Modbus智能仪表与PLC控制系统的通讯.pdf

第3 2 卷 第 4 5 期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 1 年 1 0 月 Mo d b u s 智能仪表与 P L C控制系统的通讯 刘庆利 江西瑞林电气 自动化有限公司， 江西南 昌 3 3 0 0 3 1 [ 摘 要] 介绍 了Mo d b u s 智能仪表与 P L C控制 系统的通讯过程及 两种主要通讯接 入方法 ， 并结合工程 实例 从 系统 稳定性 、 成 本及 是 否参与 连锁 等 方面 对这 两种通 讯 方法进 行 了比较 。 [ 关 键词 ] Mo d b u s 智 能仪表 ； P L C 系统； 通 讯 中 分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 3 4 5 2 0 1 1 0 4 0 0 6 9 0 3 Co mmu n i c a t i o n b e t we e n M o d b u s I n t e l l i g e n t I n s t r u me n t a n d PLC Co n t r o l S y s t e m UU Q i n g l i J i a n g x i N e r i n E l e c t r i cA u t o m a t i o n C o ． ， L t d ． ， N a n c h a n g ， J i a n g x i 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r h a s i n t r o d u c e d t h e c o mmu n i c a t i o n p r o c e s s b e t we e n mo d b u s i n t e l l i g e n t i n s t r u me n t a n d P L C c o n t r o l s y s t e m a n d t wo ma j o r c o mmu n i c a t i o n a c c e s s me t h o d s a n d t h e n c o mp a r e d t h e t wo c o mmu n i c a t i o n me t h o d s i n t e r ms o f s y s t e m s t a b i l i t y ，c o s t ， i n t e r l o e k e d o r n o t ， e t c ． b a s e d o n c a s e s t u d y ． Ke ywor d mo d bu s i n t e l l i g e n t i ns t r ume nt ；PLC s y s t e m；c o mmu ni c a t i o n 随着时代的进步 ， 越来越多的企业 开始 向生产 和管理 自动化转变 。 各种智能仪表不断地应用 到生 产生活的各个领域。在工业控制方面 ， R S 一 4 8 5总线 由于平衡差分传输特性具有的抗 干扰性好 、 传输距 离远 有较大级连能力等特点 ， 非常适合于组成现场 设备级的多机通信系统 。 Mo d b u s R T U规约是 目前 国 际智能化仪表普遍采用的主流通讯协议之一。在各 个工业仪器仪表大量使用的今天 ， Mo d b u s R T U协议 和 R S 一 4 8 5总线得到了最为广泛的应用 。本文 主要 从应用 的角度介绍一个 P L C ／ D C S控制 系统合理有 效地读写 Mo d b u s 协议的智能仪表设备的方法。 1 M0 d b u s 通讯 协议 Mo d b u s协议是 MO D I C O N公 司开发推行 的通 信协议 ， 已经成为一种广泛应用于工业 自动化控制器 上的标准通信协议。 通过该协议， 不同厂商生产的控制 设备可以进行工业网络互联， 从而实现集散控制lll。 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 4 作者简介 刘庆 1 9 8 3 -- ， 男 ， 主要从事仪表 自动化相关 T作 。 Mo d b u s 协议采用主从工作方式 ， 允许一台主机 和多台从机通信 ， 每 台从机地址 由用户设定 ， 地址范 围为 1 - 2 5 5 。 通信采用命令／ 应答方式 ， 每一种命令帧 都对应一个应答帧。 命令帧由主机发出， 所有从机都 将 收到报文 ， 但只有被寻址的从机才会响应相应命 令 ， 返 回相应的应答帧。Mo d b u s R T U的数据包格式 见表 1 。 表 1 Mo d b u s R T U的数据包格式 项 目 数据 项 目 数据 起始位 T 1 一 T 2 一 T 3 4 数据 N个 8 b i t 设备地址8 b i t C R C校验码 1 6 b i t 功能代码8 b i t 结束位T I T 2 - T 3 一 T 4 Mo d b u s 提供了高效 、 标准化的方法在终端 R T U 1 或可编程控制器 P L C 和监控 电脑 之间传输数字状 态 和数 据 。 Mo d b u s组 织 提供 免 费 的 规格 书和 协 议 ， 可以获得大量的关于 Mo d b u s 应用 的开放资源。 通过 R S 一 4 8 5总线 进行 Mo d b u s 硬件连接 的设备在 工业中具有低成本的优势 ， 并且非常流行[2 1 。 7 0 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 2卷 2 通讯 实例介绍 把仪表信号接人控制系统的常用方法有两种 ， 如图 1 所示 。 图 1 仪 表 通 讦【 援 入 常 用 方法 2 ． 1 仪表通讯接入方法 1 方 法 1 需要在 P L C系统安装一块 支持 Mo d b u s 通讯协议 的卡件， 例如西门子 s 7 3 0 0系统中的C P 3 4 1 模块， 罗克韦尔 A B P L C系统中的 M V I 5 6 模块等。 以 西 门子 P L C系统 与 WB 5 1 J C 0 1温度巡检仪 的通讯 过程为例， 设置 P L C系统为 M o d b u s 主站， 智能温度 巡检仪为从站 。 C P 3 4 1模块是西 门子 7 --3 0 0 ／ 4 0 0系列 P L C中 的串行通讯模块。 该模块具有 1 个串行通讯 V I R S 2 3 2 C 或 r I T I ’Y或 R S 4 8 5 ／ 4 2 2 1 ， R S 4 2 2 ／ 4 8 5的通讯 最 大距离 为 1 2 0 0 m， 支持 M0 d b u s R T U远程终端 ， 电气 接 口 为 l 5针 D型孔接头 。 使用这种通讯模块 可以实现 7 3 0 0 ／ 4 0 0与其它多种 串行通讯设备的数据交换 ， 如 同时连接多个变频器 、 连接多个智能仪表等。 如果采 用 R S 4 2 2 ／ 4 8 5 M0 d b u s R T U通讯方式 ， 需要在发送的 数据包中包括站号、 数据区、 读写指令等信息 ， 以供 C P 3 4 1 模块所连接的从站设备鉴别数据包是发给哪 个站的 ， 以及该数据包是对哪个数据区进行的读或写 的功能 。 首先在 S T E P 7编程软件 中组态 C P U及 C P 3 4 1 ， 其 中 C P 3 4 1 模块需要相应的软件 D o n g l e来驱动。 设 置 Mo d b u s 总线传输速率和帧字符结构 ， 本例设置传 输速率为 9 ． 6 k b i t s ／ s ， 帧字符 1 一 - e - l ， 即 1 位 起始 位， 8 位数据位， 偶校验， 1 位停止位。 设置电气接口， 选择半双工 R S 4 8 5 ， 各从站 的电气接 口标准与主站 一 致 。WB 5 1 J C 0 1 温度巡检仪有标准的 R S 4 8 5通讯 口， 可直接与 C P 3 4 1模块通讯 ， 专用参数提示 符如 下 Ad d r 为仪表编号 ， 范围为 0 ～ 9 9 。b A U d为通讯波 特率 ， 范 围为 3 0 0 ～ 9 6 0 0 。这里设置传输速率与主站 一 致 即 9 ． 6 k b i t s ／ s 。通讯格式为 1 个启始位 ， 8个数 据位 ， 偶校验 ， 1 个 停止位 。C P 3 4 1模块的程序编写 方法[3 ]有如下三种 1 C P 3 4 1 发送模块的发送程序主要是通过调用 功能块 F B 8来实现 。F B 8 是基于上升沿触发工作的 来一个上升沿 ， F B 8工作一次 ， 向总线上发送一个请 求数据包 。所以在程序 中一定要设计一个触发代码 段， 从而不断地使 F B 8的参数 R E Q循环往复地置“ 1 ” 置 “ 0 ” ， 这样 F B 8就可以正常运行了。 在设计程序时一定要注意 F B 8的参数 S F ‘ S ’ 及 R J Y P ‘ X’ 的值都是 大写 ， 否则 程序调试 不成 功。F B 8 需要一个一般由系统 自动生成 的背景数据 块 ， 在本例 程序 中为 D B 3 。通 过 C P 3 4 1的 Mo d h u s Ma s t e r 驱动 通讯 的发送 模块需 要设计 发送数 据块 D B块 ， 用来对主站发送参数进行设置和初始化。 2 C P 3 4 1 接收程序 的设计。 接收程序是调用 F B 7 来实现的。由于 C P 3 4 1 可以处理接收程序的细节部 分 ， 因此对于设计者来说只需要进行简单 的设计就 可以实现数据的接收。接收程序同样也需要设计背 景数据块 本例中为 D B 4 4 块 和接收数据块 本例 中为 D B 5块 。 3 1 装载设计好的发送接收程序 F C 1与 F C 2 。本 例 的 C P 3 4 1作为 Mo d b u S 主站 轮询访问多个从站 ， 根据实际需要构造不同功能码指令 ， 可读写不同从站 的不 同地址空间。本例对通讯故 障的处理方式是简 单地放弃当前作业 ， 并触发下一个作业 ， 实际运用中 可根据实际情况判断是否需要重发或进行其他故障 处 理 。 2 _ 2 仪表通讯接入方法 2 方法 2是直接将信号接人上位监控机 ， P C机一 般 没有 R S 4 8 5接 口， 但都有 R S 2 3 2串行接 口， 因此 采用一个 R S 2 3 2 ／ 4 8 5转换器 ， 可将 R S 2 3 2串行接 口 直接转换成 R S 4 8 5接 口， 再通过 R S 4 8 5总线 与智能 仪表相连 ， 如图 2 所示 。 图 2 仪表通 讯接入 方法 2 第 4 5期 M o d b u s智能仪表与 P L C控制系统的通讯 ． 7 1． 采用这种方式读 取仪表数据可 以采用 O P C方 式。 在上位监控计算机上安装 Mo d b u s O P C S e r v e r 软 件 ， 在此软件 中设置每个智能仪表 的 Mo d b u s 地址 ， 然后根据智能仪表提供的数据地址与编码把需要 的 数据建成变量 。 再通过上位机组态软件浏览所建立 的 O P C服务器 中的变量并进一步创建为组态软件 中的变量 ， 从而可以对变量进行读写操作。 以某高压水泵房具体应用为例 ， 由于早期设计 的原 因， 在水泵的操作监控电脑上没有显示水泵 电 流的信号 ， 操作人员必须到较远处的综保装置上查 看相关数据 ， 极为不方便 。 综保装置为施耐德公 司的 S e p a m 4 0系列支持 Mo d b u s 通讯方式 。由于原控制 水泵操作 的 P L C机架上没有支持 Mo d b u s 协议的卡 件 ， 因此采用上 述 O P C方式读取 所需数据 。在将 S p e a m 4 0接入 Mo d b u s网络前 ， 需要设定基本通讯 参数 ， 参数在断电时也可以保存。 本例设置传输速率 设置为 9 6 0 0 b i t s ／ s ， 分配给 S p e a 13 1 4 0的子机号 ， 即 Mo d b u s站地址 ， 本例 的 5台综保装 置分别设 置为 1 1 、 1 2 、 1 3 、 1 4 、 1 5 ， 校验方式设置为偶校验。 在 O P C软件方面按照综保装置 的地址添加设 备 ，在每个设备 内部按照综保提供的数据地址与编 码创建相应的变量。如本例要读取 的三相 电流的寄 存器地址分别为 l 6 进制的 0 1 1 3 、 O l l 4 、 0 1 1 5 ， 可根 据情况对综保装备设置合适 的扫描时间 ， 扫描时间 太短会增加系统负担， 因此本例设置扫描周期为 1 s 。经过 以上设置可 以在上位机组态 软件中通过 O P C服务器浏览 5台电机 的 A、 B、 C向的电流 ， 并分 别建立对应的变量 然后就可 以利用上位机软件提 供的一些功能， 如趋势功能记录电机运行时的电流， 分析电机启动时的电流峰值等。 工程实施后满足了操 作人员在操作台查看电机 电流的需要 ， 得到了操作人 员的认可。 另外也可 以采用上位机组态软件提供 的 V B A 或 V B S集成环境编 写串 口通讯程序读取仪表的数 据 ， 但对编程人员 的高级语言编程能力要求较高 ， 这 里不再赘述 。 2 ． 3 两种通讯结构特点分析 采用方式 1 可以使仪表信号更好地参与系统连 锁 ， 而且 P L C的稳定性大大高于上位机监控系统 ， 缺 点是成本较高 ， C P 3 4 1模块和软件驱动 D o n g l e都需 要购买且价格较高。采用直接接人 P C机虽然也可以 使信号参与过程连锁 ， 但实时性和稳定性都较差 ， 优 点是可以减少硬件成本 ， 尤其对于已经存在的控制系 统来说 ， 不需对原 P L C系统重新组态 ， 可 降低工程 实施的风险。 3 结束语 目前大量支持 Mo d b u s 协议 的智能仪表设备 ， 如 变频器 、 综保装置以及各种监测计量仪表等在工业 现场有非常广泛 的应用 。 仪表设备与控制系统 的通 讯是经常碰到 的问题 ， 编程调试人员和现场维护人 员要从稳定性 、 成本及是否参与连锁等各个方面综 合考虑选择最佳的通讯方案。 参 考文 献 【 1 ]潘洪跃． 基于M o d b u s 协议通信的设计与实现叨． 计量技术， 2 0 0 2 4 ． [ 2 ]于树新． M o d b u s 协议在 D C S 通讯中的应用[ J ] ． 仪器仪表与分析监 测 ， 2 0 0 7 1 ． [ 3 】李正军．现场总线及其应用技术[ M ] ．机械工业出版社， 2 0 0 5 ．