Modbus TCP通訊在中廣核國產(chǎn)化PLC中的應(yīng)用

高 陽

（上海中廣核工程科技有限公司，上海 200241）

通訊協(xié)議是應(yīng)用于工業(yè)控制器與設(shè)備上的通用語言，通過選用某一種共同支持的通訊協(xié)議，不同品牌的控制器與設(shè)備可以組成控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的構(gòu)建。Modbus TCP是一種在工控網(wǎng)絡(luò)中常用的通訊協(xié)議，具有標(biāo)準(zhǔn)、開放、免費(fèi)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)控制器與其他設(shè)備之間的遠(yuǎn)程通信。中廣核國產(chǎn)化PLC可以完美支持Modbus TCP通訊協(xié)議，可以通過Modbus TCP通訊協(xié)議靈活方便地構(gòu)建控制系統(tǒng)，應(yīng)用于自動(dòng)化控制、醫(yī)療、新能源等行業(yè)。

1 Modbus和Modbus TCP協(xié)議

Modbus協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通訊協(xié)議，它規(guī)定了控制器能區(qū)別和運(yùn)用的信息結(jié)構(gòu)。通過Modbus協(xié)議，控制器與控制器之間、控制器和接入網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)通信。Modbus協(xié)議使用的是主從通訊技術(shù)，即由主設(shè)備主動(dòng)查詢和操作從設(shè)備。Modbus通訊物理接口可以是串口，也可以是以太網(wǎng)口。其通信遵循以下過程：主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求，從設(shè)備分析并處理主設(shè)備的請(qǐng)求，然后向主設(shè)備發(fā)送結(jié)果，如果出現(xiàn)任何差錯(cuò)，從設(shè)備將返回一個(gè)異常功能碼[1]。

Modbus是一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，Modbus報(bào)文傳輸服務(wù)提供設(shè)備之間的客戶機(jī)/服務(wù)器通信，這些設(shè)備接入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)中傳遞的有4類報(bào)文：Modbus請(qǐng)求、Modbus證實(shí)、Modbus指示和Modbus響應(yīng)。Modbus請(qǐng)求是服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送用來啟動(dòng)事務(wù)處理的報(bào)文；Modbus指示是客戶機(jī)接收的請(qǐng)求報(bào)文；Modbus響應(yīng)是客戶機(jī)發(fā)送的響應(yīng)報(bào)文；Modbus證實(shí)是服務(wù)器接收的響應(yīng)報(bào)文[2]。

Modbus TCP協(xié)議是Modbus家族中應(yīng)用于自動(dòng)控制裝置上的開放的通訊協(xié)議，用于實(shí)現(xiàn)不同類型的總線或網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備之間的通信。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層是標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議，傳輸層是標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議，應(yīng)用層嵌入Modbus協(xié)議。在Modbus TCP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型中，第一層為Ethernet物理層，第二層為IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層，第三層為TCP協(xié)議傳輸層，第四層為Modbus/TCP協(xié)議層，第五層則為Modbus協(xié)議應(yīng)用層[3]。

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，Modbus TCP協(xié)議廣泛應(yīng)用于儀器儀表、人機(jī)界面及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備與PLC之間的通訊。

2 中廣核國產(chǎn)化PLC

PLC作為工業(yè)自動(dòng)化最典型的代表之一，其最早的作用是為了進(jìn)行邏輯控制，取代繼電器。PLC可以簡單地定義為一種用于工業(yè)環(huán)境下的微型計(jì)算機(jī)，其穩(wěn)定性十分優(yōu)秀。PLC的硬件組成與計(jì)算機(jī)十分相似，都具備CPU、I/O模塊、電源模塊、底板、通訊設(shè)備和外界設(shè)備，采用了可編程的存儲(chǔ)器對(duì)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過數(shù)字的、模擬的輸入輸出指令控制各種類型的工業(yè)生產(chǎn)過程。

自從工業(yè)4.0的概念被提出，國內(nèi)的工控水平得到不斷提升，國內(nèi)PLC市場不斷增長，其中以新能源、環(huán)保等新興市場的增長速度尤為明顯。從國內(nèi)市場規(guī)模來看，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年中國PLC行業(yè)市場規(guī)模為125億元，同比上升9.65%。未來在自動(dòng)化升級(jí)和智能制造的大背景下，PLC市場規(guī)模有望持續(xù)擴(kuò)張。值得關(guān)注的是，據(jù)2020年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，西門子、三菱、歐姆龍、羅克韋爾、臺(tái)達(dá)和施耐德等6家外資品牌在國內(nèi)PLC市場的占有率高達(dá)83%[4]，國產(chǎn)品牌PLC市場占有率情況并不樂觀。

在當(dāng)前國際貿(mào)易摩擦不斷的大背景下，為了解決工業(yè)控制器“卡脖子”問題，保證國內(nèi)工業(yè)控制器的自主化與安全性，中廣核集團(tuán)積極響應(yīng)國家號(hào)召，自主開發(fā)出L4000和L7000系列可編程邏輯控制器（PLC），可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制、醫(yī)療、新能源等行業(yè)。

中廣核國產(chǎn)化PLC具有如下6個(gè)特點(diǎn)：

1）處理能力強(qiáng)大，采用多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，最多支持16個(gè)任務(wù)，最小任務(wù)周期1ms。

2）通訊能力強(qiáng)大，支持RS232/422/485、CANOPEN、PROFIBUS DP、MODBUS TCP、OPC UA、MQTT等通訊，滿足與常見工業(yè)設(shè)備通訊的需求。

3）模塊種類齊全，具有通訊、模擬量、數(shù)字量、溫度采集、計(jì)數(shù)器等多種類模塊，完美支持工控系統(tǒng)的構(gòu)建。

4）環(huán)境友好，存儲(chǔ)溫度-40℃～70℃，運(yùn)行溫度-30℃～60℃，支持-30℃低溫啟動(dòng)，滿足IEC61131-2中環(huán)境、電磁、機(jī)械測試等級(jí)要求，可以鹽霧環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 國產(chǎn)化PLC典型應(yīng)用架構(gòu)Fig.1 Typical application architecture of localized PLC

5）高可靠性，傳承核電基因擁有核電品質(zhì)，MTBF＞50萬小時(shí)，系統(tǒng)可靠性高達(dá)99.99%。

6）運(yùn)維方便，支持遠(yuǎn)程維護(hù)與遠(yuǎn)程固件升級(jí)，以及遠(yuǎn)程用戶程序批量下載。

以此為基礎(chǔ)，中廣核國產(chǎn)化PLC可以實(shí)現(xiàn)工控領(lǐng)域中常用的主控制站-遠(yuǎn)程控制站結(jié)構(gòu)，接入所需種類的傳感器并實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，同時(shí)支持本地人機(jī)界面與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并可以將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，乃至云端[5]。

中廣核國產(chǎn)化PLC以標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3控制器軟件開發(fā)平臺(tái)CoDeSys為開發(fā)環(huán)境，完美支持IEC61131-3編程語言與PLCopen編程規(guī)范。為了方便行業(yè)應(yīng)用，中廣核國產(chǎn)化PLC提供了豐富的功能模塊與行業(yè)算法庫，幫助用戶提高開發(fā)效率與代碼質(zhì)量。

中廣核國產(chǎn)化PLC也支持使用高級(jí)編程語言的開發(fā)，通過Tornado實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PLC系統(tǒng)底層程序的編寫及調(diào)試等工作。Tornado為PLC系統(tǒng)開發(fā)人員提供了一個(gè)開發(fā)與調(diào)試環(huán)境，不僅集成了CNU工具箱，而且提供了Launcher、WindSh等一系列加載調(diào)試器，能方便客戶快速實(shí)現(xiàn)C語言程序的開發(fā)，并部署運(yùn)行到中廣核國產(chǎn)化PLC中。

為了應(yīng)用方便，中廣核國產(chǎn)化PLC還配備有上位機(jī)管理軟件。上位機(jī)管理軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)測、測試診斷、故障錄播等功能，把對(duì)PLC的一些底層操作以界面化的形式呈現(xiàn)給用戶，提升了系統(tǒng)的用戶友好性。

3 Modbus TCP通訊在中廣核國產(chǎn)化PLC中的實(shí)現(xiàn)

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，對(duì)于Modbus TCP協(xié)議廣泛應(yīng)用于儀器儀表、人機(jī)界面及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備與PLC之間的通訊。中廣核國產(chǎn)化PLC通過主CPU模塊MPC1200CG上的2個(gè)10M/100M/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)口來支持與其它設(shè)備的Modbus TCP通訊。其特點(diǎn)在于PLC與外部設(shè)備通訊的建立可以通過文件配置的方式得以實(shí)現(xiàn)，避免了對(duì)集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和通訊模塊的綁定與依賴。具體優(yōu)勢(shì)有如下4點(diǎn)：

1）方便開發(fā)人員和現(xiàn)場人員進(jìn)行維護(hù)，不需要專業(yè)的編程知識(shí)，不需要熟悉通訊模塊配置方法，提供了一個(gè)文本化的編輯環(huán)境。

2）通訊配置靈活，添加、刪除或調(diào)整通訊變量的順序非常方便。

3）檢查校驗(yàn)手段多樣，為保證配置文件的格式正確，可以通過多種文本工具對(duì)配置文件中通訊變量的格式進(jìn)行高效校驗(yàn)。

4）批量應(yīng)用簡單高效，通過配置文件的復(fù)制，即可批量應(yīng)用于大批量控制系統(tǒng)中去。

Modbus TCP通訊在中廣核國產(chǎn)化PLC上的配置與應(yīng)用方法如下。

3.1 在CoDeSys中聲明通訊中需要的變量

在全局變量列表（GVL）中聲明變量的名稱與類型，以及賦初始值。對(duì)于Modbus TCP通訊而言，變量類型只存在數(shù)字量變量與模擬量變量的區(qū)別，分別對(duì)應(yīng)著Modbus TCP通訊中的線圈和寄存器，至于模擬量中各種數(shù)據(jù)類型在綁定寄存器時(shí)并不做嚴(yán)格地區(qū)分，方便了用戶的使用。

3.2 將需要進(jìn)行通訊的變量加入符號(hào)配置文件中

首先需要在POU中添加符號(hào)配置，然后將需要進(jìn)行通訊的變量選中并添加到符號(hào)配置文件中去，如圖2所示。在添加過程中需要注意變量的完整性，對(duì)變量的順序沒有要求。

圖2 通訊變量的符號(hào)配置Fig.2 Symbol configuration of communication variables

3.3 將需要進(jìn)行通訊的變量寫入MCONFIG文件

MCONFIG文件是中廣核國產(chǎn)化PLC的底層配置文件，包含啟動(dòng)信息、系統(tǒng)目錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、總線端口、SNTP客戶端、系統(tǒng)日志、掉電保持變量、網(wǎng)絡(luò)地址、通訊變量映射、模塊驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容。

在MCONFIG文件中按照“Application.GVL.variable+offset”的格式將變量按照通訊點(diǎn)表的順序進(jìn)行填寫，將數(shù)字量變量填寫到CoilsSviList中，將模擬量變量填寫到HRegsSviList中去，如圖3所示。

圖3 通訊點(diǎn)表配置Fig.3 Communication point table configuration

對(duì)于變量的offset值，單一變量填寫1占用一個(gè)數(shù)據(jù)長度。如果需要占位的話，可以通過定義數(shù)組的方式，靈活地占用一定的數(shù)據(jù)長度。如圖4所示，可以通過將offset設(shè)置為300來占用300個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)長度。

通過變量定義、符號(hào)配置文件、填寫MCONFIG變量映射列表，就可以建立中廣核國產(chǎn)化PLC與外部設(shè)備的MODBUS TCP通訊連接。

4 通訊架構(gòu)

在中廣核國產(chǎn)化PLC上應(yīng)用MODBUS TCP通訊的典型架構(gòu)如圖5所示。

圖5 典型的通訊應(yīng)用架構(gòu)Fig.5 Typical communication application architecture

中廣核國產(chǎn)化PLC可以通過光纖來支持子站模塊的擴(kuò)展，主站控制器MPC1200CG作為Modbus TCP服務(wù)器，通過接入交換機(jī)來與HMI/SCADA等Modbus TCP客戶端進(jìn)行通訊。測試主機(jī)一般為工程師站，用于進(jìn)行通訊變量的監(jiān)控。

為了方便客戶進(jìn)行靈活組態(tài)應(yīng)用，中廣核國產(chǎn)化PLC還提供了以太網(wǎng)通訊模塊ETH31CG，也可以作為控制系統(tǒng)的MODBUS TCP通訊接口。

5 通訊應(yīng)用

下面與以中廣核國產(chǎn)化PLC與北京嘉士寶SCADA的MODBUS TCP通訊為例，介紹MODBUS TCP通訊方案在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中的具體應(yīng)用情況。SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）用以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)組的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、儲(chǔ)存、分析、展示，用戶可以及時(shí)、全面地對(duì)風(fēng)電場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保風(fēng)電場的安全高效生產(chǎn)。SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)組的基本參數(shù)（包括風(fēng)速、功率、轉(zhuǎn)速等）的綜合展示，用戶通過遠(yuǎn)程控制單個(gè)或多個(gè)風(fēng)機(jī)的啟停，實(shí)時(shí)監(jiān)視風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，提高效率。同時(shí)，用戶可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向風(fēng)機(jī)組（運(yùn)行參數(shù)、發(fā)電量）進(jìn)行監(jiān)控，通過對(duì)比分析，對(duì)每個(gè)風(fēng)機(jī)組進(jìn)行效率評(píng)估。對(duì)于風(fēng)機(jī)組內(nèi)的各個(gè)子系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控也至關(guān)重要，主要子系統(tǒng)有齒輪箱、交流發(fā)電機(jī)、控制器、制動(dòng)器、風(fēng)輪、測風(fēng)儀等。SCADA系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)趨勢(shì)、故障報(bào)警的綜合展示。同時(shí)，目前一些風(fēng)電場在SCADA系統(tǒng)中也集成開發(fā)了PHM（故障預(yù)測與健康管理）等功能，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的從預(yù)防性維護(hù)向預(yù)測性維護(hù)轉(zhuǎn)變。

以上所述的典型SCADA系統(tǒng)中需要的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)源主要來自于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)中的PLC，按照數(shù)據(jù)類型可以劃分為數(shù)字量信號(hào)與模擬量信號(hào)。又根據(jù)對(duì)于PLC是輸入信號(hào)或是輸出信號(hào)，可以進(jìn)一步劃分為數(shù)字量輸入信號(hào)、數(shù)字量輸出信號(hào)、模擬量輸入信號(hào)和模擬量輸出信號(hào)。

對(duì)于一般的MODBUS TCP的通訊來講，寄存器分為4個(gè)種類：線圈狀態(tài)、離散輸入狀態(tài)、保持寄存器與輸入寄存器，對(duì)應(yīng)到PLC的數(shù)字量輸出信號(hào)、數(shù)字量輸入信號(hào)、模擬量輸入信號(hào)和模擬量輸出信號(hào)，其讀寫狀態(tài)分別為可讀可寫、只讀、可讀可寫與只讀。根據(jù)行業(yè)應(yīng)用中的具體需求與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，中廣核國產(chǎn)化PLC將通訊配置中使用的寄存器類型簡化為線圈狀態(tài)與保持寄存器兩種，其中線圈狀態(tài)用于數(shù)字量輸出信號(hào)和數(shù)字量輸入信號(hào)，保持寄存器用于模擬量輸出信號(hào)和模擬量輸入信號(hào)，簡化了MCONFIG配置文件中通訊變量的配置，方便應(yīng)用工程師高效地完成配置文件的創(chuàng)建與更新。

分別選取線圈寄存器與保持寄存器的若干地址進(jìn)行測試，包括讀數(shù)據(jù)與寫數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證通訊的建立與數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

寫線圈寄存器。將線圈寄存器地址位1017的變量按照1→0→1→0→1的順序進(jìn)行變換，在SCADA后臺(tái)進(jìn)行觀察與記錄，記錄文件的內(nèi)容如圖6所示?？梢钥吹轿募袛?shù)據(jù)以“1→0→1→0→1”的趨勢(shì)發(fā)生了變化，由于采樣周期的原因，變換過程中的數(shù)據(jù)在連續(xù)兩個(gè)周期內(nèi)的保持了一致。

圖6 寫線圈寄存器Fig.6 Write coil register

寫保持寄存器。將保持寄存器地址位40001的變量按照636.8→15.8→626.2的順序進(jìn)行變換，SCADA后臺(tái)記錄文件如圖7所示?？梢钥吹轿募袛?shù)據(jù)以“636.8→15.8→626.2”的趨勢(shì)發(fā)生了變化，同樣也是采樣周期的原因，變換過程中的數(shù)據(jù)在連續(xù)兩個(gè)周期內(nèi)的保持了一致。

讀線圈寄存器。SCADA后臺(tái)將地址位301的線圈寄存器寫TRUE。在PLC側(cè)觀察對(duì)應(yīng)程序變量的變化情況，如圖8所示?？梢钥吹綄?duì)應(yīng)變量值為TRUE，與SCADA側(cè)寫入值保持了一致。

讀保持寄存器。SCADA后臺(tái)將地址位40003的保持寄存器寫值199.98。在PLC側(cè)觀察對(duì)應(yīng)程序變量的變化情況，如圖9所示。可以看到對(duì)應(yīng)變量值為199.98，與SCADA側(cè)寫入值保持了一致。

圖9 讀保持寄存器Fig.9 Read hold register

從以上步驟可以看到，中廣核國產(chǎn)化PLC與北京嘉士寶SCADA之間的MODBUS TCP通訊建立成功，數(shù)據(jù)讀寫功能正常。

6 總結(jié)與展望

綜上所述，中廣核國產(chǎn)化PLC可以方便靈活地支持MODBUS TCP通訊在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，特別是對(duì)HMI與SCADA等常用設(shè)備的通訊支持，實(shí)現(xiàn)工控系統(tǒng)的快速配置與搭建。

目前，工控領(lǐng)域中正在進(jìn)行著IT與OT的快速融合，傳輸速度更快，實(shí)時(shí)性更好，安全性更高的下一代工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，如MQTT，OPC UA等協(xié)議逐步參與到工控系統(tǒng)的組網(wǎng)中來，這也正是中廣核國產(chǎn)化PLC今后網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向。