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，其主要特征表現(xiàn)為：各類控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互連與互操作；控制器或控制站與遠程I/O的通信連接；現(xiàn)場總線應(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，已成為自動化工程實施中的常態(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)議簡介
MODBUS通信協(xié)議是Modicon公司1979年提出的一種報文傳輸協(xié)議，它在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為一種事實上的工業(yè)標準。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備通過MODBUS協(xié)議可以進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)集中監(jiān)控。許多工控產(chǎn)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(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、4個子協(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。它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機/服務(wù)器通信，并將串行鏈路上的協(xié)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。
④MODBUS應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議。提供了連接于總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間的客戶機/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，客戶機的功能由主節(jié)點提供，而服務(wù)器功能由從節(jié)點實現(xiàn)。

對于不同類型的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；運輸層采用TCP協(xié)議；應(yīng)用層采用MODBUS應(yīng)用層報文傳輸協(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個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(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個請求/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請求/應(yīng)答PDU的關(guān)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(shù)。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(qū)域，即：65-72和100-110的十進制數(shù)。用戶可以自行選擇和實現(xiàn)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(tǒng)產(chǎn)品上現(xiàn)行使用的功能碼，不作為公共使用。
對于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)議已有國家標準(GB/T 19582—2008)，而MODBUSTCP通信子協(xié)議，已被發(fā)布為國際標準(IEC 61158)。

MODBUS通信的實施
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)語深奧，非通信專業(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)對象。例如：功能碼02，就是對離散變量輸入(DI)的存儲區(qū)進行讀操作。

現(xiàn)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(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；國核自儀系統(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，仍可以實現(xiàn)2個控制系統(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/寫的地址，直接使用比較困難。為解決該問題，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：
a)以可讀的形態(tài)提供給編程者，定義地址、功能、數(shù)據(jù)類型、傳輸速率、差錯校驗方式等通信要素。
b)根據(jù)控制系統(tǒng)自身的指令體系，給出數(shù)據(jù)讀/寫的內(nèi)存地址。實質(zhì)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(tǒng)自身的指令體系以及內(nèi)存地址之間的對應(yīng)關(guān)系。

③不違反MODBUS通信協(xié)議的個性化約束
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(shù)制導(dǎo)致的二義性
功能碼具有唯一性，但它允許使用十進制或十六進制來表示，在應(yīng)用中有時會產(chǎn)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(shù)制來表征功能碼，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：
①RS485集線器
RS485集線器又稱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RS485端口，監(jiān)控側(cè)1個RS485/RS232端口進行信號的轉(zhuǎn)發(fā)，無協(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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸，進而構(gòu)成長距離的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RS485端口，監(jiān)控側(cè)1個以太網(wǎng)端口，內(nèi)置CPU、實時操作系統(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)報文進行雙向轉(zhuǎn)換，借助TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)成長距離的485總線，實現(xiàn)MODBUS RTU，MODBUS ASCⅡ或Profibus-DP的遠程通信。特別地，當設(shè)置成Real COM模式時，可以將監(jiān)控計算機側(cè)的以太網(wǎng)口仿真成虛擬串口，建立虛擬串口對現(xiàn)場串口設(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RS485端口，監(jiān)控側(cè)1個以太網(wǎng)端口，內(nèi)置CPU、實時操作系統(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MODBUS通信網(wǎng)關(guān)設(shè)置為MODBUS TCP服務(wù)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(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)、運行在Windous環(huán)境下，可以將個人電腦模擬成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，可以直接檢驗通信鏈路的連接和MODBUS從站側(cè)的狀態(tài)；核對數(shù)據(jù)，可以直觀地觀察一段連續(xù)的寄存器地址，檢查核對數(shù)據(jù)點；確定配置，調(diào)試無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)用實例
在某垃圾發(fā)電項目中，需要建立國核自儀系統(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(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之間的通信獨占1個通道。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，奇偶校驗方式(偶校驗)等；主站側(cè)：9600bit/s，奇偶校驗方式(偶校驗)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)行標志、完成標志、錯誤代碼等。

結(jié)束語
建立異構(gòu)控制系統(tǒng)之間的MODBUS通信是自動化工程中常見的案例，也是技術(shù)難點之一。因此，操作工程師不僅要對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)驗均需要在實踐中不斷積累與提升。
作者：黃達(國核自儀系統(tǒng)工程有限公司)

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