ModBus協(xié)議在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、ModBus協(xié)議簡(jiǎn)介

　　當(dāng)今世界，工業(yè)控制已從單機(jī)控制走向集中監(jiān)控、集散控制。在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的今天，工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡(luò)管理提供了方便。ModBus協(xié)議就是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行控制和通訊的通訊協(xié)議。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以進(jìn)行通信。它的開(kāi)放性、可擴(kuò)充性和標(biāo)準(zhǔn)化使它成為一個(gè)通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以簡(jiǎn)單可靠地連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)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(méi)有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)、信號(hào)電平、波特率、奇偶校驗(yàn)等信息，ModBus的ASCII, RTU協(xié)議則在此基礎(chǔ)上規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)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(qǐng)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(yīng)請(qǐng)求;Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫(xiě)。

　　ModBus可以應(yīng)用在支持ModBus協(xié)議的PLC和PLC之間、PLC和個(gè)人計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間、遠(yuǎn)程PLC和計(jì)算機(jī)之間以及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間（通過(guò)Modem連接），可見(jiàn)ModBus的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的。由于ModBus是一個(gè)事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，許多廠家的PLC, HMI、組態(tài)軟件都支持ModBus，而且ModBus是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，其協(xié)議內(nèi)容可以免費(fèi)獲得，一些小型廠商甚至個(gè)人都可根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)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(luò)中。因此，ModBus有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用RS232, RS 485 /422 , Modem加電話(huà)線(xiàn)、甚至TCP/IP來(lái)聯(lián)網(wǎng)。所以，ModBus的傳輸介質(zhì)種類(lèi)較多，可以根據(jù)傳輸距離來(lái)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(hù)自行選擇，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等）。在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，同一個(gè)ModBus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)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(dāng)控制器設(shè)為在ModBus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)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(hào)（：）字符（ASCII碼3AH）作為起始位，以回車(chē)換行符（ASCII碼0DH, 0AH）作為結(jié)束符。傳輸過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測(cè)“：”字符，當(dāng)有一個(gè)冒號(hào)接收到時(shí)，每個(gè)設(shè)備就解碼下個(gè)位的地址域，來(lái)判斷是否發(fā)給自己的。與地址域一致的設(shè)備繼續(xù)接受其它域，直至接受到回車(chē)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(jìn)制的0…9，A…F，當(dāng)然也要用ASCII碼表示字符。當(dāng)選用ASCII模式時(shí)，消息幀使用LRC（縱向冗長(zhǎng)檢測(cè)）進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)。

　　2.2RTU模式

　　當(dāng)控制器設(shè)為RTU模式時(shí)，消息幀中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)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(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始。傳輸過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，相應(yīng)的設(shè)備就對(duì)接下來(lái)的傳輸字符進(jìn)行解碼，一旦有至少3. 5個(gè)字符時(shí)間的停頓就表示該消息的結(jié)束。

　　在RTU模式中整個(gè)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(guò)1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3. 5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開(kāi)始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。如果在傳輸過(guò)程中有以上兩種情況發(fā)生的話(huà)，必然會(huì)導(dǎo)致CRC校驗(yàn)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤消息，反饋給發(fā)送方設(shè)備。

　　當(dāng)控制器設(shè)為RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信時(shí)，消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)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)。