現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的架構(gòu)早已網(wǎng)絡(luò)化，隨著工業(yè)控制系統(tǒng)性能的提升，網(wǎng)絡(luò)化需求也在不斷演進(jìn)，其主要特征表現(xiàn)為：各類(lèi)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互連與互操作；控制器或控制站與遠(yuǎn)程I/O的通信連接；現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的日趨廣泛；與管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。因此，建立不同控制系統(tǒng)之間的通信，已成為自動(dòng)化工程實(shí)施中的常態(tài)化需求，而MODBUS則是最為常用的通信方式之一。
MODBUS通信協(xié)議
1、MODBUS協(xié)議簡(jiǎn)介
MODBUS通信協(xié)議是Modicon公司1979年提出的一種報(bào)文傳輸協(xié)議，它在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為一種事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備通過(guò)MODBUS協(xié)議可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。許多工控產(chǎn)品，例如：DCS，PLC，變頻器，人機(jī)界面和自動(dòng)化儀表等，大都支持MODBUS協(xié)議。MODBUS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 MODBUS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)示意
MODBUS通信協(xié)議包括3類(lèi)、4個(gè)子協(xié)議，分別是：
①基于串行鏈路的MODBUS RTU與MODBUS ASCII通信協(xié)議。
②基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的MODBUS TCP通信協(xié)議。
③基于令牌環(huán)網(wǎng)的MODBUS Plus通信協(xié)議。事實(shí)上，MODBUS協(xié)議只定義了OSI模型的第2和7層，即：應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層。它在連接至不同類(lèi)型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器通信，并將串行鏈路上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，以便在1個(gè)主站和1個(gè)或多個(gè)從站之間交換MODBUS請(qǐng)求。
④MODBUS應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議。提供了連接于總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間的客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器通信。
⑤MODBUS串行鏈路協(xié)議。提供了連接于串行鏈路的設(shè)備之間的主/從通信，在MODBUS串行鏈路上，客戶(hù)機(jī)的功能由主節(jié)點(diǎn)提供，而服務(wù)器功能由從節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于不同類(lèi)型的MODBUS協(xié)議，其應(yīng)用層基本相同，但其他層各不相同。MODBUS RTU與MODBUS ASCII通信協(xié)議只有OSI模型的第1，2和7層，各層使用的協(xié)議分別為：物理層采用RS485或RS232協(xié)議；數(shù)據(jù)鏈路層采用MODBUS串行鏈路協(xié)議；應(yīng)用層采用MODBUS應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議。MODBUS TCP通信協(xié)議擁有OSI模型的第1，2，3，4和7層，各層使用的協(xié)議分別為：物理層采用以太網(wǎng)物理層協(xié)議；數(shù)據(jù)鏈路層采用以太網(wǎng)IEEE802.3協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議；運(yùn)輸層采用TCP協(xié)議；應(yīng)用層采用MODBUS應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議。
2、MODBUS協(xié)議描述
通用MODBUS幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。MODBUS協(xié)議定義了1個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的MODBUS協(xié)議映射可以引入一些附加域，從而構(gòu)成應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)。
圖2 通用MODBUS幀結(jié)構(gòu)示意
MODBUS是1個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。MODBUS功能碼是MODBUS請(qǐng)求/應(yīng)答PDU的關(guān)鍵元素。有三類(lèi)MODBUS功能碼，分別是：公共功能碼、用戶(hù)定義功能碼和保留功能碼，其取值為1-127的十進(jìn)制整數(shù)。常用公共功能碼定義見(jiàn)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(rèn)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(lái)使用的功能碼。
②用戶(hù)定義功能碼。MODBUS分配有2個(gè)用戶(hù)定義功能碼的區(qū)域，即：65-72和100-110的十進(jìn)制數(shù)。用戶(hù)可以自行選擇和實(shí)現(xiàn)的1個(gè)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(tǒng)產(chǎn)品上現(xiàn)行使用的功能碼，不作為公共使用。
對(duì)于MODBUS的4種通信子協(xié)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(wěn)定的情況下，而MODBUS RTU與MODBUS TCP則是最為常用的子協(xié)議。MODBUS通信協(xié)議是一種公開(kāi)的協(xié)議，這也是它得到廣泛應(yīng)用的原因之一。目前，MODBUS通信協(xié)議已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 19582—2008)，而MODBUSTCP通信子協(xié)議，已被發(fā)布為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC 61158)。
MODBUS通信的實(shí)施
1、基于工程角度的協(xié)議理解
盡管MODBUS通信協(xié)議是公開(kāi)的，但由于協(xié)議的描述主要是面向產(chǎn)品研發(fā)人員，故內(nèi)容繁多、術(shù)語(yǔ)深?yuàn)W，非通信專(zhuān)業(yè)出身的控制工程師很難理解。因此，基于工程角度的協(xié)議理解至關(guān)重要，也非常實(shí)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(zhí)行的操作及數(shù)據(jù)對(duì)象。例如：功能碼02，就是對(duì)離散變量輸入(DI)的存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行讀操作。
現(xiàn)行的公共功能碼共21個(gè)，但常用的功能碼只有8個(gè)(參見(jiàn)表1)，大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)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(guó)核自?xún)x系統(tǒng)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(yè)控制系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)2個(gè)控制系統(tǒng)之間的雙向MODBUS通信。
②MODBUS通信的可讀化
MODBUS通信幀比較抽象，還要指定數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)的地址，直接使用比較困難。為解決該問(wèn)題，工業(yè)控制系統(tǒng)都提供了相應(yīng)的MODBUS通信指令，以支持MODBUS通信的可讀化。MODBUS通信指令形態(tài)各異，但核心功能只有兩點(diǎn)：
a)以可讀的形態(tài)提供給編程者，定義地址、功能、數(shù)據(jù)類(lèi)型、傳輸速率、差錯(cuò)校驗(yàn)方式等通信要素。
b)根據(jù)控制系統(tǒng)自身的指令體系，給出數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)的內(nèi)存地址。實(shí)質(zhì)上，MODBUS通信指令建立了一種映射，提供了標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通信幀與控制系統(tǒng)自身的指令體系以及內(nèi)存地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
③不違反MODBUS通信協(xié)議的個(gè)性化約束
在不違反MODBUS通信協(xié)議的前提下，一些工業(yè)控制系統(tǒng)規(guī)定了自己的通信個(gè)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(shí)施過(guò)程中，有必要了解該類(lèi)個(gè)性化約束。
④功能碼數(shù)制導(dǎo)致的二義性
功能碼具有唯一性，但它允許使用十進(jìn)制或十六進(jìn)制來(lái)表示，在應(yīng)用中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生二義性。因此，當(dāng)通信雙方論及功能碼時(shí)，要說(shuō)明使用何種數(shù)制來(lái)表征功能碼，以避免誤導(dǎo)，造成交流困難。
2、通信介質(zhì)與通信設(shè)備的選擇
MODBUS RTU和MODBUS ASCII的物理層主要采用RS485協(xié)議，通信介質(zhì)為有屏蔽的兩芯雙絞線，也支持光纖連接。MODBUS TCP的底層協(xié)議為以太網(wǎng)協(xié)議，通信介質(zhì)為無(wú)屏蔽的八芯雙絞線，也支持光纖連接。
MODBUS的通信設(shè)備主要有以下3類(lèi)：
①RS485集線器
RS485集線器又稱(chēng)485HUB，是支持RS485物理層協(xié)議的通信設(shè)備，使用它可以構(gòu)成MODBUS RTU，MODBUS ASCⅡ或Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)。RS485集線器的基本結(jié)構(gòu)：設(shè)備側(cè)多個(gè)RS485端口，監(jiān)控側(cè)1個(gè)RS485/RS232端口進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。RS485集線器的核心功能是：將設(shè)備側(cè)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(wù)器
串口服務(wù)器是一側(cè)支持RS485物理層協(xié)議、另一側(cè)支持以太網(wǎng)協(xié)議的通信設(shè)備，使用它可以將串口通信設(shè)備方便地接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸，進(jìn)而構(gòu)成長(zhǎng)距離的MODBUS RTU，MODBUS ASCⅡ或Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)。串口服務(wù)器的基本結(jié)構(gòu)：設(shè)備側(cè)多個(gè)RS485端口，監(jiān)控側(cè)1個(gè)以太網(wǎng)端口，內(nèi)置CPU、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、支持RS485和TCP/IP協(xié)議。串口服務(wù)器的核心功能是：將設(shè)備側(cè)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(shù)據(jù)幀和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換，借助TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)成長(zhǎng)距離的485總線，實(shí)現(xiàn)MODBUS RTU，MODBUS ASCⅡ或Profibus-DP的遠(yuǎn)程通信。特別地，當(dāng)設(shè)置成Real COM模式時(shí)，可以將監(jiān)控計(jì)算機(jī)側(cè)的以太網(wǎng)口仿真成虛擬串口，建立虛擬串口對(duì)現(xiàn)場(chǎng)串口設(shè)備的透明映射。
③MODBUS通信網(wǎng)關(guān)
MODBUS通信網(wǎng)關(guān)是一側(cè)支持MODBUS RTU或MODBUS ASCⅡ協(xié)議，另一側(cè)支持以太網(wǎng)協(xié)議的通信設(shè)備，使用它可以將MODBUS串口通信設(shè)備方便地接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。MODBUS通信網(wǎng)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)：設(shè)備側(cè)多個(gè)RS485端口，監(jiān)控側(cè)1個(gè)以太網(wǎng)端口，內(nèi)置CPU、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、支持MODBUS RTU/ASCⅡ和MODBUS TCP協(xié)議。MODBUS通信網(wǎng)關(guān)的核心功能是：將設(shè)備側(cè)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(xié)議轉(zhuǎn)換；當(dāng)MODBUS通信網(wǎng)關(guān)設(shè)置為MODBUS TCP服務(wù)器時(shí)，可以支持多達(dá)16個(gè)MODBUS TCP客戶(hù)端的連接。
在建立MODBUS通信時(shí)，通信設(shè)備的選擇需要綜合考慮布線方式、通信距離、監(jiān)控側(cè)應(yīng)用程序的接口方式以及設(shè)備成本等因素。例如：如果監(jiān)控側(cè)應(yīng)用程序只提供了MODBUS RTU接口，就應(yīng)當(dāng)選擇串口服務(wù)器作為通信設(shè)備。
3、MODBUS的調(diào)試工具
Modscan32是一款第三方的MODBUS調(diào)試軟件，它免安裝、已漢化、小巧(2.2M)、運(yùn)行在Windous環(huán)境下，可以將個(gè)人電腦模擬成MODBUS主站，使用MODBUS RTU或MODBUS ASCII協(xié)議，與MODBUS從站通信。該調(diào)試軟件的主要功能是：排除故障，可以直接檢驗(yàn)通信鏈路的連接和MODBUS從站側(cè)的狀態(tài)；核對(duì)數(shù)據(jù)，可以直觀地觀察一段連續(xù)的寄存器地址，檢查核對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)；確定配置，調(diào)試無(wú)誤后直接將配置參數(shù)轉(zhuǎn)移到工業(yè)控制系統(tǒng)里。
MODBUS應(yīng)用實(shí)例
在某垃圾發(fā)電項(xiàng)目中，需要建立國(guó)核自?xún)x系統(tǒng)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(gòu)控制系統(tǒng)的通信問(wèn)題，需要在不同的控制平臺(tái)里分別進(jìn)行配置和測(cè)試。MODBUS通信方式如圖3所示。
圖3 MODBUS通信方式示意
在該實(shí)例中，用于旋轉(zhuǎn)噴霧器控制的從站為S-200 CPU224XP，雙RS485端口，采用自由端口通信協(xié)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(zhuǎn)噴霧器PLC之間的通信獨(dú)占1個(gè)通道。盡管DCS與PLC兩側(cè)的通信組態(tài)和通信指令形式上大相徑庭，但本質(zhì)上是一致的，基本包括以下幾個(gè)部分：
①通信參數(shù)。從站側(cè)：從站地址26，波特率9600bit/s，奇偶校驗(yàn)方式(偶校驗(yàn))等；主站側(cè)：9600bit/s，奇偶校驗(yàn)方式(偶校驗(yàn))等。
②操作參數(shù)。主站側(cè)：隱含給出功能碼，本例中：“只讀：3區(qū)”意味著使用功能碼04。
③存儲(chǔ)地址。從站側(cè)：給出寄存器區(qū)起始地址(間接尋址方式&VB1000)；主站側(cè)：給出寄存器區(qū)間(00000-00015)、寄存器數(shù)量(16)和映像區(qū)位置(AI：155-170)。
④輔助參數(shù)。主要在從站側(cè)：模式選擇參數(shù)、限值參數(shù)、執(zhí)行標(biāo)志、完成標(biāo)志、錯(cuò)誤代碼等。
結(jié)束語(yǔ)
建立異構(gòu)控制系統(tǒng)之間的MODBUS通信是自動(dòng)化工程中常見(jiàn)的案例，也是技術(shù)難點(diǎn)之一。因此，操作工程師不僅要對(duì)MODBUS通信協(xié)議的基本原理有較深理解，還要熟悉通信兩端控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，這些經(jīng)驗(yàn)均需要在實(shí)踐中不斷積累與提升。
作者：黃達(dá)(國(guó)核自?xún)x系統(tǒng)工程有限公司)
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