CN103941700B - 一种基于Modbus协议的自动化过程安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Modbus协议的自动化过程安全监控系统，包括监控主机、全功能从机和简功能从机,全功能从机具有监测、联动控制功能，简功能从机只具有监测功能，在自动化过程安全监控中，全功能从机与指定的若干简功能从机进行绑定，全功能从机启动Modbus通信网络报文识别接收程序，解析出所绑定的简功能从机发送的监测数据，判断所绑定的简功能从机的监测信号参数是否正常，如有异常执行联动联锁保护，本发明解决了Modbus协议因从机不能互相通信，而无法实现从机之间的直接联动控制问题，提高了Modbus监控系统的时效性。

Description

一种基于Modbus协议的自动化过程安全监控系统

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别涉及自动化控制过程中的安全运行监控系统。

背景技术

随着自动化控制技术的快速发展，自动化生产和控制设备被大量的应用到工农业生产各个领域，这种高度自动化、集成化的发展趋势，对自动化控制过程中的安全运行提出了更高要求。

Modbus通信协议是一个用于工业现场的总线协议，以其帧格式简单、紧凑，用户系统开发简单，使用容易著称， 2008年，我国颁布了GB/T 19582-2008 《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》国家标准，进一步推动了Modbus通信协议在我国自动化控制领域的应用普及。但Modbus通信协议有一定的不足，即Modbus通信是主-从通信协议，总是由主机发起，以特定的地址访问某个从机，从机接到并处理完请求后，向主机返回一个报文，从机间不能互相通信，无法实现从机之间的直接联动控制，随着控制系统信号参数种类和数量的扩容以及相互联动联锁需求，对基于Modbus通信协议的自动化控制过程安全监控系统的时效性和安全冗余提出了挑战。

发明内容

本发明基于Modbus协议的网络规范，提出了一种基于Modbus协议的自动化过程安全监控系统技术方案。本方案包括监控主机、全功能从机和简功能从机, 不同类型的从机担任着不同的任务，全功能从机具有监测、联动控制功能，简功能从机只具有监测功能，简功能从机通过和全功能从机进行绑定设置，解决了Modbus协议因从机不能互相通信，而无法实现从机之间的直接联动控制问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于Modbus协议的自动化过程安全监控系统，作为自动化生产控制过程中的安全保护系统，独立于生产过程控制之上，实时在线监测生产装置的安全性，当生产装置出现紧急情况时，不需要经过生产自动化控制系统，直接由过程安全监控系统发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护。

该系统包括监控主机、全功能从机和简功能从机，所述监控主机通过串行总线和各从机连接，其特征在于：

所述全功能从机，包括监测单元、控制单元、执行单元和通信单元，监测单元实时监测自动化过程安全环节中的重点速变信号参数，控制单元连接监测单元，对监测单元处理后的信号参数实时进行逻辑分析，控制单元还与执行单元连接，控制单元判断所监测信号参数出现异常时，主动对执行单元发出命令并执行联锁保护，控制单元还与通信单元连接，用于实现本机和上位监控主机的数据通信及侦测监控主机和各从机的Modbus通信。

所述简功能从机，包括监测单元和通信单元，监测单元监测自动化过程安全环节中的缓变信号，通过通信单元将监测的数据进行网络上传。

所述的全功能从机与指定的若干简功能从机进行绑定设置，构成一个功能簇，在自动化过程安全监控中，同簇的全功能从机启动Modbus通信网络报文识别接收程序，解析出所绑定的简功能从机发送的监测数据，判断所绑定的简功能从机监测的缓变信号参数是否正常，如有异常执行联动联锁保护。

所述的全功能从机与指定的若干简功能从机的绑定设置，包括绑定所述简功能从机的地址编码和所监测的缓变信号参数的安全阈值。

所述的全功能从机的Modbus通信网络报文识别接收程序步骤，包括：

A. 全功能从机进行本机报文识别，如是监控主机对本机的数据请求，执行相关命令操作，否则进行绑定从机报文识别；

B. 全功能从机进行绑定从机报文识别，如是绑定从机报文，则接收网络报文，否则结束程序；

C. 全功能从机进行网络报文接收，解析报文帧类型，是数据帧则解析出所绑定的简功能从机的监测数据，是命令帧则结束程序；

D. 全功能从机对绑定的简功能从机的监测数据进行判断，如数据异常执行联动联锁保护，数据正常则结束程序；

E. 结束程序。

本发明的有益效果：

1、方法创新，本发明和现有Modbus协议技术方案相比，采用从机间绑定技术，解决了Modbus协议因从机不能互相通信，而无法实现从机之间的直接联动控制问题，提高了Modbus监控系统的时效性。

2、结构创新，本发明将自动化过程安全环节中的重点速变信号参数监测控制和一般缓变信号的监测进行硬件结构区别化设计，这种方案分工明确、结构简单、成本降低。

3、提高了系统安全冗余度，本发明除了从机间可进行绑定联动控制外，监控主机还能根据系统所监测的速变信号和缓变信号类型，依据Modbus协议进行常规的监控操作，确保了自动化控制过程中的安全运行。

附图说明

图1为自动化过程安全监控系统结构示意图；

图2为全功能从机结构示意图；

图3为简功能从机结构示意图；

图4为全功能从机联动联锁流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种基于Modbus协议的自动化过程安全监控系统，作为自动化生产控制过程中的安全保护系统，独立于自动化生产过程控制之上，实时在线监控生产装置运行的安全性，当生产装置出现紧急情况时，不需要经过生产自动化控制系统，直接由过程安全监控系统发出联锁信号，对现场设备进行安全保护。

该系统包括由监控主机、全功能从机和若干简功能从机,全功能从机具有监测、联锁控制功能，简功能从机只具有监测功能，系统的全功能从机和指定的简功能从机进行绑定设置，构成一个功能簇，所述监控主机通过RS-485串行总线和各从机连接，通过Modbus协议通信，实现对各从机设置、发送数据请求、接收各从机监测数据，监测自动化过程的安全运行。

如图2所示，所述全功能从机包括监测单元、控制单元、执行单元和通信单元，监测单元和控制单元连接，控制单元和执行单元及通信单元连接，全功能从机的监测单元实时采集和处理自动化过程安全环节中的重点速变I/O开关量信号或模拟量信号，控制单元对监测单元处理后的信号参数实时进行逻辑分析，判断本机所监测的信号参数是否出现异常，如有异常，在不需要监控主机的干预下，控制单元会立即对执行单元发出命令，执行单元会进行自动报警并执行联锁保护，通信单元用于实现本机和上位监控主机的数据通信及侦测监控主机和各从机的Modbus通信。

如图3所示，所述简功能从机包括监测单元和通信单元，简功能从机用于监测自动化过程安全环节中的缓变信号，当监控主机向简功能从机发送数据请求时，监测单元通过通信单元将监测处理后的数据通过网络进行上传。

所述基于Modbus协议的自动化过程安全监控系统在运行前，监控主机首先通过RS-485串行总线，将若干需要绑定的简功能从机的地址编码和所监测的不同信号参数的安全阈值写入到绑定的全功能从机的绑定寄存器，完成绑定设置，构成一个功能簇。系统运行时，同一簇的全功能从机除实时监测自动化过程安全环节中的重点速变信号参数外，全功能从机还要实现联动联锁功能，如图4所示，所述的全功能从机的通信单元实时侦测监控主机和各从机的Modbus通信，全功能从机的控制单元启动Modbus通信网络报文识别接收程序，通过通信单元先进行本机网络报文识别，如是监控主机对本机的数据请求，全功能从机会执行监控主机的命令操作；如果不是本机报文，全功能从机再进行绑定从机的报文识别，如是某个绑定从机报文，则进行绑定报文接收，然后全功能从机的控制单元再对报文帧类型进行解析，如果是命令帧则舍弃，是数据帧则解析出所绑定的简功能从机的监测数据，然后控制单元判断所绑定的简功能从机的监测数据是否在绑定设置的安全阈值范围之内，如有异常，在不需要监控主机的干预下，控制单元会对执行单元发出联动联锁命令，执行单元进行自动报警并执行联动联锁保护；如果网络报文既不是全功能从机的报文，也不是所绑定的各简功能从机的报文，则程序结束，全功能从机的通信单元会侦测下一帧的Modbus通信网络报文。

Claims (3)

1.一种基于 Modbus 协议的自动化过程安全监控系统，包括监控主机、全功能从机和简功能从机，所述监控主机通过串行总线与各从机连接，其特征在于 ：

所述全功能从机，包括监测单元、控制单元、执行单元和通信单元，监测单元实时监测自动化过程安全环节中的重点速变信号参数，控制单元连接监测单元，对监测单元处理后的信号参数实时进行逻辑分析，控制单元还与执行单元连接，控制单元判断所监测信号参数出现异常时，主动对执行单元发出命令并执行联锁保护，控制单元还与通信单元连接，用于实现本机和上位监控主机的数据通信及侦测监控主机和各从机的 Modbus 通信 ；

所述简功能从机，包括监测单元和通信单元，监测单元监测自动化过程安全环节中的缓变信号参数，通过通信单元将监测的数据进行网络上传 ；

所述的全功能从机与指定的若干简功能从机进行绑定设置，构成一个功能簇，在自动化过程监控中，同簇的全功能从机启动 Modbus 通信网络报文识别接收程序，解析出所绑定的简功能从机发送的监测数据，判断所绑定的简功能从机监测的缓变信号参数是否异常，如有异常执行联动联锁保护。

2.根据权利要求 1 所述的自动化过程安全监控系统，其特征在于 ：所述的全功能从机与指定的若干简功能从机的绑定设置，包括绑定所述简功能从机的地址编码和所监测的缓变信号参数的安全阈值。

3.根据权利要求 1 所述的自动化过程安全监控系统，其特征在于 ：所述的全功能从机的 Modbus 通信网络报文识别接收程序步骤，包括 ：

A. 全功能从机进行本机报文识别，如是监控主机对本机的数据请求，执行相关命令操作，否则进行绑定从机报文识别 ；

B. 全功能从机进行绑定从机报文识别，如是绑定从机报文，则接收网络报文，否则结束程序 ；

C. 全功能从机进行网络报文接收，解析报文帧类型，是数据帧则解析出所绑定的简功能从机的监测数据，是命令帧则结束程序 ；

D. 全功能从机对绑定的简功能从机的监测数据进行判断，如数据异常执行联动联锁保护，数据正常则结束程序 ；

E. 结束程序。