提高PLC程序中Modbus通信效率的方法

【摘要】針對PLC程序設計中Modbus通信存在數據丟失和通信效率低的問題，提出了一種兼顧重要數據和通信效率的優化方法，包括劃分數據優先級和定時中斷控制發送周期兩個部分，實踐表明，此方法有利于保證重要數據的實時性和提高通信帶寬利用率。

【關鍵詞】PLC;Modbus;數據丟失;通信效率;定時中斷

引言

PLC是一種專為在工業環境應用而設計的數字運算電子系統，它將計算機技術、自動控制技術和通訊技術融為一體，成為實現單機、車間、工廠自動化的核心設備，具有可靠性高、抗干擾能力強、組合靈活、編程簡單、維修方便等諸多優點[1]。隨著控制技術的不斷發展，控制系統的規模也在逐步擴大，通訊技術成為大規?？刂葡到y的一個支撐。在大規模控制系統或分散式控制系統中，多個主機之間或者主機與分機之間有大量數據進行通信[2]。

在PLC的通信中，Modbus協議是一種常用的通信協議。Modbus最早由Modicon公司提出，由于其簡單、可靠，被廣大現場技術人員廣泛接受。當前市場中多數PLC產品都支持Modbus協議。Modbus協議是主從式協議，通信由主站發起，從站根據主站的命令進行數據應答，從站不能發起通信。Modbus的這種特點決定了其通信實時性低于CAN等多主協議，但其單次通信數據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，其通信的數據和發起通信的時間是由控制程序決定的，是隨機的，在控制程序的循環運行中，在某些時刻可能通信數據量大，而在其他時刻可能沒有數據，這會造成帶寬資源利用不均勻，在數據量大的時候通信擁擠，導致數據丟失和通信不穩定。為了解決這一問題，本文提出了一種在PLC程序設計中提高Modbus通信效率的優化方法。

1.Modbus協議簡介

Modbus通信協議具有開放性好、易實現、擴展性好、可靠性高等優點， 因而具有廣闊的應用前景，被越來越多的設備廠商所支持。不同廠商生產的控制設備可以連成Modbus工業網絡，由Modbus通信的主站對 現場設備和儀表進行遠程監控，實現非常好的監控效果和系統性能[3]。

Modbus沒有規定物理層，它只規定了可以被通信節點識別的數據結構。Modbus規定了數據的結構、命令和應答的形式，數據通信采用主從方式，主站可以向特定的從站發起讀寫命令，也可以向所有從站發起廣播命令。在同一個通信網絡中，所有通信節點（包括主站和從站）都必須設置相同的通信參數，包括波特率、數據位、停止位和校驗位，而字符超時、回復超時等保護參數每個通信節點可以不盡相同。

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

表1

位置 起始位 設備地址 功能碼 數據 LRC校驗 結束符

字符

個數 1 2 3 n 2 2

表2

位置 起始位 設備地址 功能碼 數據 CRC校驗 結束符

位數 靜止時段 8bit 8bit N*8bit 2*8bit 靜止時段

Modbus功能碼可以是1-255范圍內任何整數值，有些功能碼適用于所有的通信設備，有些則只適用于特定的控制器，還有一些用于功能的擴展。

2.PLC程序中Modbus通信存在的問題

（1）數據丟失

數據丟失，也就是通常說的丟幀現象。PLC程序按照循環掃描方式執行，對于同一個Modbus物理通信接口，在同一個掃描周期內只能執行一個Modbus命令，即便控制程序在同一個掃描周期發起了多個Modbus命令，也只有一個被執行，當然，這也與每個PLC廠家的通信處理機制有關，有的廠家提供了比較大的通信緩存，但如果通信幀數超出了緩存的范圍，也會丟幀。PLC特定的開發方式是造成這種問題的主要原因，PLC程序的編寫調試屬于在PLC編程軟件平臺下的二次開發，不像單片機可以進行底層代碼級的開發，因此，用戶只能利用PLC編程軟件提供的操作命令對Modbus進行操作，而無法監視通信底層的狀態，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通信數據量大、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（串口數據無校驗），每次通信讀取60個字，采用RTU模式為例來說明。由于讀取數據的命令數據相對少，主要數據量在于從站的回復數據，因此只計算回復的數據來說明問題，以表2中的數據格式進行估算?？倲祿繛椋?+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，導致Modbus總線看似空閑，實際上有大量重要數據沒有被及時發送出來。

圖1 通信帶寬利用情況

綜上，如果不對PLC程序中的Modbus通信優化處理，會對通信的穩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化方法，分為兩個部分。

（1）劃分數據優先級

Modbus通信可能包含多幀數據，根據實際需求，每個幀用途各不相同，有讀取設備信息的，有控制設備啟停的，有控制設備急停的，用戶可以根據用途的不同，區分各個數據幀的發送優先級。以表3為例，從安全第一的角度考慮，讀取設備狀態的數據優先級最低，控制設備啟停的數據優先級中等，控制設備急停的數據優先級最高，在程序設計中，應保證高優先級的數據優先發送。

表3

數據含義 優先級

讀取設備狀態 低

控制設備啟停 中

控制設備急停 高

（2）利用中斷控制發送周期。

實際應用中，總共需要發送的數據幀可能會有幾十個甚至更多，每個數據幀都要分配一個優先級，在一個掃描周期中，即便是最高優先級的數據發送成功了，但次高優先級的數據就可能出現延遲發送的情況，同樣會影響系統的實時性。因此，控制數據發送周期是必要的。采用PLC中的定時中斷功能，定時按照優先級的高低發送數據，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送4幀數據，相比較優化之前，大大提高了通信效率。

4.結語

針對PLC程序設計中Modbus通信存在數據丟失和通信效率低的問題，本文提出了一種優化方法，首先對數據幀劃分優先級，保證重要數據優先發送，其次采用定時中斷控制數據發送周期，保證通信效率。此方法已在實際應用中得到驗證，對于PLC編程有一定的參考意義。

參考文獻

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

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

[3]何志勇，張茂青，錢偉清.PLC主站對Modbus網絡的監控方法[J].計算機網絡與通信，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。