基于ModbusTCP协议的乳化基质地面站远程监视系统

引言

散装乳化炸药现场混装技术在我国矿山开采中已被广泛应用多年。作为现场混装乳化炸药的原材料提供者,乳化基质地面站广泛建设于全国各矿山中。随着科学技术的进步,乳化基质地面站的生产工艺和核心设备不断更新换代,对自动化控制系统也提出了更高的要求。根据民爆行业的发展要求,乳化基质地面站自动化控制系统不仅需要提高生产过程的自动化、信息化、智能化水平,还要提高生产企业的管理水平,而实现生产过程的远程监视和数据冗余存储是一种非常有利于企业管理的方式。本文针对目前的乳化基质地面站自动化控制系统,设计了一种易于扩展的远程监视系统,用于实现乳化基质生产过程的远程监视与数据冗余存储功能。

1目前乳化基质地面站自动化控制系统分析

目前国内常见的乳化基质地面站自动控制系统主要由现场仪表、执行机构、PLC(可编程控制器）、控制仪表以及上位机构成,如图1所示。

在自动控制系统的升级改造中,多采用更换或新增现场仪表和优化控制逻辑等方式,对核心控制单元PLC一般只进行容量扩充和程序升级,较少进行整体更换。早期地面站自动控制系统所采用的PLC受限于当时的技术条件,多采用串行通信的方式与上位机实现数据交互。如果需要增加远程通信功能,与远程上位机实现数据交互,则需要扩充通信接口和接口转换模块。在实际应用中,控制柜内的预留空间经常不足以安装扩展模块,甚至个别控制系统因PLC型号较老,厂家已停止供应相关扩展单元,因此通过PLC扩展通信接口的方式实现远程冗余监视功能不具备普适性和易操作性。

在地面站自动控制系统中,上位机多采用工控机搭配组态软件的方式实现,一般情况下,工控机均具备网络接口,即使不具备网络接口,通过UsB接口扩展网络接口也是非常简单且可靠的。组态软件方面,目前国内常用的组态软件包括MCGs、力控、组态王等,均对标准网络协议有非常好的支持。通过上位机和组态软件经由光纤局域网络进行数据转发,是一种实现远程数据监视和冗余存储的良好方式。

2乳化基质地面站远程监视系统设计

通过对目前乳化基质地面站自动控制系统的分析,采用以太网通信方式实现远程监控系统与本地自动控制系统的信息交互是一种低成本、易实现的方案。因此,本文设计的乳化基质地面站远程监控系统利用现有地面站本地自动控制系统上位机的以太网口作为物理接口,经由局域以太网络实现数据传输,将所需数据采集至远程监控平台,最终实现生产过程的远程监视、数据冗余存储以及生产管理等功能,其系统结构如图2所示。

2.1远程监视系统与本地控制系统物理连接的实现

如上文所述,远程监视系统与本地控制系统上位机之间的物理连接采用以太网连接。在实际应用中,根据两者之间的距离和升级改造预算成本,可以采用多种方式实现局域以太网连接,包括网线连接、独立光纤连接以及远距离点对点无线通信等方式。根据民爆行业管理要求,目前大部分地面站已布设生产现场至监控室的视频数据传输用光纤,而生产数据远程监视系统所需带宽较低,因此可直接利用现有的视频数据传输用光纤,充分利用现有资源,即可实现远程监视系统与本地控制系统上位机之间的物理连接。

2.2远程监视系统与本地控制系统通信协议的选择

本文已确定采用以太网连接方式实现远程监视系统与本地控制系统物理层的连接,因此需要选择一种符合以太网标准、兼容性强、易于实现且稳定性好的工业通信协议实现数据交互。Modbus协议是一种串行通信协议,由Modicon公司(现施耐德电气schneiderE1ectric）于1979年发表,在工业领域中获得了广泛应用,成为了标准工业通信协议之一。ModbusTCP协议即经由TCP/IP网络传输的Modbus协议,其采用标准网络接口,可实现一点对多点的数据通信服务,且得到组态软件的广泛支持。

在远程监视系统的软件设计中,地面站本地控制系统上位机作为ModbusTCP协议中的服务器端,远程监视系统终端作为客户端,访问服务器端建立好的数据点表,并获取所需数据。在实际应用中,本地控制系统组态软件以MCGs为例,在设备组态中依次添加通用TCP/IP父设备和ModbusTCP/IP数据转发设备,并设置好本地服务器端和远程客户端IP地址,然后在ModbusTCP/IP数据转发设备中建立允许远程监视系统访问的数据点表即可:远程监视系统组态软件以力控为例,在I/O设备管理器中建立标准Modbus(TCP）设备,并在数据库组态中建立对应的数据点表,获取所需数据。远程监视系统获取到生产过程数据后,对数据进行分类处理,即可实现对生产过程的远程实时监视、数据冗余存储以及分类管理功能。

3结语

采用工业以太网构建基于ModbusTCP协议的地面站远程监视系统,在对原有的地面站自动控制系统进行升级改造时,基本不会造成现有自动控制系统的改变。改造过程仅对上位机进行一定的功能扩展,控制核心PLC无需改造,基本不会对生产造成影响,无需停产改造,不仅大幅降低了改造过程的硬件成本,也基本免除了控制系统改造的时间成本。对生产企业来说,这种改造成本低、见效快、无需停产改造、后期功能扩展性强,即使停用该系统,对安全生产也不会造成额外影响。目前,本文设计的乳化基质地面站远程监视系统已在内蒙古包钢集团白云鄂博地面站、辽宁抚顺隆烨集团鞍山地面站等地得到实际应用,获得了用户的一致好评。