Modbus通信协议在分布式控制系统中的应用

1、本文格式为Word版，下载可任意编辑Modbus通信协议在分布式控制系统中的应用 一、引 言 现代工业的快速进展，不断促进着自控技术及设备创新的日新月异。当前，dcs、IPC、plc及智能仪表已广泛应用到工厂现场生产掌握系统当中，并进展到由上述设备相互协同、共同面对整个生产过程的分布式工业自动掌握系统。在此系统中，现场通信技术堪称关键。但由于开头没有统一的通信协议标准，各厂商自控产品通信协议各自为政，通信网络各成体系，造成不同厂家的自控设备网络连接困难甚至不能连接，给分布式掌握系统的敏捷应用造成了不便。一些公司为适应市场，纷纷将各自的协议标准公开化，可无偿使用。经过多年进展，一些通信协议如Mo

2、dicon公司的Modbus通信协议因其兼容性、易用性的优势，在工业领域得到了广泛应用，已成为一种通用的工业通信标准。本文就某化纤项目分布式掌握系统的设计，介绍基于Modbus协议的通信网络在其中的应用。二、系统组成1、系统结构本系统构成如图1，其中略去了现场仪表信号的采集、掌握部分。系统上位机采纳横河CS3000型DCS集散掌握系统，对整个生产过程进行集中监控;下位机采纳Omron的CS1H系列PLC，分布在3个电气掌握室，负责现场电机、OCV阀、流量开关、变频器等执行、检测机构的启停掌握、反馈信号采集、故障推断等操作。基于通信实时性的考虑，将DCS与3个PLC掌握站分为两个相对独立的通信网

3、络：PLC1和PLC2与DCS一端口组成网络一，PLC3与DCS二端口组成网络二。由于上下位机均无面对同一协议的通信设备，给设计造成了困难。经考虑，打算采纳Modbus通信协议，由其构成本分布式掌握系统的通信网络。2、通信网络组成2.1通信协议Modbus协议是一种适用于工业掌握领域的主从式串口通讯协议，它采纳查询通讯方式进行主从设备的信息传输，可寻址1-247个设备地址范围。协议包括广播查询和单独设备查询两种方式，二者区分就是广播查询不需要从设备回应信息，主从设备查询通讯过程见图二。Modbus协议有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式较ASCII模式能传输更多的

4、数据，所以工业网络大都采纳RTU模式。RTU模式下的信息传输报文格式如图三它没有起始位和停止位，而是由至少3.5个字符间隔时间作为信息的起始、结束标志。信息帧全部字符位由16进制字符0-9、A-F组成。本设计采纳单独设备查询的RTU模式通信方式，依据系统构成，将DCS一端口设01H、02H两个PLC从站地址，二端口设01H一个PLC从站地址，并使用Modbus协议中的读字存储区03H和写字存储区06H两个功能码。2.2 网络构成及硬件介绍网络采纳RS485串行接口，通信媒体由4芯屏蔽电缆连接主从设备，传输距离最大达1.5Km，全双工，串口设定波特率19200，8位数据位、偶校验、1位停止位。D

5、CS通信部分采纳横河型号为ALR121的通信模块，并配套横河供应的Modbus通信软件包，该通信模块最大通信数据容量4000字。PLC通信部分则采纳Omron的C200H-ASCII 21可编程特别单元模块（以下简称ASCII模块），该模块支持BASIC语言编程，内有200K字节的程序存储区，配备RS232、RS485通信串口各一个。通过对该模块的编程，可实现与外围设备的各种通信。本系统通过ASCII模块与DCS基于Modbus协议的通信，将DCS的读、写指令及数据做相应转换，并与PLC的CPU单元进行数据存取交换，以实现上下位机掌握信息的实时传输。如图四所示。三、软件实现1、 建立地址安排、

6、对应表DCS人机监控界面（hmi）上面对现场仪表的图形符号对象的监控，需通过DCS I/O物理地址对现场仪表信号的采集来实现。DCS对现场电气执行、检测机构的监控，则是由DCS通信I/O地址与PLC I/O物理地址一一对应完成的。为此，在编程前，需建立一张DCS通信I/O地址与PLC I/O地址的安排、对应表。由于PLC规律掌握编程需要，不便直接将PLC I/O物理地址与DCS通信I/O地址对应，故实行了间接地址的方式。详细设计采纳PLC的数据存储区DM区作为间接地址区，与DCS通信I/O区建立联系，再将DM区与PLC I/O区相对应。如将DCS的%WB000101位通信I/O地址与D0000

7、.00位地址对应，D0000.00再对比PLC的I0000.00位物理输入点，就能将现场电气执行机构的运行状态反馈到HMI上。根据这种方法就建立了一张上下位机地址安排、对应表，因篇幅所限，该表略。2、程序设计ASCII模块支持BASIC语言编程，此外，又附加了多条系统及函数指令，如接收、发送缓冲区操作指令、信息传输差错掌握CRC、LRC校验函数指令和与CPU单元数据交换的读写指令等。编程使用WINDOWS操作系统上附带的Hyperterminal（超级终端）软件，通过此软件，PC机可与连接在网络上的其它PC机或串口终端设备进行文本文件的传输及显示。编程时，将PC机串口与ASCII模块的RS23

8、2串口连接，运行该软件，就能在其界面上对ASCII模块进行程序编写、上传、下载和调试等工作。也可先通过WINDOWS系统的写字板编写程序，并保存为文本格式，然后再通过Hyperterminal将程序下载到ASCII模块。通信程序的主工作流程见图五。部分程序代码如下：OPTION BASE 0 /定义数组DIM R（128）,FC（128）R（48）=0:R（49）=1:R（50）=2:R（51）=3:R（52）=4:R（53）=5:R（54）=6:R（55）=7:R（56）=8R（57）=9:R（65）=h0a:R（66）=h0b:R（67）=h0c:R（68）=h0d:R（69）=h0e:R

9、（70）=h0fR（97）=h0a:R（98）=h0b:R（99）=h0c:R（100）=h0d:R（101）=h0e:R（102）=h0fOPEN #2,"COMU:19200,8,E,1" /设定串口参数A%=LOC（2） /推断接收缓冲区字符IF A%=8 THENREX$=INPUT$（A%,#2）.ENDIFGOSUB ZFCL /对信息进行分解处理IF ST=1 THEN JAOY ELSE BACK /推断是否本站信息JAOYGOSUB CRC /CRC循环冗余校验子程序IF R=CRC THEN WORK ELSE BACK /信息校验正确推断WORKIF

10、（FU=3） THEN GOTO DJS /读功能码推断，调写操作子程序IF （FU=6） THEN GOTO XJS ELSE GOTO BACK /写功能码推断，调读操作子程序DJS /读子程序XJS /写子程序CRC /CRC 校验子程序.ZFCL /字符处理子程序由于ASCII模块支持ASCII码，而RTU则是基于二进制码的16进制字符通信方式，所以在程序编程中增加了码制转换程序。CH5$=MID$（REX$,5,1） :CH6$=MID$（REX$,6,1） /提取字符段VOL=ASC（CH5$）×256+ASC（CH6$） /将ASCII码字符转换十进制数VOL$=HEX

11、$（VOL） /将十进制数转换成十六进制字符3、程序优化及平安措施在ASCII模块与CPU单元数据交换程序部分，实行由ASCII模块向CPU 单元主动发送读写恳求信号，CPU单元在收到恳求时才执行数据交换程序的方法。这样，就缩短了PLC的扫描周期，提高了通信实时性。在信息差错掌握部分，采纳了CRC-16循环冗余校验算法，该算法能使信息的差错率低于10-14以下。假如信息校验错误，程序将清除缓冲区，等待DCS信息重发。依据生产需要，可在HMI上将现场按钮等手控设备设为无效状态，全部手、自动操作均在DCS上进行。考虑到如通信网络遭到瘫痪等严峻故障时，需保证现场电气设备正常启停，又增加了通信状态定时侦测程序，在规定时间（10秒）内网络上如无信号，PLC自动将现场按钮等手控设备设为有效，同时DCS故障报警，直到网络恢复正常为止。四、结束语当前分布式掌握系统通信网络的设备、软件及整体架构，大部分是由专业厂商生产供应的，其总体性能较好。但如前所述，它们也有系统配置可选性小、网络架构适应面窄、价格较高等缺点。笔者采纳Modbus协议这一成熟通信技术，选用PLC的可编程模块，进行基于Modbus通信协议的自主程序设计，架构起本自控系统的通信网络。该网络易扩展、易维护，具有结构简洁、应用敏捷、编程便利、造价低廉等特点。这套系统在某化纤生