Modbus RTU串口通信在工業自動化系統中的應用

沈林暉

(中石化鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

Modbus RTU串口通信技術成熟可靠、應用方便、實用性強，可以很容易地實現不同系統之間的數據通信，因此在工業自動化控制系統中被廣泛應用，其應用特點在于：Modbus RTU串口通信開放透明，幾乎所有的自動化控制系統都支持；Modbus RTU串口通信實現成本很低；使用Modbus RTU串口通信技術，便于設備專利商設計可加密保護的專用控制系統，而不受用戶其他系統的限制，這同樣也有利于系統的標準化設計和集成，能夠減少重復性勞動；通過Modbus RTU串口通信，可以大幅減少用戶長距離鋪設模擬信號電纜，降低電纜成本和人工布線成本。采用Modbus RTU通信技術，隨設備引進的控制系統可以很方便地與用戶DCS通信，從而實現用戶所需要的指示、記錄及報警等功能。

筆者在簡要介紹Modbus RTU通信技術工作原理的基礎上，通過幾個實例來說明幾種控制系統的串口通信基本參數設置方法，幾種不同的電氣接口和站間串口通信的接線方式，以及串口通信的軟件編程組態等。

1 Modbus RTU簡介①

Modbus RTU通信協議是以主從(Master-Slave)方式進行數據傳輸的，沒有主站的請求從站不會發送任何數據。在主站和從站數據傳輸的過程中，主站一次只發送一個請求報文到指定的從站，然后等待從站響應；從站得到請求報文后檢查并分析數據包，然后執行報文的請求，之后再返回主站相應的響應報文；主站接收到響應報文檢查數據包，無誤之后再對接收的數據做相應處理，如果檢查有誤則重發請求報文。Modbus RTU串口通信總線上只允許有一個主站，從站可以有多個，而只有主站沒有站地址。主站和從站之間的數據交換是通過功能碼來控制的，不同的功能碼訪問不同的數據區，有的功能碼是對狀態位操作的，有的功能碼是對16位寄存器操作的。功能碼、數據區和用戶級地址(十進制)之間的對應關系見表1。

表1 數據區用戶級地址表示法及訪問權限

用戶只在西門子PLC的編程中用到功能碼，而其余大多系統只需使用用戶級地址就可以了。用戶級地址“1”(00001的簡寫)表示“數字量輸出地址1”，對應的功能碼是FC01/FC05/FC15；用戶級地址“10001”表示“數字量輸入地址1”，對應的功能碼是FC02；用戶級地址“30012”表示“16位整型輸入地址12”，對應的功能碼是FC04；用戶級地址“40012”表示“16位整型輸出地址12”，對應的功能碼是FC03/FC06/FC16。主站的請求報文包括從站地址、功能碼、數據起始地址和數據長度；從站的響應報文包括功能碼、字節計數和寄存器數據。

RS485 Modbus RTU串口通信的電纜最長可達1.2km，電纜的實際允許長度與波特率有關，波特率越大(即傳輸速度越快)允許的電纜長度越短。需要長距離通信時，可以增加中繼器來延長通信距離。

2 Modbus RTU串口通信的實現

RS485 Modbus RTU串口通信一般采用兩線制接線，可以實現多點雙向通信，并且接線時一般會在總線兩邊的末端安裝終端電阻，例如：Honeywell TPS系統的Modbus RTU串口通信，當總線的長度超過305m時要在總線的末端安裝120Ω的終端電阻。

要實現Modbus RTU串口通信，首先要給主站和各從站設置一致的Modbus RTU串口通信的基本參數；然后由施工人員鋪設通信電纜總線并連接到各站的電氣接口上；最后由組態編程工程師對主站或從站進行程序編程或軟件組態。

2.1 基本參數設置

Modbus RTU串口通信的基本參數包括：波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。其中，波特率表示的是傳輸速率，數據位一般默認為8位，停止位一般設為1位(也有兩位)，奇偶校驗可選擇無奇偶校驗、奇校驗或偶校驗。對于掛在同一條Modbus RTU串口通信總線上的所有節點來說，這些基本參數都必須一致。

每個控制系統都有參數設置界面，但所需設置的內容卻不盡相同。PLC、TPS、TRICON和PKS的Modbus RTU串口通信基本參數的設置界面如圖1～4所示。

圖1 西門子PLC從站Modbus RTU串口通信基本參數設置界面

圖2 TPS主站Modbus RTU串口通信基本參數設置界面

圖3 TRICON從站Modbus RTU串口通信基本參數設置界面

圖4 PKS(Nport5630轉換器作主站) Modbus RTU串口通信基本參數設置界面

2.2 電氣接口

不同控制系統或設備的Modbus RTU串口通信電氣接口的成套方式也有所不同，有的是集成在系統或設備中，如西門子的S7-200 PLC及質量流量計等；有的是可插拔的通信卡件，如西門子S7-300/400 PLC采用CP341Modbus RTU串口通信卡，Honeywell TPS采用SIModbus RTU串口通信卡，TRICON系統采用TCM4351B通信卡；有的則采用第三方通信轉換設備，如Honeywell新一代PKS系統采用Terminal Server將Modbus RTU串口通信數據轉換為以太網通信數據。這些通信卡件或設備提供的電氣接口也不盡相同，有的采用端子接線方式，有的采用9針串口，有的采用25針串口，也有的采用RJ45接口，其串口通信電氣接口分別如圖5～8所示。需要注意的是，即便是同樣的電氣接口，不同產品的引腳定義也不盡相同，接線之前一定要查看引腳的詳細說明；終端電阻的要求也有差別，設計時必須根據產品標明的距離和阻值計算后再布線或接線；在Modbus RTU串口通信總線上，一個主站一般最多可以接32個從站。

圖5 Honeywell TPS MC-TSIM12卡件串口通信電氣接口

圖6 西門子PLC CP341卡件串口通信電氣接口

圖7 TRICON TCM 4351B卡件串口通信電氣接口

圖8 Honeywell PKS NPort 5630 設備串口通信電氣接口

2.3 站和站之間的接線

RS485 Modbus RTU串口通信一般采用兩線制接線方式，少數也有四線制接線方式。兩線制接線比較簡單，只要在主站和從站的電氣接口之間將正端和正端相連，負端和負端相連就行。如果采用的是四線制接線方式，那么主站的發送(TxD)端要和從站的接收(RxD)端連接，主站的接收(RxD)端要和從站的發送(TxD)端連接，并且正端接正端、負端接負端。通信設備正端引腳的符號有Data+、T(B)+、R(B)+、TxD+和RxD+，負端引腳的符號有Data-、T(A)-、R(A)-、TxD-和RxD-。符號Data+和Data-只用于兩線制接線方式，TxD、T(A)和T(B)是發送端，RxD、R(A)和R(B)是接收端。兩線制和四線制接線示例如圖9、10所示。

圖9 Honeywell TPS Modbus RTU 串口通信兩線制接線示例

2.4 通信組態

對于用戶而言，大部分設備或系統要實現Modbus RTU串口通信只需進行簡單的參數設置和點組態就可以了，如Honeywell TPS和羅斯門特質量流量計的Modbus RTU串口通信組態，流量計上只需使用275或375手操器在COMM菜單下設置通信協議(RTU)、波特率、奇偶校驗、停止位(1位)和本站地址即可，其他如流量計的寄存器地址是在流量計出廠前就固化好的(表2)，不需要任何操作。在Honeywell TPS 中，只需新建一個Array數組點，并在該點的參數AUXDATA3上設置通信模式(圖2)，在參數AUXDATA4上設置波特率和奇偶校驗(圖2)，并指定要訪問的流量計地址和數據首位寄存器地址(如20247)和通信數據量(如8)就可以訪問質量流量計的數據了。又如TRICON Modbus RTU串口通信組態，只要使用TS1131組態軟件對Modbus RTU串口通信卡設置Modbus RTU串口通信基本參數(圖3)即可，無需編寫通信程序，無需定義寄存器地址(寄存器地址已在工程師定義變量申明時自動生成)。TRICON Modbus RTU串口通信的用戶級地址(在TS1131軟件中稱之為Alias地址)的分配規則見表3。

圖10 西門子PLC Modbus RTU 串口通信四線制接線示例

表2 質量流量計數據/地址對照

表3 TRICON Modbus RTU串口通信用戶級地址分配規則

對于西門子PLC這類非面向Modbus RTU串口通信設計的系統而言，Modbus RTU串口通信的組態相對復雜一些。當西門子PLC作為從站時，CP341通信卡的硬件組態中要選擇Modbus Slave協議，然后在Protocol中設置Modbus RTU串口通信基本參數，并在功能代碼選項卡中設置寄存器區域，最后還要編寫通信程序。在通信程序中，首先是在Blocks中添加發送程序塊FB8和接收程序塊FB7(供Modbus RTU串口通信時后臺調用)，然后在用戶程序中調用功能塊FB80，用它調用后臺程序塊FB7和FB8用于應答主站的數據請求。當西門子PLC作為主站時，CP341通信卡的硬件組態中要選擇Modbus Master協議，然后在Protocol中設置Modbus RTU串口通信基本參數，最后編寫比從站更復雜的通信程序，包括：一個用于發送請求的DB數據塊，該數據塊必須按照標準格式定義主站的請求內容；一個用于接收數據的DB數據塊，該數據塊要有有足夠多的地址，使之能夠存放從站返回的所有數據；程序調用發送功能塊FB8，用于發送請求數據和調用接收功能塊FB7，用于接收從站返回的數據。

3 結束語

Modbus RTU串口通信不但技術成熟可靠、開放透明，而且其應用成本很低，組態及布線等工作量也小，又是不同系統之間實現數據交換的理想方式，因此在大煉油和大乙烯裝置以及新舊裝置中的應用比比皆是。中石化鎮海煉化分公司從美國引進一套最新版的UOP控制系統，也采用Modbus RTU串口通信技術，而且還應用了兩路RS485 Modbus RTU串口通信：一路用于西門子S7-400與TRICON通信，另一路用于TRICON與橫河DCS通信。可見Modbus RTU串口通信仍然是不同自動化系統實現數據交換的首選，未來其應用可能還會遍布工業自動化系統的各個角落。