Modbus通訊協議在DCS與PLC通訊中的應用

潘學思

摘 要：Modbus通訊協議作為應用于控制器的一種通用語言，不僅具有著實時性強、數據傳輸量大的特點，同時還能夠實現不同控制系統或控制系統與控制設備間的有效通訊，在自控領域的應用十分廣泛。基于此，本文對Modbus通訊協議進行了簡單介紹，同時從DCS系統與PLC通訊的角度出發，對Modbus通訊協議在系統互聯通訊領域的具體應用展開了探討，希望能夠為DCS系統與PLC間的有效互聯提供一定借鑒。

關鍵詞：Modbus通訊協議;DCS;PLC

引言：在工業自動化發展趨勢下，當前工業生產中的控制系統雖然已經從單機控制轉向分散控制，并在生產成本降低、系統性能提升等方面取得了較為理想的效果，但由于分散控制往往需要在不同控制系統間實現數據共享，如集成系統無法滿足實際控制需求，有時還需要額外增設新系統，因此如何實現不同控制系統間的互聯，仍然成為了工業控制領域所面對的重要問題，而對于Modbus通訊協議的應用，則正是解決這一問題的有效途徑。

1.Modbus通訊協議概述

Modbus通信協議最早出現于1979年，是世界范圍內首個應用于工業現場實踐的總線協議，通常應用于電子控制器，具有著標準、開放、支持多種接口、幀格式簡單等特點，能夠為電子控制器間或控制器與設備間的通信提供重要支持[1]。一般來說，由于Modbus通信協議能夠制定消息域格局和內容的公共格式，并對控制器請求訪問控制設備、回應設備請求、偵測錯誤的過程進行準確描述，因此無論是在何種通信網絡下，其定義的消息結構都能夠為電子控制器所識別，并確定發出消息的設備地址，進而根據消息內容及設備來做出相應的控制行動。另外，如電子控制器需要對發出消息的設備進行回應，還可以將其他網絡上包含Modbus協議的消息轉換為適應Modbus網絡的幀或包結構，為路由路徑、錯誤檢測等問題的解決提供支持。

2.基于Modbus通訊協議的DCS與PLC通訊實現方法

2.1 通信系統硬件組成

從現階段的技術條件來看，Modbus通訊協議雖然可以支持多種電氣接口，但通常都是以RS-232、RS-485兩種為主，由于兩種接口各有優劣，因此在實際應用階段，還需根據實際應用需求來對其進行合理選擇。例如RS-232接口系統通常用于電子控制器間或電子控制器與控制設備間的一對一連接，可同時進行通訊消息的收發，能夠保證較高的通訊效率，但傳輸速率相對較低（通常在20kB/s左右），傳數據率也比較短（一般為15m），如能夠保持同步運行，則可支持設備上限為8臺。而RS-485接口系統則屬于一對多的連接關系，相較于RS-232接口系統，在傳輸速度與傳輸距離方面均具有比較明顯的優勢（傳輸距離可達1200m，傳輸速率高于100kB/s），可支持設備上限也達到了32臺，但無法實現通訊消息的同時收發，兼容性也不如RS-232接口系統[2]。在確定接口系統后，可通過RS-232或RS-485接口對設備進行連接，具體連接方法應以參考手冊作為標準，對于需要連接的控制設備，還要提前設置好單獨的終端電阻裝置。

2.2 DCS系統組態

確定通信系統硬件組成與連接方法后，為滿足DCS系統的組態要求，還要借助工程師站的相關權限對系統組態加以修改，對卡件名稱、類型、型號、地址等信息進行設置，之后再完成串行通訊控制、自定義變量設置、圖形編輯使用等操作。其中串行通訊設置是指確定與串行設備一致的波特率及通訊方式，以免使從站地址出現沖突。自定義變量設置則是指根據DCS系統中其他控制站的變量名，設置好控制卡內部的變量字節與數量，以免出現變量名沖突的情況。圖形編輯使用需要依托圖形編輯指令，完成通訊數據轉換、數據運算等工作，對于涉及其他控制站數據的通訊消息，還要通過控制站間的通訊來實現數據共享、變量調用，之后再進行通訊數據轉換、運算[3]。此外，由于，Modbus通訊組態所使用的方式可分為兩種，因此在進使用圖形編輯的同時，還要調用SCX語言來完成相關程序的編寫，為控制站與串行設備間的數據共享提供支持，并對保持寄存器進行讀寫，使保持寄存器的變量數量、地址等能夠與控制卡內部的通訊數據組保持一致。需要注意的是，由于控制卡所帶串行設備的地址必須要區別開來，因此在組態過程中，必須要保證與串行設備連接的Modbus通訊具備地址識別能力，如同一控制卡中的某臺串行設備接口使用了與其他設備不同的接口，還要額外安裝借口轉換模塊（通常為RS-232與RS-485接口互轉），以便于實現串行設備間的有效連接。

2.3 PLC下組態

完成DCS系統組態后，還需選擇能夠支持Modbus通訊協議的操作模塊，以滿足主從站間的實際通信需求，對于操作模塊的具體選擇同樣需要根據具體應用需求而定，目前以西門子CP341/CP441—2模塊最為常見。而基于選擇好的操作模塊，則需要安裝相應的軟件驅動程序、插入硬件狗，并保證硬件狗能夠與Modbus通訊協議相對應，為*.rtu格式數據信息的讀取體用支持，軟件驅動程序的覆蓋運行內容通常應包括FB程序模塊、針腳定義標準、參數化處理窗口等。之后，還要分別在通電與斷電狀態下完成模塊初始化、從站軟件包安裝等工作，之后再正式啟動程序，完成對模板硬件地址參數的設置記錄，具體參數包括數據位指標、奇偶校檢位指標、波特率指標等，并通過簡單的手動操作來實現單機與PLC在的有效、可靠連接[4]。

2.4 通訊測試

在分別完成DCS系統與PLC下的組態后，為確定DCS與PLC間的通訊已經實現，還需采用Modbus通訊測試軟件來進行測試。通訊測試過程中應利用軟件功能分別對主站與從站進行模擬，并同PLC和DCS系統進行信息發送、報文接收等方式的通訊，如確定通訊情況一切正常，則可確定DCS與PLC通訊實現，反之則需要繼續查看通訊情況異常的原因，并及時對通信系統進行調試。

結束語：總而言之，Modbus通訊協議的出現與推廣應用，為工業控制領域的多控制系統及控制系統與控制設備互聯提供了重要支持，但在相關應用實踐中，要想真正實現DCS系統與PLC間的互聯，并將完善的通訊系統起來，仍然需要對通信系統的硬件組成進行合理選擇，同時把握好DCS系統組態、PLC下組態、系統通訊測試等方面的應用要點

參考文獻：

[1]熊征偉.基于MODBUS協議的臺達PLC控制多臺變頻器應用研究[J].機械制造與自動化，2019，48（02）：202-205.

[2]王堃，馮敬宇.Modbus通訊協議在自動控制系統中的應用[J].自動化博覽，2019，36（03）：80-84.

[3]吳佩發.基于Modbus通訊協議對ABB變頻器的冷卻塔控制[J].智慧工廠，2018，（07）：55-57.

[4]方愛平.基于Modbus協議的三菱FX3UPLC與智能儀表通訊的探討[J].自動化應用，2017，（08）：97-98+132.