Modbus通訊協(xié)議在DCS與PLC通訊中的應(yīng)用

潘學(xué)思

摘 要：Modbus通訊協(xié)議作為應(yīng)用于控制器的一種通用語言，不僅具有著實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸量大的特點(diǎn)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)不同控制系統(tǒng)或控制系統(tǒng)與控制設(shè)備間的有效通訊，在自控領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛?；诖?，本文對Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行了簡單介紹，同時(shí)從DCS系統(tǒng)與PLC通訊的角度出發(fā)，對Modbus通訊協(xié)議在系統(tǒng)互聯(lián)通訊領(lǐng)域的具體應(yīng)用展開了探討，希望能夠?yàn)镈CS系統(tǒng)與PLC間的有效互聯(lián)提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：Modbus通訊協(xié)議;DCS;PLC

引言：在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展趨勢下，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中的控制系統(tǒng)雖然已經(jīng)從單機(jī)控制轉(zhuǎn)向分散控制，并在生產(chǎn)成本降低、系統(tǒng)性能提升等方面取得了較為理想的效果，但由于分散控制往往需要在不同控制系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，如集成系統(tǒng)無法滿足實(shí)際控制需求，有時(shí)還需要額外增設(shè)新系統(tǒng)，因此如何實(shí)現(xiàn)不同控制系統(tǒng)間的互聯(lián)，仍然成為了工業(yè)控制領(lǐng)域所面對的重要問題，而對于Modbus通訊協(xié)議的應(yīng)用，則正是解決這一問題的有效途徑。

1.Modbus通訊協(xié)議概述

Modbus通信協(xié)議最早出現(xiàn)于1979年，是世界范圍內(nèi)首個(gè)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場實(shí)踐的總線協(xié)議，通常應(yīng)用于電子控制器，具有著標(biāo)準(zhǔn)、開放、支持多種接口、幀格式簡單等特點(diǎn)，能夠?yàn)殡娮涌刂破鏖g或控制器與設(shè)備間的通信提供重要支持[1]。一般來說，由于Modbus通信協(xié)議能夠制定消息域格局和內(nèi)容的公共格式，并對控制器請求訪問控制設(shè)備、回應(yīng)設(shè)備請求、偵測錯(cuò)誤的過程進(jìn)行準(zhǔn)確描述，因此無論是在何種通信網(wǎng)絡(luò)下，其定義的消息結(jié)構(gòu)都能夠?yàn)殡娮涌刂破魉R(shí)別，并確定發(fā)出消息的設(shè)備地址，進(jìn)而根據(jù)消息內(nèi)容及設(shè)備來做出相應(yīng)的控制行動(dòng)。另外，如電子控制器需要對發(fā)出消息的設(shè)備進(jìn)行回應(yīng)，還可以將其他網(wǎng)絡(luò)上包含Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為適應(yīng)Modbus網(wǎng)絡(luò)的幀或包結(jié)構(gòu)，為路由路徑、錯(cuò)誤檢測等問題的解決提供支持。

2.基于Modbus通訊協(xié)議的DCS與PLC通訊實(shí)現(xiàn)方法

2.1 通信系統(tǒng)硬件組成

從現(xiàn)階段的技術(shù)條件來看，Modbus通訊協(xié)議雖然可以支持多種電氣接口，但通常都是以RS-232、RS-485兩種為主，由于兩種接口各有優(yōu)劣，因此在實(shí)際應(yīng)用階段，還需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來對其進(jìn)行合理選擇。例如RS-232接口系統(tǒng)通常用于電子控制器間或電子控制器與控制設(shè)備間的一對一連接，可同時(shí)進(jìn)行通訊消息的收發(fā)，能夠保證較高的通訊效率，但傳輸速率相對較低（通常在20kB/s左右），傳數(shù)據(jù)率也比較短（一般為15m），如能夠保持同步運(yùn)行，則可支持設(shè)備上限為8臺(tái)。而RS-485接口系統(tǒng)則屬于一對多的連接關(guān)系，相較于RS-232接口系統(tǒng)，在傳輸速度與傳輸距離方面均具有比較明顯的優(yōu)勢（傳輸距離可達(dá)1200m，傳輸速率高于100kB/s），可支持設(shè)備上限也達(dá)到了32臺(tái)，但無法實(shí)現(xiàn)通訊消息的同時(shí)收發(fā)，兼容性也不如RS-232接口系統(tǒng)[2]。在確定接口系統(tǒng)后，可通過RS-232或RS-485接口對設(shè)備進(jìn)行連接，具體連接方法應(yīng)以參考手冊作為標(biāo)準(zhǔn)，對于需要連接的控制設(shè)備，還要提前設(shè)置好單獨(dú)的終端電阻裝置。

2.2 DCS系統(tǒng)組態(tài)

確定通信系統(tǒng)硬件組成與連接方法后，為滿足DCS系統(tǒng)的組態(tài)要求，還要借助工程師站的相關(guān)權(quán)限對系統(tǒng)組態(tài)加以修改，對卡件名稱、類型、型號(hào)、地址等信息進(jìn)行設(shè)置，之后再完成串行通訊控制、自定義變量設(shè)置、圖形編輯使用等操作。其中串行通訊設(shè)置是指確定與串行設(shè)備一致的波特率及通訊方式，以免使從站地址出現(xiàn)沖突。自定義變量設(shè)置則是指根據(jù)DCS系統(tǒng)中其他控制站的變量名，設(shè)置好控制卡內(nèi)部的變量字節(jié)與數(shù)量，以免出現(xiàn)變量名沖突的情況。圖形編輯使用需要依托圖形編輯指令，完成通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)運(yùn)算等工作，對于涉及其他控制站數(shù)據(jù)的通訊消息，還要通過控制站間的通訊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、變量調(diào)用，之后再進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、運(yùn)算[3]。此外，由于，Modbus通訊組態(tài)所使用的方式可分為兩種，因此在進(jìn)使用圖形編輯的同時(shí)，還要調(diào)用SCX語言來完成相關(guān)程序的編寫，為控制站與串行設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享提供支持，并對保持寄存器進(jìn)行讀寫，使保持寄存器的變量數(shù)量、地址等能夠與控制卡內(nèi)部的通訊數(shù)據(jù)組保持一致。需要注意的是，由于控制卡所帶串行設(shè)備的地址必須要區(qū)別開來，因此在組態(tài)過程中，必須要保證與串行設(shè)備連接的Modbus通訊具備地址識(shí)別能力，如同一控制卡中的某臺(tái)串行設(shè)備接口使用了與其他設(shè)備不同的接口，還要額外安裝借口轉(zhuǎn)換模塊（通常為RS-232與RS-485接口互轉(zhuǎn)），以便于實(shí)現(xiàn)串行設(shè)備間的有效連接。

2.3 PLC下組態(tài)

完成DCS系統(tǒng)組態(tài)后，還需選擇能夠支持Modbus通訊協(xié)議的操作模塊，以滿足主從站間的實(shí)際通信需求，對于操作模塊的具體選擇同樣需要根據(jù)具體應(yīng)用需求而定，目前以西門子CP341/CP441—2模塊最為常見。而基于選擇好的操作模塊，則需要安裝相應(yīng)的軟件驅(qū)動(dòng)程序、插入硬件狗，并保證硬件狗能夠與Modbus通訊協(xié)議相對應(yīng)，為*.rtu格式數(shù)據(jù)信息的讀取體用支持，軟件驅(qū)動(dòng)程序的覆蓋運(yùn)行內(nèi)容通常應(yīng)包括FB程序模塊、針腳定義標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)化處理窗口等。之后，還要分別在通電與斷電狀態(tài)下完成模塊初始化、從站軟件包安裝等工作，之后再正式啟動(dòng)程序，完成對模板硬件地址參數(shù)的設(shè)置記錄，具體參數(shù)包括數(shù)據(jù)位指標(biāo)、奇偶校檢位指標(biāo)、波特率指標(biāo)等，并通過簡單的手動(dòng)操作來實(shí)現(xiàn)單機(jī)與PLC在的有效、可靠連接[4]。

2.4 通訊測試

在分別完成DCS系統(tǒng)與PLC下的組態(tài)后，為確定DCS與PLC間的通訊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，還需采用Modbus通訊測試軟件來進(jìn)行測試。通訊測試過程中應(yīng)利用軟件功能分別對主站與從站進(jìn)行模擬，并同PLC和DCS系統(tǒng)進(jìn)行信息發(fā)送、報(bào)文接收等方式的通訊，如確定通訊情況一切正常，則可確定DCS與PLC通訊實(shí)現(xiàn)，反之則需要繼續(xù)查看通訊情況異常的原因，并及時(shí)對通信系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

結(jié)束語：總而言之，Modbus通訊協(xié)議的出現(xiàn)與推廣應(yīng)用，為工業(yè)控制領(lǐng)域的多控制系統(tǒng)及控制系統(tǒng)與控制設(shè)備互聯(lián)提供了重要支持，但在相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐中，要想真正實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)與PLC間的互聯(lián)，并將完善的通訊系統(tǒng)起來，仍然需要對通信系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行合理選擇，同時(shí)把握好DCS系統(tǒng)組態(tài)、PLC下組態(tài)、系統(tǒng)通訊測試等方面的應(yīng)用要點(diǎn)

參考文獻(xiàn)：

[1]熊征偉.基于MODBUS協(xié)議的臺(tái)達(dá)PLC控制多臺(tái)變頻器應(yīng)用研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2019，48（02）：202-205.

[2]王堃，馮敬宇.Modbus通訊協(xié)議在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2019，36（03）：80-84.

[3]吳佩發(fā).基于Modbus通訊協(xié)議對ABB變頻器的冷卻塔控制[J].智慧工廠，2018，（07）：55-57.

[4]方愛平.基于Modbus協(xié)議的三菱FX3UPLC與智能儀表通訊的探討[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017，（08）：97-98+132.

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