Modbus通信协议在分布式控制系统中的应用

一、引言

    现代工业的迅速发展，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控制系统当中，并发展到由上述设备相互协同、共同面向整个生产过程的分布式工业自动控制系统。在此系统中，现场通信技术堪称关键。但由于开始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，给分布式控制系统的灵活应用造成了不便。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。经过多年发展，一些通信协议如Modicon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控制系统的设计，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、控制部分。系统上位机采用横河CS3000型DCS集散控制系统，对整个生产过程进行集中监控;下位机采用Omron的CS1H系列PLC，分布在3个电气控制室，负责现场电机、OCV阀、流量开关、变频器等执行、检测机构的启停控制、反馈信号采集、故障判断等操作。

    基于通信实时性的考虑，将DCS与3个PLC控制站分为两个相对独立的通信网络：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向同一协议的通信设备，给设计造成了困难。经考虑，决定采用Modbus通信协议，由其构成本分布式控制系统的通信网络。

    2、通信网络组成

    2.1通信协议

    Modbus协议是一种适用于工业控制领域的主从式串口通讯协议，它采用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，二者区别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模式能传输更多的数据，所以工业网络大都采用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。信息帧所有字符位由16进制字符0-9、A-F组成。本设计采用单独设备查询的RTU模式通信方式，根据系统构成，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

    网络采用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。DCS通信部分采用横河型号为ALR121的通信模块，并配套横河提供的Modbus通信软件包，该通信模块最大通信数据容量4000字。PLC通信部分则采用Omron的C200H-ASCII 21可编程特殊单元模块（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，以实现上下位机控制信息的实时传输。如图四所示。

三、软件实现

    1、 建立地址分配、对应表

    DCS人机监控界面（HMI）上面向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地址的分配、对应表。由于PLC逻辑控制编程需要，不便直接将PLC I/O物理地址与DCS通信I/O地址对应，故采取了间接地址的方式。具体设计采用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D0000.00位地址对应，D0000.00再对照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。按照这种方法就建立了一张上下位机地址分配、对应表，因篇幅所限，该表略。[page]

    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、信息传输差错控制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RS232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）=8

    R（57）=9:R（65）=&h0a:R（66）=&h0b:R（67）=&h0c:R（68）=&h0d:R（69）=&h0e:R（70）=&h0f

    R（97）=&h0a:R（98）=&h0b:R（99）=&h0c:R（100）=&h0d:R（101）=&h0e:R（102）=&h0f

    OPEN #2,"COMU:19200,8,E,1" //设定串口参数

    A%=LOC（2） //判断接收缓冲区字符

    IF A%=8 THEN

    REX$=INPUT$（A%,#2）

    ……….

    ENDIF

    GOSUB ＊ZFCL //对信息进行分解处理

    IF ST=1 THEN ＊JAOY ELSE ＊BACK //判断是否本站信息

    ＊JAOY

    GOSUB ＊CRC //CRC循环冗余校验子程序

    IF R=CRC THEN ＊WORK ELSE ＊BACK //信息校验正确判断

    ＊WORK

    IF （FU=3） THEN GOTO ＊DJS //读功能码判断，调写操作子程序

    IF （FU=6） THEN GOTO ＊XJS ELSE GOTO ＊BACK //写功能码判断，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$=HEX$（VOL） //将十进制数转换成十六进制字符

    3、程序优化及安全措施

    在ASCII模块与CPU单元数据交换程序部分，采取由ASCII模块向CPU 单元主动发送读写请求信号，CPU单元在收到请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。

    在信息差错控制部分，采用了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。如果信息校验错误，程序将清除缓冲区，等待DCS信息重发。

    根据生产需要，可在HMI上将现场按钮等手控设备设为无效状态，所有手、自动操作均在DCS上进行。考虑到如通信网络遭到瘫痪等严重故障时，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

    当前分布式控制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提供的，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。笔者采用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，具有结构简单、应用灵活、编程方便、造价低廉等特点。这套系统在某化纤生产线一次投运成功，实际运行状态良好，证明其稳定可靠，能完全满足系统设计要求。到目前为止，该系统已在多个工程项目上投入使用，全部运行正常，取得了良好的经济效益。

    本文创新点：采用工业领域通用的Modbus通信协议标准，利用可编程的PLC特殊功能模块，并进行通信程序设计，低成本的解决了本系统的通信架构问题，可为分布式控制系统通信网络兼容性设计的一个思路。