Modbus通訊協(xié)議在DCS與PLC通訊中的應(yīng)用

康曉偉

（杭州立佳環(huán)境服務(wù)有限公司，浙江 杭州311199）

0 引言

在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，Modbus通訊協(xié)議以RS232／RS485作為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行。在以該通訊協(xié)議為載體的接口系統(tǒng)中，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇科學(xué)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。其中，基于RS232通訊協(xié)議的接口系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”的連接關(guān)系，理想狀態(tài)下傳輸速率在20.0kB／s范圍之內(nèi)，同步運(yùn)行狀態(tài)下可支持設(shè)備為8臺(tái)，傳輸距離僅為15.0m；而對(duì)于基于RS485通訊協(xié)議的接口系統(tǒng)而言，所對(duì)應(yīng)的連接關(guān)系為“一對(duì)多”，理想狀態(tài)下傳輸速率在100.0kB／s以上，同步運(yùn)行狀態(tài)下可支持設(shè)備為32臺(tái)，傳輸距離達(dá)到1200.0m。

1 通信系統(tǒng)硬件組織及連接

在通訊協(xié)議的支持下，每個(gè)XP244控制卡接口可支持4個(gè)設(shè)備的互聯(lián)，連接方法以參考手冊(cè)為準(zhǔn)。同時(shí)，為保障其質(zhì)量安全、可靠，要求該終端配備120.0Ω的終端電阻裝置。整個(gè)DCS系統(tǒng)與串行設(shè)備的連接示意圖如圖1所示。

圖1 DCS系統(tǒng)與串行設(shè)備連接示意圖

2 DCS系統(tǒng)組態(tài)

為滿足DCS組態(tài)要求，具體實(shí)施方法為：在工程師站電腦上通過相應(yīng)權(quán)限進(jìn)入系統(tǒng)組態(tài)進(jìn)行組態(tài)修改，首先在控制站進(jìn)行所選卡件的組態(tài)，設(shè)置相應(yīng)卡件名稱、地址、掃描周期、卡件類型、型號(hào)等，其中需要注意的是組態(tài)中卡件地址必須與撥碼開關(guān)一致，掃描周期不宜過短，以免影響總線系統(tǒng)運(yùn)行。在進(jìn)行Modbus通訊組態(tài)中，主要使用SCX語言編程和圖形編輯2種。在組態(tài)中，主要進(jìn)行以下操作：（1）串行通訊設(shè)置：主要是對(duì)應(yīng)串行設(shè)備的波特率和通訊方式選擇，需要和串行設(shè)備保持一致，從站地址不能沖突，地址范圍在0～255；（2）自定義變量設(shè)置：設(shè)置控制卡內(nèi)部使用變量，主要根據(jù)通訊和系統(tǒng)要求設(shè)置內(nèi)部變量字節(jié)和數(shù)量，其設(shè)置變量名不能和DCS其他控制站的變量名沖突；（3）圖形編輯使用：通過圖形編輯的各種指令來對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，如果通訊需要使用其他控制站數(shù)據(jù)，需要使用站間通訊方式來調(diào)用變量，并可以使通訊數(shù)據(jù)在各控制站內(nèi)靈活調(diào)用；（4）SCX語言調(diào)用：控制卡通信驅(qū)動(dòng)程序可以通過SCX語音編寫來實(shí)現(xiàn)，直接對(duì)控制站和串行設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要是對(duì)保持寄存器進(jìn)行讀寫操作，需要注意的是控制卡內(nèi)部通訊數(shù)據(jù)組要和從站設(shè)備的保持寄存器起始地址和變量數(shù)量保持一致。

通過以上的編程組態(tài)，在 Modbus通訊協(xié)議基礎(chǔ)上，DCS通過XP244控制卡件與外部串口設(shè)備連接，其中控制卡支持連接4臺(tái)從站設(shè)備，從站設(shè)備需使用Modbus Slave協(xié)議，DCS和每個(gè)串行設(shè)備能夠傳輸64個(gè)字節(jié)變量，即512個(gè)Bool量或32個(gè)Int量。

編程中需要注意的問題如下：（1）串行設(shè)備地址：每個(gè)控制卡最多帶4臺(tái)串行設(shè)備，而且串行設(shè)備之間地址不能沖突，每臺(tái)串行設(shè)備協(xié)議能夠進(jìn)行地址識(shí)別；（2）串行設(shè)備接口：控制卡帶多臺(tái)串行設(shè)備時(shí)，如果其中某臺(tái)串行設(shè)備使用RS232接口，需要對(duì)其安裝RS232／RS485轉(zhuǎn)換模塊，以實(shí)現(xiàn)和其他串行設(shè)備的連接；（3）主從站關(guān)系：Modbus協(xié)議中，控制卡只能做主站，各串行設(shè)備只能做從站，主站主動(dòng)發(fā)送指令，各串行設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)；（4）通訊協(xié)議：串行設(shè)備只能使用Modbus Slave協(xié)議，而不是Modbus Plus協(xié)議；（5）數(shù)據(jù)格式：控制卡和串行設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，進(jìn)行SCX語言編程，指令變量為Bool或者Int，控制卡讀寫串行設(shè)備都需要符合數(shù)據(jù)格式，如果控制卡調(diào)用其他控制站變量不符合數(shù)據(jù)格式，需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換；（6）時(shí)間函數(shù)設(shè)置：在SCX語言中，系統(tǒng)延遲等待時(shí)間和通訊指令等待時(shí)間要設(shè)置恰當(dāng)，系統(tǒng)延遲時(shí)間如果太短則造成系統(tǒng)無法接收返回?cái)?shù)據(jù)，而通訊指令等待時(shí)間太短則系統(tǒng)無法執(zhí)行下一條指令，會(huì)造成通訊中斷。

3 PLC下組態(tài)及編程方法

在支持Modbus通訊協(xié)議的基礎(chǔ)條件下，首先需選擇能夠支持該協(xié)議的操作模塊。當(dāng)前多推薦選擇CP341／CP441－2模塊。CP341／CP441－2模塊常態(tài)下對(duì)應(yīng)有1／2個(gè)串行通訊接口，可支持Modbus通訊協(xié)議下的串行通訊需求。通過對(duì)該操作模塊的應(yīng)用，可以Modbus為載體，滿足主從站通訊需求。具體的實(shí)現(xiàn)思路為：在實(shí)現(xiàn) Modbus的過程中，基于CP341／CP441－2模塊，插入與該通訊協(xié)議相對(duì)應(yīng)的硬件狗，以確保Modbus通訊協(xié)議下所對(duì)應(yīng)的＊.rtu格式數(shù)據(jù)信息能夠?yàn)镃P模塊所支持與讀取。

在基于Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC模塊組態(tài)與編程的過程中，由于所選擇的操作模塊為CP341／CP441－2模塊，因此需要選擇安裝上述模塊所對(duì)應(yīng)的STEP75.x以及CP34.x軟件驅(qū)動(dòng)程序。所安裝驅(qū)動(dòng)程序覆蓋運(yùn)行內(nèi)容包括：對(duì)CP341／CP441－2模塊參數(shù)化處理窗口；基于滿足串行通訊需求的FB程序模塊；不同模板應(yīng)用方式下對(duì)應(yīng)例子程序模塊；CP模塊通訊口針腳定義標(biāo)準(zhǔn)。在通電條件下，完成CP341／CP441－2模塊的初始化工作，初始化后SF燈處于“ON”狀態(tài)。斷電操作后，插入基于Modbus通訊協(xié)議的從站硬件狗，進(jìn)而安裝附屬?gòu)恼拒浖?dòng)程序后，可對(duì)CP341／CP441－2模塊進(jìn)行雙擊啟動(dòng)操作，記錄后期標(biāo)稱所需的模板硬件地址參數(shù)。進(jìn)而，選擇“Parameter”按鈕，實(shí)現(xiàn)Modbus通訊協(xié)議下PC單機(jī)與PLC的可靠連接。需要特別注意以下幾個(gè)問題：（1）在安裝基于Modbus驅(qū)動(dòng)程序的過程中，需要確保PLC處于“STOP”狀態(tài)；（2）參數(shù)設(shè)置期間，Modbus通訊協(xié)議所對(duì)應(yīng)的設(shè)置參數(shù)構(gòu)成內(nèi)容包括數(shù)據(jù)位指標(biāo)、波特率指標(biāo)、停止位指標(biāo)、從站地址指標(biāo)、奇偶校驗(yàn)位指標(biāo)幾方面。

在PLC編程操作期間，每針對(duì)PLC模塊進(jìn)行一次冷啟動(dòng)，就需對(duì)該Modbus功能模塊進(jìn)行一次初始化設(shè)置工作。該操作下的具體表現(xiàn)形式為：系統(tǒng)給CP－START1個(gè)上升沿觸發(fā)信號(hào)，而在PLC模塊冷啟動(dòng)的狀態(tài)下，OB100即所執(zhí)行的第1個(gè)功能模塊，其主要功能在于面向基于Modbus的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的初始化設(shè)置工作。通訊功能塊可通過對(duì)“FB8PSND－RK”進(jìn)行調(diào)用，支持功能塊與CP在通信上關(guān)系的構(gòu)建，與之相對(duì)應(yīng)的功能塊也應(yīng)組在工程中并下裝到CPU中。

4 結(jié)語

本文圍繞Modbus通訊協(xié)議在DCS以及PLC通訊領(lǐng)域中的應(yīng)用要點(diǎn)展開了詳細(xì)分析與探討，其研究?jī)r(jià)值表現(xiàn)在：通過DCS中的Modbus通訊模塊連接現(xiàn)場(chǎng)支持Modbus工況的設(shè)備或PLC的Modbus模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)分散設(shè)備或異構(gòu)設(shè)備之間的集中統(tǒng)一控制，提高控制效率，降低控制費(fèi)用，并可作為進(jìn)一步研究應(yīng)用PLC與DCS相結(jié)合的自動(dòng)控制方案的基礎(chǔ)。

［1］涂雷，周秀紅.S7－200PLC與ACS550變頻器的 Modbus通訊［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）

［2］崔勇剛.Modbus通訊技術(shù)在連續(xù)重整裝置的應(yīng)用［A］.第五屆全國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)儀表及自動(dòng)化技術(shù)交流研討會(huì)論文集［C］，2006