的通道在此定义为数字点，其余的为模拟点。

IO设备及数据库组态好后，上位机与PLC即可通过Modbus TCP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Modbus TCP/IP协议设计的一体化PLC-HMI-SCADA系统，各个智能设备间通过以太网实现了高速通信，系统运行良好。在控制层利用PLC实现了对设备层小型反应系统的有效控制，且该新型PLC无需编程、组态方便；在MCGS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SCADA系统，通过Modbus TCP/IP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：

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[3]华镕.从Modbus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，2009.

[4]于蒙，邹志云，赵丹丹，等.小型电加热反应器温度的RBF神经网络自整定PID控制[J].石油化工自动化，2012，48(06)： 31-35.

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[6]窦小明，黄晓伟.MCGS触摸屏与多台汇川变频器的Modbus通讯设计与实践[J].自动化技术与应用，2012，31(11)： 53-57.

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[8]徐丽，万朵，王健.基于PLC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，2013，40(06)： 807-809.

[9]毕健，高世阳，何泽，等.PLC和组态软件在气源总站监控系统中的应用[J].自动化仪表，2014，35(增刊1)： 67-72.

[10]赵黎明，张冰.电机群网络管控一体化PLC-SCADA设计与应用[J].工业仪表与自动化装置，2012(03)： 22-26.

Design of PLC-HMI-SCADA System Based on Modbus TCP/IP

Meng Lei, Zou Zhiyun, Guo Yuqing, Liu Xinghong, Zhao Dandan

(Research Institute of Chemical Defense, Beijing, 102205, China)

Abstracts： Aiming at intelligent devices with compatible Modbus protocol frequently-used in process industry, the human-computer interface with friendly interface and convenient on-site operation is designed with touch screen with PLC as controller and one small set of electrical heating reaction system as object. The upper computer supervisory control and data acquisition is also designed with interconnect communication among each section through Modbus TCP/IP protocol to construct one set of PLC-HMI-SCADA system. The system composition and configuration design are introduced in detail. Practical application results indicate the human-computer interaction is convenient for Modbud TCP/IP protocol based PLC-HMI-SCADA system with easy extension and high communication speed.

Key words：Communication protocol; programmable logic controller; touch screen; supervisory control and data acquisition

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)06-0040-03

作者简介：孟磊(1990—)，男，河南开封人，2013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。

稿件收到日期： 2015-06-05，修改稿收到日期： 2015-09-28。