Modbus通讯协议在控制工程中的应用

刘跃章 1 汪 伟 2

（ 1 广西电力职业技术学院，广西南宁 530000；

2 湖南工业职业技术学院，湖南长沙 410000）

摘要：Modbus是一种串行通信协议，目前主要以串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络版本方式实现通讯，它的优点是结构简单明了、通讯可靠、通讯数据量大，缺点是通讯速度相对较为缓慢，不适用于一些高要求的反馈控制系统。大多数Modbus设备通过485串口进行通信，广泛应用于控制工程中。如火电厂锅炉壁温、发电机温度的采集系统就是以Modbus协议通过485串口方式与DCS控制系统进行通讯，部分智能仪表也是通过Modbus协议与PLC等设备进行通讯。文通过分析Modbus通讯协议在控制工程中的应用，掌握Modbus通讯协议的特点与相关知识，提高控制工程设计、维护的可靠性。

关键词：Modbus，通讯协议，控制工程

前言：火力发电厂中，由于锅炉壁温、发电机定子温度等相关设备的测点数量较多，如果使用实际接线通道一对一连接DCS，首先需要敷设大量的线缆，还要更多的DCS通道与卡件、控制器等相关配套设备，增加施工任务量的同时也极大地浪费了材料，加大了经济投入成本。因此，在工程中一般都是引用远程IO通讯的形式，将就地温度集中至前置盒，再将各个前置端使用RS485的方式进行串接，连接至DCS控制系统已配置好的通讯卡，最后进行相应的组态即可实现DCS对远程IO设备相关测点的监控。在PLC相关控制设备中，也同样具备Modbus通讯的功能。因此，在工程应用中，要结合实际具体情况选择相应的通讯方式并进行相对应的通讯配置，才能使控制系统正常工作。

一、火电厂智能前端

火电厂智能前端主要用于生产过程中各种模拟量、开关量信号的就地集中采集和数字式转换，转换后的数据可直接用于就地设备的控制，也可通过网络将数据送入DCS等，由系统做统一处理后，用于设备参数监测及作为设备控制的依据。火电厂智能前端一般采用壁挂式就地安装，可节省大量信号电缆，采用（RS-485/RS-422）现场总线式远程冗余通讯网络，很大程序上保证了通讯线路的正常工作，确保测点参数的正常采集与处理。火电厂智能前端一般使用是MODBUS协议中的RTU模式，以串口RS485的通讯方式进行组网（图1），整个智能前端系统结构如图2所示。

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1：RS-485通讯接线图

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2：RS-485通讯系统构成图

在通讯双方中，一般DCS为主站方（master），主站方发送数据请求命令，一次通讯发送一个命令，可以多个设备同时接收，串口通讯参数一般设置为（baud：9600，word：8，parit：even，stop：１），端口号由DCS选择，单层模式接收的命令格式一般如下例，共8字节（16进制模式）：

第1字节　slave address：01（单层结构从１－设备数，多层为1－分组数）

第2字节　function：03（采用的功能码为３，Read Holding Registers）

第3字节　Starting Address Hi：00（欲读寄存器首地址高字节）

第4字节　Starting Address Lo：00（欲读寄存器首地址低字节）

第5字节　No.of Registers Hi：00（欲读字个数高字节）

第6字节　No.of Registers Lo：18（10）（欲读字个数低字节,24点（16点））

第7字节　Error Check Hi：** （16bits CRC校验高字节）

第8字节　Error Check Lo：** （16bits CRC校验低字节）

进入DCS通讯卡分析模式察看Modbus报文，如图3所示。

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3：DCS通讯卡Modbus报文

因此，就地智能前端各通讯参数设置与DCS通讯卡件参数设置要一致才能

正常通讯。

可通过使用Modscan软件检测智能前端至DCS之间的通讯是否正常，Modscan软件主要设置有：Address:001;Length:24，即从001通道开始扫描直至第24个通道，也可从其它通道开始到其它别的通道；Device Id:即输入就地智能前端的地址，如1、2、3……32等，其它如波特率、停止位等的设置要与就地设置一致。设置正确后即可查看接收到的数据。显示如40001：<196> 40002：<201> ......40012：<203> 40013：<205>......即表示该智能前端1通道温度为19.6度，2通道温度为20.1度，12通道为20.3度，13通道为20.5度。因是整数型传输，数据需在DCS侧乘以0.1系数。

2. PLC的Modbus通讯方式

当PLC以Modbus协议与第三方系统如组态王、scada、DCS、触摸屏等进行通讯时，需要对PLC进行编程初始化调用Modbus库，当PLC做为从站或主站时，调用程序是不同的。以S7-200PLC做从站为例，调用MBUS_INIT 指令(初始化从站)和MBUS_SLAVE指令。MBUS_INIT指令用于使能和初始化或禁止Modbus通讯，必须无错误的执行，然后才能够使用 MBUS_SLAVE指令。MBUS_SLAVE指令用于服务来自Modbus主站的请求，必须在每个循环周期都执行，以便检查和响应Modbus请求。配置如图4所示。

图4：PLC调用Modbus协议配置

SM0.1：首次扫描为1，以后为0，SM0.0：始终接通。即用SM0.1使PLC在第一循环扫描中初始化Modbus从站协议，用SM0.0使每循环周期内执行Modbus从站协议。模式（Mode）：为1时，将端口0分配给Modbus协议，并启用该协议;为0时，将端口0分配给PPI，并禁止Modbus协议。Addr设置地址，其数值在1到247之间。Baud为波特率设设置。Parity用于设置校验位使之与Modbus主站相配匹：0—无校验(NONE),1—奇校验(ODD)，2—偶校验（EVEN）。MaxIQ将Modbus地址0xxxx和1xxxx可用的I和Q点数设为一个0--128之间的数值，数值为0时，禁止输入和输出的所有读和写操作。参数MaxAI将Modbus地址3xxxx可用的字输入(AI)数目设为一个0--32之间的数值，数值为0时，禁止读模拟量输入。参数MaxHold设置可以使用的V区字保持寄存器的个数，相应于Modbus地址4xxxx。参数HoldStart是V存储区的保持寄存器的起始地址。

PLC配置好后，可使用Modscan软件检测通讯是否正常。要注意软件设置的地址、波特率等参数一致。在PLC输出线圈Q0.0和Q0.2闭合的情况下，测试的效果如图5。

图5：Modbus测试效果

结束语：Modbus通讯协议在控制工程中的应用，必须离不开上位系统与下位系统的正确配置，才能正常收发数据。Modbus通信协议传输字节数少、效率高，广泛应用于众多小型仪表和大型工业设备，再加上RS232/RS485端口采用Modbus通信方式的场合很多，使用经济、便捷，值得深入学习。

参考文献：

[1]向晓汉.工业控制系统及应用-PLC与人机界面.化学工业出版社.

[2]赵钊．基于Modbus协议的DCS系统与PLC系统的通讯［J].节能技术，2011，29(04).

[3]郭琼 姚晓宁.现场总线技术及其应用.机械工业出版社.

[4]基于Modbus协议的工业自动化网络规范第1部分:Modbus应用协议GB/T19582.1-2008.

[5]基于Modbus协议的工业自动化网络规范第2部分:Modbus协议在串行链路上的实现指南GB/T19582.2-2008.

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