提高PLC程序中Modbus通信效率的方法

【摘要】針對PLC程序設(shè)計中Modbus通信存在數(shù)據(jù)丟失和通信效率低的問題，提出了一種兼顧重要數(shù)據(jù)和通信效率的優(yōu)化方法，包括劃分?jǐn)?shù)據(jù)優(yōu)先級和定時中斷控制發(fā)送周期兩個部分，實踐表明，此方法有利于保證重要數(shù)據(jù)的實時性和提高通信帶寬利用率。

【關(guān)鍵詞】PLC;Modbus;數(shù)據(jù)丟失;通信效率;定時中斷

引言

PLC是一種專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng)，它將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，成為實現(xiàn)單機、車間、工廠自動化的核心設(shè)備，具有可靠性高、抗干擾能力強、組合靈活、編程簡單、維修方便等諸多優(yōu)點[1]。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的規(guī)模也在逐步擴(kuò)大，通訊技術(shù)成為大規(guī)模控制系統(tǒng)的一個支撐。在大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)或分散式控制系統(tǒng)中，多個主機之間或者主機與分機之間有大量數(shù)據(jù)進(jìn)行通信[2]。

在PLC的通信中，Modbus協(xié)議是一種常用的通信協(xié)議。Modbus最早由Modicon公司提出，由于其簡單、可靠，被廣大現(xiàn)場技術(shù)人員廣泛接受。當(dāng)前市場中多數(shù)PLC產(chǎn)品都支持Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是主從式協(xié)議，通信由主站發(fā)起，從站根據(jù)主站的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)答，從站不能發(fā)起通信。Modbus的這種特點決定了其通信實時性低于CAN等多主協(xié)議，但其單次通信數(shù)據(jù)量大的特點在一定程度上可以彌補這一不足。在實際操作中，如果主站是PLC，其通信的數(shù)據(jù)和發(fā)起通信的時間是由控制程序決定的，是隨機的，在控制程序的循環(huán)運行中，在某些時刻可能通信數(shù)據(jù)量大，而在其他時刻可能沒有數(shù)據(jù)，這會造成帶寬資源利用不均勻，在數(shù)據(jù)量大的時候通信擁擠，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和通信不穩(wěn)定。為了解決這一問題，本文提出了一種在PLC程序設(shè)計中提高M(jìn)odbus通信效率的優(yōu)化方法。

1.Modbus協(xié)議簡介

Modbus通信協(xié)議具有開放性好、易實現(xiàn)、擴(kuò)展性好、可靠性高等優(yōu)點， 因而具有廣闊的應(yīng)用前景，被越來越多的設(shè)備廠商所支持。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成Modbus工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，由Modbus通信的主站對 現(xiàn)場設(shè)備和儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)非常好的監(jiān)控效果和系統(tǒng)性能[3]。

Modbus沒有規(guī)定物理層，它只規(guī)定了可以被通信節(jié)點識別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Modbus規(guī)定了數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的形式，數(shù)據(jù)通信采用主從方式，主站可以向特定的從站發(fā)起讀寫命令，也可以向所有從站發(fā)起廣播命令。在同一個通信網(wǎng)絡(luò)中，所有通信節(jié)點（包括主站和從站）都必須設(shè)置相同的通信參數(shù)，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位，而字符超時、回復(fù)超時等保護(hù)參數(shù)每個通信節(jié)點可以不盡相同。

Modbus通信模式分為ASCII和RTU兩種，兩者的不同主要在于數(shù)據(jù)格式，兩者的數(shù)據(jù)格式分別如表1和表2所示。

表1

位置 起始位 設(shè)備地址 功能碼 數(shù)據(jù) LRC校驗 結(jié)束符

字符

個數(shù) 1 2 3 n 2 2

表2

位置 起始位 設(shè)備地址 功能碼 數(shù)據(jù) CRC校驗 結(jié)束符

位數(shù) 靜止時段 8bit 8bit N*8bit 2*8bit 靜止時段

Modbus功能碼可以是1-255范圍內(nèi)任何整數(shù)值，有些功能碼適用于所有的通信設(shè)備，有些則只適用于特定的控制器，還有一些用于功能的擴(kuò)展。

2.PLC程序中Modbus通信存在的問題

（1）數(shù)據(jù)丟失

數(shù)據(jù)丟失，也就是通常說的丟幀現(xiàn)象。PLC程序按照循環(huán)掃描方式執(zhí)行，對于同一個Modbus物理通信接口，在同一個掃描周期內(nèi)只能執(zhí)行一個Modbus命令，即便控制程序在同一個掃描周期發(fā)起了多個Modbus命令，也只有一個被執(zhí)行，當(dāng)然，這也與每個PLC廠家的通信處理機制有關(guān)，有的廠家提供了比較大的通信緩存，但如果通信幀數(shù)超出了緩存的范圍，也會丟幀。PLC特定的開發(fā)方式是造成這種問題的主要原因，PLC程序的編寫調(diào)試屬于在PLC編程軟件平臺下的二次開發(fā)，不像單片機可以進(jìn)行底層代碼級的開發(fā)，因此，用戶只能利用PLC編程軟件提供的操作命令對Modbus進(jìn)行操作，而無法監(jiān)視通信底層的狀態(tài)，在很大程度上存在不確定性。必須建立適用于PLC程序的Modbus通信策略，以保證Modbus通信的確定性。

（2）帶寬利用率低

在PLC程序掃描周期長、Modbus通信數(shù)據(jù)量大、通信速率高的情況下，這種情況尤為突出。以掃描周期為40ms，通信速率為115.2kbps（串口數(shù)據(jù)無校驗），每次通信讀取60個字，采用RTU模式為例來說明。由于讀取數(shù)據(jù)的命令數(shù)據(jù)相對少，主要數(shù)據(jù)量在于從站的回復(fù)數(shù)據(jù)，因此只計算回復(fù)的數(shù)據(jù)來說明問題，以表2中的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行估算。總數(shù)據(jù)量為：8+8+120*8+2*8=992bit，除以通信速率得到所用時間為8.6ms。在這種情況下，帶寬利用情況如圖1所示。從圖1中可以看出，由于掃描周期長、而每個掃描周期只能處理一個Modbus命令，導(dǎo)致Modbus總線看似空閑，實際上有大量重要數(shù)據(jù)沒有被及時發(fā)送出來。

圖1 通信帶寬利用情況

綜上，如果不對PLC程序中的Modbus通信優(yōu)化處理，會對通信的穩(wěn)定性和通信效率造成大的影響。

3.提高PLC程序Modbus通信效率的方法

針對PLC程序設(shè)計中存在的Modbus通信不確定和帶寬利用率低等問題，本文提出一種程序優(yōu)化方法，分為兩個部分。

（1）劃分?jǐn)?shù)據(jù)優(yōu)先級

Modbus通信可能包含多幀數(shù)據(jù)，根據(jù)實際需求，每個幀用途各不相同，有讀取設(shè)備信息的，有控制設(shè)備啟停的，有控制設(shè)備急停的，用戶可以根據(jù)用途的不同，區(qū)分各個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送優(yōu)先級。以表3為例，從安全第一的角度考慮，讀取設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)優(yōu)先級最低，控制設(shè)備啟停的數(shù)據(jù)優(yōu)先級中等，控制設(shè)備急停的數(shù)據(jù)優(yōu)先級最高，在程序設(shè)計中，應(yīng)保證高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送。

表3

數(shù)據(jù)含義 優(yōu)先級

讀取設(shè)備狀態(tài) 低

控制設(shè)備啟停 中

控制設(shè)備急停 高

（2）利用中斷控制發(fā)送周期。

實際應(yīng)用中，總共需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀可能會有幾十個甚至更多，每個數(shù)據(jù)幀都要分配一個優(yōu)先級，在一個掃描周期中，即便是最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)發(fā)送成功了，但次高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)就可能出現(xiàn)延遲發(fā)送的情況，同樣會影響系統(tǒng)的實時性。因此，控制數(shù)據(jù)發(fā)送周期是必要的。采用PLC中的定時中斷功能，定時按照優(yōu)先級的高低發(fā)送數(shù)據(jù)，定時中斷不受掃描周期的影響。例如，在40ms的掃描周期下，采用10ms的定時中斷，每個掃描周期可以發(fā)送4幀數(shù)據(jù)，相比較優(yōu)化之前，大大提高了通信效率。

4.結(jié)語

針對PLC程序設(shè)計中Modbus通信存在數(shù)據(jù)丟失和通信效率低的問題，本文提出了一種優(yōu)化方法，首先對數(shù)據(jù)幀劃分優(yōu)先級，保證重要數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送，其次采用定時中斷控制數(shù)據(jù)發(fā)送周期，保證通信效率。此方法已在實際應(yīng)用中得到驗證，對于PLC編程有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧高壽，潘宏俠.PLC在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展[J].機械管理開發(fā)，2006（3）：99-100.

[2]鄧志君，梁松峰. 基于RS485接口Modbus協(xié)議的PLC與多機通訊[J].單片機開發(fā)與應(yīng)用，2010，26（3-2）：107-108.

[3]何志勇，張茂青，錢偉清.PLC主站對Modbus網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控方法[J].計算機網(wǎng)絡(luò)與通信，2007，29（2）：26-28.

作者簡介：梅奕（1973—），女，江蘇常州人，碩士，助理實驗師，主要研究方向：電氣自動化技術(shù)。