ModBus協(xié)議在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用

一、ModBus協(xié)議簡介

　　當今世界，工業(yè)控制已從單機控制走向集中監(jiān)控、集散控制。在進入網(wǎng)絡時代的今天，工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡管理提供了方便。ModBus協(xié)議就是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡協(xié)議中的一種。ModBus協(xié)議是Modicon公司于1978年發(fā)明的一種用于電子控制器進行控制和通訊的通訊協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以進行通信。它的開放性、可擴充性和標準化使它成為一個通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以簡單可靠地連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行系統(tǒng)的集中監(jiān)控，從而使它成為最流行的協(xié)議之一。

　　ModBus協(xié)議包括ASCII, RTU, PLUS, TCP等，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。標準的ModBus 是使用RS-232C 兼容串行接口， RS-232C規(guī)定了連接器針腳、接線、信號電平、波特率、奇偶校驗等信息，ModBus的ASCII, RTU協(xié)議則在此基礎上規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應答的方式。ModBus控制器的數(shù)據(jù)通信采用Master/Slave方式（主/從），即Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應請求;Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。

　　ModBus可以應用在支持ModBus協(xié)議的PLC和PLC之間、PLC和個人計算機之間、計算機和計算機之間、遠程PLC和計算機之間以及遠程計算機之間（通過Modem連接），可見ModBus的應用是相當廣泛的。由于ModBus是一個事實上的工業(yè)標準，許多廠家的PLC, HMI、組態(tài)軟件都支持ModBus，而且ModBus是一個開放標準，其協(xié)議內(nèi)容可以免費獲得，一些小型廠商甚至個人都可根據(jù)協(xié)議標準開發(fā)出支持ModBus的產(chǎn)品或軟件，從而使其產(chǎn)品聯(lián)入到ModBus的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中。因此，ModBus有著廣泛的應用基礎。在實際應用中，可以使用RS232, RS 485 /422 , Modem加電話線、甚至TCP/IP來聯(lián)網(wǎng)。所以，ModBus的傳輸介質(zhì)種類較多，可以根據(jù)傳輸距離來選擇。

二、ModBus協(xié)議的通訊格式

　　ModBus可分為兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。使用何種模式由用戶自行選擇，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等）。在配置每個控制器的時候，同一個ModBus網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

　　2.1 ASCII模式

　　當控制器設為在ModBus網(wǎng)絡上以ASCII模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1秒而不產(chǎn)生錯誤。

　　表1 ASCII模式的消息幀

　　如表1所示，使用ASCII模式，消息以冒號（：）字符（ASCII碼3AH）作為起始位，以回車換行符（ASCII碼0DH, 0AH）作為結(jié)束符。傳輸過程中，網(wǎng)絡上的設備不斷偵測“：”字符，當有一個冒號接收到時，每個設備就解碼下個位的地址域，來判斷是否發(fā)給自己的。與地址域一致的設備繼續(xù)接受其它域，直至接受到回車換行符。除起始位和結(jié)束符外，其他域可以使用的傳輸字符是十六進制的0…9，A…F，當然也要用ASCII碼表示字符。當選用ASCII模式時，消息幀使用LRC（縱向冗長檢測）進行錯誤檢測。

　　2.2RTU模式

　　當控制器設為RTU模式時，消息幀中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符。

　　表2 RTU模式的消息幀

　　該模式下消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸過程中，網(wǎng)絡設備不斷偵測網(wǎng)絡總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當?shù)谝粋€域（地址域）接收到，相應的設備就對接下來的傳輸字符進行解碼，一旦有至少3. 5個字符時間的停頓就表示該消息的結(jié)束。

　　在RTU模式中整個消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸，如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3. 5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)。如果在傳輸過程中有以上兩種情況發(fā)生的話，必然會導致CRC校驗產(chǎn)生一個錯誤消息，反饋給發(fā)送方設備。

　　當控制器設為RTU（遠程終端單元）模式通信時，消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符。這種模式與ASCII模式相比在同樣的波特率下，可比ASCII模式傳送更多的數(shù)據(jù)。