串口服務器在Modbus通訊中的應用及實踐

彭 蕓，謝穎奎

（1.上海應用技術(shù)大學，上海 200231；2.上?？堤┧够瘜W工程有限公司，上海 201203）

過程控制的項目中，經(jīng)常會遇到DCS和下位機PLC或現(xiàn)場儀表的通訊問題?，F(xiàn)在很多的化工廠建設(shè)時采用總包加分包的模式，供應商各自提供自己的控制系統(tǒng)（通常大部分是PLC），但在工廠的中控室里，操作人員又希望能監(jiān)控到這些控制系統(tǒng)的運行參數(shù)。因此，這些PLC的運行數(shù)據(jù)就需要通過通訊傳送到DCS來。另外一些大的儀表，提供的數(shù)據(jù)比較多，通常也采用通訊的方式。Modbus推出的時間比較早，也較成熟，現(xiàn)在絕大多數(shù)的PLC廠家和大的儀器儀表廠家都支持Modbus協(xié)議，因此從一開始工程設(shè)計時就約定使用Modbus的話就會做到方便統(tǒng)一、省時省力。

1 串口服務器介紹

DCS系統(tǒng)和下位機的通訊從硬件上主要還是以串口的方式進到DCS系統(tǒng)，這是因為一方面DCS的內(nèi)部以太網(wǎng)一般不會直接開放給下位機，另一方面下位機與DCS直接經(jīng)過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換也比較困難，因而必須要有一個串口服務器或串口通訊卡件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。有的DCS廠家，如橫河、愛默生等，采用自己的串口通訊卡件，而霍尼韋爾等一些廠家，是采用串口服務器，用SCADA的組態(tài)方法來實現(xiàn)。串口服務器以MOXA公司的經(jīng)過認證的Nport 5630為例，一般有8口和16口。

MOXA NPort 5630-8提供簡單方便的聯(lián)網(wǎng)方式，不但可以保證現(xiàn)有的硬件資源，更確保未來網(wǎng)絡(luò)的擴充可能性。通過簡單的設(shè)置，就可以將現(xiàn)有的串口設(shè)備立即聯(lián)網(wǎng)。再者MOXA NPort 5630-8可以在串口和以太網(wǎng)絡(luò)界面之間輕易的執(zhí)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。使用MOXA NPort 5630-8，可以達到同時集中管理串口設(shè)備和于網(wǎng)絡(luò)中分散管理主機的目的。如圖1所示為采用Nport 5630的系統(tǒng)配置圖[1]。

圖1 系統(tǒng)配置Fig.1 System configuration

在安裝完隨機所帶的MOXA NPort 5630-8的Real COM/tty驅(qū)動程序后，MOXA NPort 5630-8上的串口會被Windows操作系統(tǒng)視為Real COM端口，或被Linux操作系統(tǒng)視為tty端口。NPort提供基本的傳輸/接收數(shù)據(jù)功能，以及 RTS、CTS、DTR、DSR、DSD等控制信號功能。其串口可以接RS232、RS422、4線制 RS485、2線制 RS485等接口形式，其具體引腳如圖2所示[1]。

圖2 串口引腳Fig.2 COM pins

2 串口服務器設(shè)置

在MOXA的設(shè)置頁面里主要包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、串口設(shè)置、操作設(shè)置等。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置里主要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的IP地址、UDP通道的地址，一般都設(shè)置成靜態(tài)地址，IP地址和DCS控制器要在一個網(wǎng)段內(nèi)。服務器的串口設(shè)置主要是串口通訊參數(shù)的設(shè)置，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗等。這個要和下位機的通訊參數(shù)匹配起來，不同的下位機串口參數(shù)是不一樣的，所以串口參數(shù)也要隨之改動。操作設(shè)置主要包括模式，基本設(shè)成TCP SERVER模式，TCP在線檢查時間（0～99 min），最大連接數(shù)量（1～4），本地TCP 端口（如 4001～4008）等。

3 Modbus通訊協(xié)議

3.1 Modbus通訊協(xié)議的功能碼

Modbus的Slave端是根據(jù)Master端發(fā)送過來的功能碼進行相應的動作的。表1所示為Modbus協(xié)議常用的功能碼，使用它們即可對Slave端的數(shù)字量和模擬量進行讀寫操作[2]。

表1 Modbus協(xié)議常用功能碼Tab.1 Modbus ordinary function code

3.2 Modbus通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

Modbus協(xié)議可使用ASCII和RTU 2種模式進行通訊，這2種模式在報文結(jié)構(gòu)、功能命令上是相同的，僅幀信息的表示方法不同而已。它們的區(qū)別為采用RTU模式通訊時，信息是以8位二進制方式傳輸?shù)模捎肁SCII時，信息是以字符為基本單位傳輸?shù)?，每個字符都用ASCII碼表示。ASCII的優(yōu)點是通用性好、讀取容易，但在相同傳輸速率下，RTU模式比ASCII模式傳輸效率提高一倍，適合在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中應用，大多數(shù)的PLC及大型智能儀表都支持Modbus RTU。

表2 Modbus協(xié)議幀結(jié)構(gòu)Tab.2 Modbus frame structure

表3 主機請求示例Tab.3 Host request example

表4 以協(xié)議從機應答讀取整數(shù)數(shù)據(jù)示例Tab.4 Client response example as integer data

4 SCADA組態(tài)

利用霍尼韋爾的SCADA軟件進行通訊組態(tài)，先組通道，然后是控制器，最后再組通訊點，其基本原理就是按照Modbus的定義來做的。工程實際中按部就班，一點一點地做，一般不會有大的問題，也可以把下位機的Modbus地址表用Excel標準格式直接粘貼到通訊點組態(tài)里。但有一點，讀模擬量的時候會需要一個解碼符，對于不同的數(shù)據(jù)類型需要帶不同的解碼符，如16位有符號數(shù)的解碼符是C16，浮點數(shù)的是FLOAT等。因為下位機廠家五花八門，再加上每個編程人員的編程習慣也不一樣，因此下位機傳上來的數(shù)據(jù)格式也是多種多樣，所以有時在現(xiàn)場要多試幾次。做開關(guān)量的時候，有的是把開關(guān)量打包到一個整形數(shù)據(jù)里，有的是直接開關(guān)量。因此，和下位機的編程人員的溝通是很重要的。如果萬一碰到溝通不暢，或者下位機編程者本身就糊涂，那即使能讀到數(shù)據(jù)，也是霧里看花，很難還原數(shù)據(jù)本來面目了，而在工程實際中又時常碰到這種窘?jīng)r。有時候為了避免猜猜猜，經(jīng)常會用Modscan這樣的調(diào)試小軟件來幫忙，Modscan這個小軟件很小巧，又很實用，它開關(guān)量和模擬量都可以讀。可以把模擬量轉(zhuǎn)成2進制、16進制、整形、實型、浮點等。而且它讀取的范圍可以很大，最多一次可以掃100個地址。以及可以清楚地看到每個16位數(shù)據(jù)的每個位的變化。因此是調(diào)試和驗證Modbus通訊非常得力的助手。舉個例來說，下位機編程人員給出的16位數(shù)據(jù)定義如下：其第三位代表循環(huán)水泵A運行，我們按照他的定義，用SCADA組態(tài)出來的值和實際運行的值總是對不上，不知道怎么回事，這時就用Modscan軟件來幫忙了。如上例，假設(shè)只有循環(huán)水泵A在運行，那除了第三位，其余的位數(shù)據(jù)都是零，那看到的數(shù)應該是0001000000000000，但是我們實際用MODSCAN看到的數(shù)據(jù)是0000000000010000，原來是把數(shù)據(jù)的高8位和低8位交換了。用SCADA組態(tài)的時候，由于它是一個位一個位地讀，視野所限，很難發(fā)現(xiàn)類似的錯誤，用Modscan來讀的話，讀的數(shù)據(jù)比較多，視野比較開闊，所以比較容易發(fā)現(xiàn)類似的問題[3]。

在實際工程中我們還經(jīng)常遇到接地問題。按理來說，下位機和DCS控制電源都應該由中控室UPS供電，這樣它們之間的信號電平才能匹配。但實際現(xiàn)場下位機PLC電源供電有可能是由現(xiàn)場動力電源供的，因此很有可能它的信號電平和DCS的信號電平不能統(tǒng)一，因此通訊連接不上。解決的辦法一個是現(xiàn)場PLC改由中控室UPS供電，還有一個辦法是把現(xiàn)場PLC電源的接地接到全廠的接地網(wǎng)在現(xiàn)場最近的等電位接線端子上，這樣就可以解決通訊雙方電平不等的問題。另外大多數(shù)的應用都是采用RS485兩線制的接法，因此通訊電纜只放兩芯線。在實際應用中，接兩根線也足夠了，也不會出什么問題。但如果現(xiàn)場PLC不是由控制室UPS供電，距離又比較遠的話，只接兩根線就有可能會由于干擾比較大造成通訊的誤碼率比較高，甚至通訊不上。解決的辦法是把通訊電纜的屏蔽線接到RS485的接地端子上，這樣可以很好地解決通訊的干擾問題[4]。

5 結(jié)語

采用MOXA NPort 5630可以較好地，較方便地解決現(xiàn)場串口設(shè)備和以太網(wǎng)絡(luò)界面之間的執(zhí)行雙向數(shù)據(jù)傳輸問題。和其他一些廠家采用串口通訊卡件的方式比較起來，具有價格便宜、靈活方便等特點。但從帶載能力來說，它的帶載能力不如串口通訊卡件。筆者曾經(jīng)做過試驗，按照Modbus通訊協(xié)議的定義，一根通訊總線理論上最多可以掛248個從站通訊設(shè)備，但用NPort5630一個串口同時接幾臺設(shè)備進行通訊的話，確實不太容易實現(xiàn)。如果采用其他廠家用的通訊卡件的話，一根通訊總線上掛多臺設(shè)備在實際應用中是沒有什么問題的。

[1]MOXA Nport 5630設(shè)備使用說明書[Z].2014.

[2]Modicon Modbus Protocol Reference Guide[Z].1996.

[3]Experion PKS系統(tǒng)組態(tài)實驗手冊[Z].2013.

[4]董明明，孫萬蓉，陳梓馥，等.基于RTU油井遠程測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸層軟件設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（2）：35-36.