基于Modbus協(xié)議的通訊集成技術(shù)探討

摘 要：工業(yè)控制領(lǐng)域要解決的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的儀表與控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，有效地選擇同時(shí)支持不同廠家生產(chǎn)的儀表與控制系統(tǒng)的工業(yè)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊集成是進(jìn)行異構(gòu)系統(tǒng)通訊集成的關(guān)鍵，而通訊集成技術(shù)正是解決工業(yè)儀表與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊的核心技術(shù)。本文結(jié)合實(shí)際通訊集成工程實(shí)例，闡述了基于Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能儀表與控制系統(tǒng)之間通訊集成技術(shù)的主要方法，并詳細(xì)介紹了基于Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間通訊的完整解決方案。經(jīng)過后期實(shí)際應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，基于Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)系統(tǒng)之間的通訊集成方案為工程運(yùn)作中的第三方通訊問題的解決提供了很大的便利性。

關(guān)鍵詞：Modbus；通訊集成；集散控制系統(tǒng)

在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中 智能儀表與控制系統(tǒng)所構(gòu)成的異構(gòu)系統(tǒng)之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)差別一般都很大。在工廠中，不同的工藝設(shè)備儀表和工廠的控制系統(tǒng)往往采用不同廠家的PLC和DCS，因此，各種異構(gòu)系統(tǒng)的通訊集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)在全廠范圍內(nèi)對各系統(tǒng)進(jìn)行綜合監(jiān)測和控制的核心技術(shù)。如果工廠計(jì)劃自己進(jìn)行通訊集成技術(shù)的開發(fā)，則需要考慮硬件和軟件方面的設(shè)施投資。其中，硬件方面需要購買網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行各種不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換，軟件方面需要解決軟總線OPC技術(shù)等問題，所以，在硬軟件投資上成本相對較高。目前，選擇同時(shí)支持不同廠家生產(chǎn)的儀表與控制系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行不同系統(tǒng)之間的通訊集成是一種比較主流的方法[ 1 ]。該方法不僅滿足系統(tǒng)集成領(lǐng)域的發(fā)展需求，還盡可能地考慮到降低工業(yè)生產(chǎn)成本問題。本文通過一個(gè)通訊集成工程實(shí)例，探討了基于Modbus協(xié)議下，一臺(tái)西門子S7-200微型PLC與恒壓供水控制器以及儀表之間的通訊集成方法和步驟。

1 Modbus通訊協(xié)議

Modbus通訊協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的串口通訊協(xié)議之一，該協(xié)議具有開放徹底、廣泛支持的特點(diǎn)[ 2 ]，在掌握了關(guān)鍵的通訊集成編程技術(shù)后，可以利用自由口編程方法快速實(shí)現(xiàn)Modbus應(yīng)用層的通訊協(xié)議，可以說Modbus通訊協(xié)議是一種利用極低成本實(shí)現(xiàn)通訊集成的方法。Modbus通訊協(xié)議不僅支持大部分傳統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)通訊接口，還支持大部分現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備PLC、DCS等。Modbus的數(shù)據(jù)傳輸分為美國信息交換碼（ASCⅡ）和遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU）兩種模式。Modbus通訊協(xié)議中，包含了16種功能各不相同的功能碼，每種功能碼具有各自的指令含義。其中01、06、16這三個(gè)功能碼是STEP 7-MicroWin指令庫中常用到的功能碼。在STEP 7-MicroWin指令庫中含有預(yù)先定義好的子程序和中斷服務(wù)程序，這些預(yù)定程序是針對Modbus通訊而設(shè)計(jì)的，其主要用于實(shí)現(xiàn)西門子S7-200微型PLC與其他設(shè)備之間的通訊互聯(lián)。此外，Modbus主站協(xié)議中的一系列指令也方便了S7-200PLC與DCS以及智能儀表之間的通訊互聯(lián)，在這個(gè)過程中S7-200PLC相當(dāng)于Modbus RTU主站，DCS和智能儀表屬于從站。在STEP 7-MicroWin指令庫中，主站的初始化操作指令是MBUS-CTRL，MBUS-MSG指令可以實(shí)現(xiàn)對從站的請求讀寫。MBUS-MSG與Modbus通訊協(xié)議中包含的功能碼存在相互對應(yīng)的關(guān)系，例如：功能碼16與RW為1是相互對應(yīng)的，功能碼03與RW為0也是相互對應(yīng)的關(guān)系。S7-200PLC Modbus主站向從站寄存器中寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)就可以達(dá)到控制變頻器相關(guān)操作的功能，如控制變頻器的啟動(dòng)停止以及控制其工作效率等，S7-200PLC Modbus主站讀取從站寄存器中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也可以獲取關(guān)于變頻器的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。此外，將S7-200PLC的V存儲(chǔ)區(qū)重置為1后，功能碼16被強(qiáng)制設(shè)定為單寄存器的寫入功能，從而實(shí)現(xiàn)對寄存器進(jìn)行單寄存器寫入功能。通過上述介紹可以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)控制現(xiàn)場智能儀表的一系列參數(shù)設(shè)置。

2 Modbus協(xié)議在工業(yè)上的應(yīng)用

2.1 通訊集成工程案例

本文以某工業(yè)供水系統(tǒng)控制作為案例，該供水系統(tǒng)具有相互獨(dú)立的控制系統(tǒng) ，其中各個(gè)系統(tǒng)之間互不干擾，采取獨(dú)立供水方式。為了實(shí)現(xiàn)對整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場供水情況的實(shí)時(shí)掌握和監(jiān)控，需要重點(diǎn)解決數(shù)據(jù)采集主站與恒壓供水控制器從站之間的通訊互聯(lián)問題。本文將以西門子的S7-200微型PLC作為數(shù)據(jù)采集的主站。

2.2 基于Modbus_RTU的通訊集成解決方案

將一臺(tái)西門子S7-200微型PLC作為數(shù)據(jù)采集的主站用于對整個(gè)供水系統(tǒng)的綜合監(jiān)控，3臺(tái)恒壓供水控制器和液體流量計(jì)掛接到Modbus總線上作為Modbus從站，主站會(huì)對從站上的各儀表設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。將S7-200PLC控制器上的Port0串行通訊端口連接到恒壓供水控制器端口上，并選用通用版工業(yè)組態(tài)軟件MCGS作為上位機(jī)，利用上位機(jī)和西門子S7-200微型PLC可以實(shí)現(xiàn)PPI通訊。

2.3 S7-200主站程序編寫

實(shí)現(xiàn)通訊互聯(lián)的關(guān)鍵步驟是對主站程序進(jìn)行編寫。其主程序的編寫主要負(fù)責(zé)初始化主站通訊端口以及實(shí)現(xiàn)對從站數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作，其中從站數(shù)據(jù)的讀取和寫入程序的實(shí)現(xiàn)主要利用輪詢和中斷的方法。S7-200 Modbus主站程序能夠?qū)崿F(xiàn)對恒壓供水控制器寄存器中的數(shù)據(jù)讀取，其讀取寄存器中的壓力值，并將換算后的壓力值與管網(wǎng)上壓力表值進(jìn)行對比，查看是否相同。總之，利用S7-200 Modbus指令庫中的輪詢和中斷，使得異構(gòu)系統(tǒng)之間的通訊變得更加簡單可行。

3 結(jié)語

本文介紹了基于Modbus協(xié)議的通訊集成工程案例，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還大大縮短了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。利用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的儀表和控制系統(tǒng)之間的通訊集成，可以有效地降低工業(yè)現(xiàn)場的控制成本費(fèi)用，同時(shí)現(xiàn)場布線操作起來相對容易，在一定程度上也減輕了施工人員的工作量，有效地提高了工業(yè)控制的靈活性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 史運(yùn)濤，孫德輝，李志軍等.基于Modbus協(xié)議的通訊集成技術(shù)研究[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（4）：67-72.

[2] 王軍霞，趙金龍，程秀竹等.MODBUS RTU通訊協(xié)議在S7—200 PLC中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化信息，2013（4）：53-55.

作者簡介：

唐珺（1983-），男，江西南昌人，碩士，講師，研究方向：電子通信。