MODBUS—RS485總線通訊效率解決方案

【摘 要】在同一個RS485總線上如果有多臺設備，每臺設備需要采集多個不同的量，那么每個量的單次刷新時間會受到很大的影響。特別是在做控制時，控制命令下發(fā)后其控制結果的返回一般需要檢測DI的變化，但是如果鏈路上數(shù)量較多，其刷新會有較大延遲，但是控制系統(tǒng)需要及時的返回動作結果以進行下一步相關動作，因此這個矛盾就更加突出。通過MODBUS通訊規(guī)約的深入研究，結合現(xiàn)場實際情況，我們對主站端和客戶端做了部分改進，并且在現(xiàn)場得到了良好的應用，現(xiàn)就其實現(xiàn)方法做一下簡單的說明。

【關鍵詞】MODBUS 控制

隨著科技的不斷進步，工業(yè)控制領域向的集成度、時時性和可靠性越來越高。目前工業(yè)控制設備與控制系統(tǒng)的連接主要有以太網(wǎng)、Profibus總線、DevisNET總線、RS485總線等。RS485總線由于其價格低廉，接線方便等優(yōu)勢，被廣泛運用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)量較小的設備上；同時Modbus規(guī)約作為一種簡單、易用的設備通訊語言，在工業(yè)控制領域也得到廣泛的運用。因此在工業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)了大量的支持RS485帶Modbus規(guī)約的設備，這些設備在現(xiàn)場運用過程中能快速的連接和調試，深受現(xiàn)場工程師和用戶的好評。

一、Modbus總線的工作方式

Modbus總線采用問答式交換數(shù)據(jù)，總線上設置一個主機和多個從機，理論上最多可以253個從機（地址00和FF保留）。工作時主機下發(fā)查詢或寫入報文，其報文中包含從機地址信息，從機收到報文后檢查報文中的地址是否為本機地址，如果是本機地址，則執(zhí)行相對應的操作然后回復與之對應的報文，如果不是本機地址，則將報文丟棄。

在Modbus報文中其地址為一個字節(jié)，因此單個總線上從機最多為253個，但是鑒于通訊數(shù)度和通訊通道電氣負載的影響，一般建議每條總線不超過32個從機。

二、Modbus總線通訊的效率

根據(jù)Modbus協(xié)議的規(guī)定，主機對從機數(shù)據(jù)的讀取可以是單個BIT位的讀?。üδ艽a01，02），也可以是單個寄存器的讀取（功能碼03，04）。根據(jù)它的特性，在產品的實際研發(fā)中，通常將設備模擬量輸入用于單個寄存器的讀取，開關量輸入使用單個BIT位的讀取。這樣每次完全訪問一個設備至少需要兩條報文，如果在地址不連續(xù)的狀態(tài)下，其報文數(shù)量可能還會更多。

以上海致維的L7低壓馬達保護為例，其開關量使用02功能碼，放在0010H～001bH中；模擬量使用03功能碼放在0097H～00b1H，電度放在0004H～0009H里面。其地址不連續(xù)，功能碼也不一樣，要將其數(shù)據(jù)全部讀取至少需要下發(fā)3條報文，返回3條報文，經(jīng)過實際測試在9600波特率的情況下整個過程大概在360ms左右，即主機每下發(fā)一條報文至從機返回結束大概時間為120ms左右。

三、Modbus總線在現(xiàn)場碰到的問題及改進

（一）實際運用中的問題

在浙江醫(yī)藥有限公司昌海項目中，每個生產車間都配備了上海致維的低壓馬達保護，單個車間配置最多的達到260臺。在設計時在每個車間配置了一臺帶16個RS485通訊口的通訊管理機用于采集馬達保護數(shù)據(jù)轉發(fā)到DCS和電力監(jiān)控系統(tǒng)。在調試過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)刷新平均時間在6S左右，有的甚至超過了30S，這個刷新頻率對于工業(yè)控制系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)都是無法接受的。

（二）問題分析

1. 轉發(fā)數(shù)據(jù)時采用TCP/IP的以太網(wǎng)Modbus和IEC104規(guī)約，由于這兩個的傳輸介質是以太網(wǎng)，其通訊基本沒有延遲，因此數(shù)據(jù)刷新慢的問題不是由數(shù)據(jù)轉發(fā)造成的。

2. 車間的馬達保護260臺、16個串口的情況下，每條RS485的鏈路上大約有16臺馬達保護，根據(jù)我們之前的測試，可以算出正常情況下數(shù)據(jù)的刷新頻率為：16×3×120=5760ms，這個時間和我們現(xiàn)場實際測試的時間大致相同。造成這個問題的原因主要有兩個：一個是鏈路上的設備數(shù)量多；另一個原因是由于功能碼不一致和寄存器地址的不連續(xù)。

3. 調試過程中還發(fā)現(xiàn)，在低壓系統(tǒng)中，由于有些設備是備用，馬達保護由于沒有輔助電源而處于關機狀態(tài)，主機在下發(fā)查詢指令后由于馬達保護都處于關機狀態(tài)，所以沒有任何數(shù)據(jù)返回，主機就會延時1S，由此造成通訊延時非常嚴重。比如鏈路上只有1臺設備正常工作，其余處于備用狀態(tài)，那么這一臺設備的刷新頻率為：1×3×120+15×3×1000=45360ms。因此我們在現(xiàn)場調試時發(fā)現(xiàn)有設備的刷新頻率在30S左右。

（三）改進方案

1. 增加馬達保護Modbus通訊點表自定義

在馬達保護中開辟出一個新的地址段0200H～0300H用于自定義，該地址段使用03功能碼進行讀取，將需要使用的模擬量數(shù)據(jù)以整個寄存器的方式映射到該地址段里面；將開關量以位的方式映射到該地址段中，自定義地址段中每個寄存器可以映射16個開關量位置，上位機采集后再做相應解析即可。

2. 增加通訊降級處理

所謂的通訊降級，是指判斷某從機離線（從機斷電或故障）后，降低對從機的訪問頻率，以減少通訊等待的時間，提高正常設備的訪問數(shù)度。比如，判斷某設備離線后，降低為5分鐘查詢一次，如果查詢到該設備正常后，將該設備訪問頻率重新調整為正常頻率。這樣有效避免了因為設備離線造成的通訊延遲而影響數(shù)據(jù)刷新頻率。這樣可以大大減小由于設備離線造成的通訊延遲。

（四）現(xiàn)場運用效果

在完成以上改進方案后，項目現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)刷新頻率在2s左右，較以前有很大的提高，而且沒有出現(xiàn)過之前需要好幾十秒才刷新的情況。如果將鏈路上的設備關掉15臺，只保留一臺的極端情況下，其長時間刷新頻率在200ms左右，由于每隔5分鐘要查詢一次不在線設備偶爾會在3s左右，但是大多數(shù)時間其刷新頻率反而有了提高。