工業控制系統Modbus通信的規劃與實施

黃達

(國核自儀系統工程有限公司，上海 200241)

1 概 述

現代工業控制系統的架構早已網絡化，隨著工業控制系統性能的提升，網絡化需求也在不斷演進，其主要特征表現為： 各類控制系統的網絡互連與互操作；控制器或控制站與遠程I/O站的通信連接；現場總線應用的日趨廣泛；與管理信息系統的數據集成。因此，建立不同控制系統之間的通信，已成為自動化工程實施中的常態化需求，而Modbus則是最為常用的通信方式之一。

2 Modbus通信協議

2.1 協議簡介

Modbus 通信協議是Modicon 公司1979年提出的一種報文傳輸協議，它在工業控制領域中得到了廣泛的應用，已成為一種事實上的工業標準。不同廠商生產的控制設備通過 Modbus協議可以進行數據傳輸，實現集中監控。許多工控產品，例如： DCS，PLC，變頻器，人機界面和自動化儀表等，大都支持Modbus 協議。Modbus網絡體系結構如圖1所示。

Modbus通信協議包括3類、4個子協議，分別是：

1)基于串行鏈路的Modbus RTU與Modbus ASCII通信協議。

2)基于TCP/IP網絡的Modbus TCP通信協議。

3)基于令牌環網的Modbus Plus通信協議。事實上，Modbus協議只定義了OSI模型的第2和7層，即： 應用層和數據鏈路層。它在連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供客戶機/服務器通信，并將串行鏈路上的協議標準化，以便在1個主站和1個或多個從站之間交換Modbus請求。

4)Modbus 應用層報文傳輸協議。提供了連接于總線或網絡的設備之間的客戶機/服務器通信。

圖1 Modbus網絡體系結構示意

5)Modbus串行鏈路協議。提供了連接于串行鏈路的設備之間的主/從通信，在Modbus 串行鏈路上，客戶機的功能由主節點提供，而服務器功能由從節點實現。

對于不同類型的Modbus協議，其應用層基本相同，但其他層各不相同。Modbus RTU與Modbus ASCII通信協議只有OSI模型的第1，2和7層，各層使用的協議分別為： 物理層采用RS-485或RS-232協議；數據鏈路層采用Modbus串行鏈路協議；應用層采用Modbus 應用層報文傳輸協議。Modbus TCP通信協議擁有OSI模型的第1，2，3，4和7層，各層使用的協議分別為： 物理層采用以太網物理層協議；數據鏈路層采用以太網IEEE802.3協議；網絡層采用IP協議；運輸層采用TCP協議；應用層采用Modbus 應用層報文傳輸協議。

2.2 協議描述

通用 Modbus幀的結構如圖2所示。Modbus 協議定義了1個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元(PDU)，特定總線或網絡上的Modbus協議映射可以引入一些附加域，從而構成應用數據單元(ADU)。

圖2 通用Modbus幀結構示意

Modbus是1個請求/應答協議，并且提供功能碼規定的服務。Modbus功能碼是Modbus請求/應答PDU的關鍵元素。有三類Modbus 功能碼，分別是： 公共功能碼、用戶定義功能碼和保留功能碼，其取值為1～127的十進制整數。常用公共功能碼定義見表1所列。

表1 常用公共功能碼定義

1)公共功能碼是由Modbus組織確認的、被確切定義的、唯一的功能碼，包含已被定義的公共功能碼和保留給未來使用的功能碼。

2)用戶定義功能碼。Modbus分配有2個用戶定義功能碼的區域，即： 65～72和100～110的十進制數。用戶可以自行選擇和實現的1個功能碼，但不能保證被選功能碼的使用是唯一的。

3)保留功能碼。某些公司在傳統產品上現行使用的功能碼，不作為公共使用。

對于Modbus的4種通信子協議而言，Modbus Plus僅用于Modicon公司的PLC中，Modbus ASCII用于串行通信鏈路不穩定的情況下，而Modbus RTU與Modbus TCP則是最為常用的子協議。Modbus通信協議是一種公開的協議，這也是它得到廣泛應用的原因之一。目前，Modbus通信協議已有國家標準(GB/T 19582—2008)，而ModbusTCP通信子協議，已被發布為國際標準(IEC 61158)。

3 Modbus通信的實施

3.1 基于工程角度的協議理解

盡管Modbus 通信協議是公開的，但由于協議的描述主要是面向產品研發人員，故內容繁多、術語深奧，非通信專業出身的控制工程師很難理解。因此，基于工程角度的協議理解至關重要，也非常實用。

1)功能碼的有限性。功能碼具有唯一性，選定了功能碼就意味著確定了要執行的操作及數據對象。例如： 功能碼02，就是對離散變量輸入(DI)的存儲區進行讀操作。

現行的公共功能碼共21個，但常用的功能碼只有8個(參見表1)，大多數工業控制系統只支持有限的功能碼。例如： Siemens S7-200 PLC支持表1中的全部8種功能碼；國核自儀系統工程有限公司的NuCON-P DCS 支持01，02，03，04，15和16共6種功能碼；而UPS一般只支持02和04兩種功能碼。極端情況下，有些工業控制系統只支持03和06兩種功能碼，但只要有布爾量的打包指令，仍可以實現2個控制系統之間的雙向Modbus通信。

2)Modbus 通信的可讀化。Modbus 通信幀比較抽象，還要指定數據讀/寫的地址，直接使用比較困難。為解決該問題，工業控制系統都提供了相應的Modbus 通信指令，以支持Modbus 通信的可讀化。Modbus 通信指令形態各異，但核心功能只有兩點：

a)以可讀的形態提供給編程者，定義地址、功能、數據類型、傳輸速率、差錯校驗方式等通信要素。

b)根據控制系統自身的指令體系，給出數據讀/寫的內存地址。實質上，Modbus 通信指令建立了一種映射，提供了標準Modbus 通信幀與控制系統自身的指令體系以及內存地址之間的對應關系。

3)不違反Modbus 通信協議的個性化約束。在不違反Modbus 通信協議的前提下，一些工業控制系統規定了自己的通信個性化約束。例如： 只有在支持01功能碼的情況下，才能使用05功能碼，在實施過程中，有必要了解該類個性化約束。

4)功能碼數制導致的二義性。功能碼具有唯一性，但它允許使用十進制或十六進制來表示，在應用中有時會產生二義性。因此，當通信雙方論及功能碼時，要說明使用何種數制來表征功能碼，以避免誤導，造成交流困難。

3.2 通信介質與通信設備的選擇

Modbus RTU和Modbus ASCII的物理層主要采用RS-485協議，通信介質為有屏蔽的兩芯雙絞線，也支持光纖連接。Modbus TCP的底層協議為以太網協議，通信介質為無屏蔽的八芯雙絞線，也支持光纖連接。Modbus的通信設備主要有以下3類：

1)485集線器。485集線器，又稱485HUB，是支持RS-485物理層協議的通信設備，使用它可以構成Modbus RTU，Modbus ASCⅡ或Profibus-DP通信網絡。485集線器的基本結構： 設備側多個RS-485端口，監控側1個RS-485/RS-232端口進行信號的轉發，無協議轉換功能。485集線器的核心功能是： 將設備側Modbus從站的手牽手連接方式變換成星型連接方式，方便布線，并提高了通信鏈路的可靠性。

2)串口服務器。串口服務器是一側支持RS-485物理層協議、另一側支持以太網協議的通信設備，使用它可以將串口通信設備方便地接入TCP/IP網絡，實現數據的雙向透明傳輸，進而構成長距離的Modbus RTU，Modbus ASCⅡ或Profibus-DP通信網絡。串口服務器的基本結構： 設備側多個RS-485端口，監控側1個以太網端口，內置CPU、實時操作系統、支持RS-485和TCP/IP協議。串口服務器的核心功能是： 將設備側485從站的手牽手連接方式變換成星型連接方式，方便布線，并提高通信鏈路的可靠性；將485總線的數據幀和TCP/IP網絡的數據報文進行雙向轉換，借助TCP/IP網絡進行數據傳輸，構成長距離的485總線，實現Modbus RTU，Modbus ASCⅡ或Profibus-DP的遠程通信。特別地，當設置成Real COM模式時，可以將監控計算機側的以太網口仿真成虛擬串口，建立虛擬串口對現場串口設備的透明映射。

3)Modbus通信網關。Modbus通信網關是一側支持Modbus RTU或Modbus ASCⅡ協議，另一側支持以太網協議的通信設備，使用它可以將Modbus串口通信設備方便地接入TCP/IP網絡，實現數據的雙向透明傳輸。Modbus通信網關的基本結構： 設備側多個RS-485端口，監控側1個以太網端口，內置CPU、實時操作系統、支持Modbus RTU/ASCⅡ和Modbus TCP協議。Modbus通信網關的核心功能是： 將設備側Modbus從站的手牽手連接方式變換成星型連接方式，方便布線，并提高通信鏈路的可靠性；完成Modbus RTU/ASCⅡ和Modbus TCP之間的協議轉換；當Modbus通信網關設置為Modbus TCP服務器時，可以支持多達16個Modbus TCP客戶端的連接。

在建立Modbus通信時，通信設備的選擇需要綜合考慮布線方式、通信距離、監控側應用程序的接口方式以及設備成本等因素。例如： 如果監控側應用程序只提供了Modbus RTU接口，就應當選擇串口服務器作為通信設備。

3.3 Modbus的調試工具

Modscan32是一款第三方的Modbus調試軟件，它免安裝、已漢化、小巧(2.2 M)、運行在Windous環境下，可以將個人電腦模擬成Modbus主站，使用Modbus RTU或Modbus ASCII協議，與Modbus從站通信。該調試軟件的主要功能是： 排除故障，可以直接檢驗通信鏈路的連接和Modbus從站側的狀態；核對數據，可以直觀地觀察一段連續的寄存器地址，檢查核對數據點；確定配置，調試無誤后直接將配置參數轉移到工業控制系統里。

4 應用實例

在某垃圾發電項目中，需要建立國核自儀系統工程有限公司的NuCON-P DCS(主站)與Siemens公司的S7-200PLC(從站)之間的雙向Modbus通信，這屬于異構控制系統的通信問題，需要在不同的控制平臺里分別進行配置和測試。Modbus通信方式如圖3所示。

圖3 Modbus通信方式示意

在該實例中，用于旋轉噴霧器控制的從站為S-200 CPU224XP，雙RS-485端口，采用自由端口通信協議，支持Modbus通信；主站為NuCON-P配置的Modbus通信卡，4通道，它與旋轉噴霧器PLC之間的通信獨占1個通道。盡管DCS與PLC兩側的通信組態和通信指令形式上大相徑庭，但本質上是一致的，基本包括以下幾個部分：

1)通信參數。從站側： 從站地址26，波特率9 600 bit/s，奇偶校驗方式(偶校驗)等；主站側： 9 600 bit/s，奇偶校驗方式(偶校驗)等。

2)操作參數。主站側： 隱含給出功能碼，本例中：“只讀： 3區”意味著使用功能碼04。

3)存儲地址。從站側： 給出寄存器區起始地址(間接尋址方式&VB1000)；主站側： 給出寄存器區間(00000～00015)、寄存器數量(16)和映像區位置(AI： 155～170)。

4)輔助參數。主要在從站側： 模式選擇參數、限值參數、執行標志、完成標志、錯誤代碼等。

5 結束語

建立異構控制系統之間的Modbus通信是自動化工程中常見的案例，也是技術難點之一。因此，操作工程師不僅要對Modbus通信協議的基本原理有較深理解，還要熟悉通信兩端控制系統的硬件結構與指令系統，這些經驗均需要在實踐中不斷積累與提升。