摘要：
工業(yè)控制已進入網(wǎng)絡(luò)時代，在如今工控技術(shù)和工控產(chǎn)品百家爭鳴的時代，各種不同設(shè)備之間的通訊已成為一個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。Modbus工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是解決這一問題的一種利器。本文簡單闡述了Modbus協(xié)議的基本原理，并結(jié)合澀寧蘭輸氣管線SCADA系統(tǒng)中Modbus協(xié)議的實際應(yīng)用，介紹了Modbus應(yīng)用的一般方法和注意事項。
主題詞：
Modbus 幀 ASCII模式 RTU模式 SCADA RS-485
Modbus 協(xié)議是Modicon 公司開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，通過這個協(xié)議，各種不同的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)可相互進行通訊，由于其具有高度的可操作性和開放性，Modbus 協(xié)議已經(jīng)成為一種通用性很強的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。許多不同品牌、不同廠家的設(shè)備之間都可通過該協(xié)議交換數(shù)據(jù)。澀寧蘭輸氣管線SCADA系統(tǒng)應(yīng)用了多種通訊和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使各種設(shè)備有機的結(jié)合在一起，成為一個完整的三級集散控制系統(tǒng)，Modbus 協(xié)議是其中一種重要的協(xié)議。
Modbus 協(xié)議簡介
一、 Modbus的通訊過程
Modbus協(xié)議定義了一種信息結(jié)構(gòu)，這種信息結(jié)構(gòu)可以被所有支持該協(xié)議的各種設(shè)備在通訊時認可和使用。它描述了控制器向其他設(shè)備發(fā)出查詢的過程以及其他設(shè)備如何進行應(yīng)答，以及錯誤的檢測和報告。
Modbus協(xié)議采用master-slave(主-從)的技術(shù)。在一個Modbus總線上，只能有一個master，而slave最多可有247個，地址為1——247。進行通訊時，只有master才可以發(fā)起一個“查詢”，充當slave的設(shè)備不斷的檢測，當檢測到有自己地址的“查詢”時，就會向master發(fā)出一個“回應(yīng)”，或者根據(jù)master的命令采取相應(yīng)的動作。當master發(fā)出的“查詢”是一個“廣播”（地址碼為0）時，所有的slave都執(zhí)行master的命令，但不向master發(fā)出回應(yīng)信息。
二、 Modbus的幀
在網(wǎng)絡(luò)通信中，數(shù)據(jù)都是以“包”（Packet）或 “幀”（Frame）的形式進行傳輸，“包”和“幀”含義基本相同，均指通信中的一個數(shù)據(jù)塊。對于某種具體通信網(wǎng)絡(luò)，一般使用術(shù)語“幀”。在Modbus協(xié)議中，引用了“幀”（Frame）作為通訊過程中的數(shù)據(jù)單位，Modbus中的“幀”由以下幾部分組成：
1、標志位：表示一個“幀”的開始。
2、地址位：表示該“幀”的信息是發(fā)給哪一個slave的，或是由哪個slave發(fā)出的信息。
3、功能代碼：表示指令，在Modbus協(xié)議中，有一系列代碼表示不同的指令，例如：代碼“3”表示讀數(shù)據(jù)。
4、數(shù)據(jù)位：是對功能代碼的進一步補充與說明，說明指令的具體內(nèi)容。
5、校驗位：CRC或LRC校驗。
6、停止位：表示該“幀”的結(jié)束。
每部分的位數(shù)和表示方法依采取的模式不同而略有區(qū)別，下文將詳細論述。
三、 Modbus的兩種通訊模式
在Modbus協(xié)議中，依數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中的具體形式不同，分為兩種模式：ASCII 和 RTU，采用哪種模式由用戶自己根據(jù)需要進行選擇。在選擇時，同一Modbus網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備的模式選擇必須一致。
1、 ASCII模式
ASCII（American Standard Code for Information Interchange)，即美國信息交換標準代碼。在這種模式中，每個8比特的字節(jié)被轉(zhuǎn)換兩個ASCII字符進行傳送。這種模式的主要優(yōu)點是傳送的每相鄰的兩字節(jié)之間允許最大的時間間隔是1秒。
表一：ASCII模式的幀格式在此幀中：
幀是以一個冒號（：）來做為開始的標志；以CRLF（carriage return-line feed即“回車-換行”）為結(jié)束標志；
代碼系統(tǒng)采用十六進制，ASCII字符0...9，A...F
每個ASCII字符由一個16進制的字符組成；
每個字節(jié)中包括：1個開始位；7個數(shù)據(jù)位（低位先傳送）；1個奇偶校驗位（無奇偶校驗時為0位）；1個（有奇偶校驗時）或2位（無奇偶校驗時）停止位；
ASCII模式采用LRC（縱向冗余校驗）檢錯方法。
2、 RTU模式
RTU(Remote Terminal Unit)，即遠程終端單元，這種模式的特點是信息中每個8比特的字節(jié)被轉(zhuǎn)換為兩個4比特的十六進制字符來傳輸。它的優(yōu)點是更大的數(shù)據(jù)密度使它在相同的波特率下比ASCII模式有更強的數(shù)據(jù)吞吐能力。
表二：RTU模式的幀格式在此幀中：
該幀是以一個相當于至少3.5個字節(jié)傳輸時間的空閑做為開始和結(jié)束的標志；整個幀的所有數(shù)據(jù)必須連續(xù)傳送，如果中間間隔超過1.5個字符傳輸時間，接收設(shè)備會認為下一個字符為一個新幀的開始，即為一個地址碼；
代碼系統(tǒng)采用8位二進制，十六進制數(shù)0...9，A...F；
信息的每個8比特字符由兩個16進制的字符組成；
每個字節(jié)中包括：一個開始位；8個數(shù)據(jù)位（低位先傳送）；1個奇偶校驗位（無奇偶校驗時為0）；1個（有奇偶校驗時）或2位（無奇偶校驗時）停止位；
ASCII模式采用CRC（循環(huán)冗余校驗）檢錯方法。
四、 Modbus與其他網(wǎng)絡(luò)的通訊
Modbus網(wǎng)絡(luò)可以通過設(shè)備內(nèi)置的部件或網(wǎng)絡(luò)適配器與其他兼容Modbus的網(wǎng)絡(luò)進行通訊。在其他網(wǎng)絡(luò)上，Modbus協(xié)議的有關(guān)信息將被植入該網(wǎng)絡(luò)的幀或數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中，以完成信息的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換還可以解譯節(jié)點的地址、路徑和檢錯方法等。
在其它網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對等（peer-to-peer）技術(shù)通信，故任何控制器都能發(fā)起一個和其它控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設(shè)備（master）也可作為從設(shè)備（slave）。多個內(nèi)部通道可允許多個傳輸進程同時進行。
在傳送消息時，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對等”的方式，但Modbus協(xié)議仍然遵循“主—從”原則。當一個控制器發(fā)送一個消息，并期望從其他設(shè)備得到回應(yīng)時，它是做為“主”設(shè)備，。同樣，當該控制器接收到一消息，它將建立一個“回應(yīng)”格式的信息返回給發(fā)送的控制器。這時，他充當?shù)氖恰皬摹痹O(shè)備
Modbus 協(xié)議在澀寧蘭SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用
應(yīng)用原理
在澀寧蘭SCADA系統(tǒng)中，Modbus充當?shù)氖沁B接流量計算機和PLC的數(shù)據(jù)橋梁。流量計算機從現(xiàn)場儀表采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，計算出瞬時流量、累計流量等流量參數(shù)，再通過Modbus將必要的數(shù)據(jù)傳至PLC中，經(jīng)PLC進行必要的處理后，顯示在上位機上供生產(chǎn)運行之用。流程如下圖：
圖1：流量參數(shù)的數(shù)據(jù)流向示意圖調(diào)試過程
一、 接線
澀寧蘭SCADA系統(tǒng)的PLC采用的是A-B公司的contrologix，其遠程I/O機架上有一塊通訊模板，叫做MCM（Modbus Conmminication Model）,即Modbus通訊模板。MCM模板在Modbus和PLC的背板之間充當一個網(wǎng)橋，同時也是Modbus總線的Master。若干臺流量計算機與MCM模板按照RS-485接口標準，通過DB9串口連接器連接成一個Modbus網(wǎng)絡(luò)，接線圖如下（以兩臺流量計算機為例，多臺可順次并聯(lián)）：
圖2：MCM模板與流量計算機通訊接線圖注意事項：
1、 MCM模板提供的是RJ45的接口，可利用廠家提供的RJ45-- DB9轉(zhuǎn)接線，也可以直接用RJ45接線，方法為：RJ45玻璃體從前直視，自左向右依次為1-8，與DB9接頭1-8端一一對應(yīng)。本工程采用后者，好處是減少接線次數(shù)，提高通訊的穩(wěn)定性。
2、 通訊介質(zhì)采用超五類屏蔽雙絞線，主要是考慮RJ45接頭的連接。我們在實驗時曾用過一般導(dǎo)線，對通訊效果并無影響?？梢奙odbus對通訊介質(zhì)并無特殊要求。
3、 連線應(yīng)盡量短，夠用即可，不僅看起來整齊，而且對于不同設(shè)備間的通訊，盡量短的線總是穩(wěn)定性要好的多。
4、 導(dǎo)線一定要保證完好無損，接頭一定連接緊固，要反復(fù)測試確認。因為在調(diào)試過程中，任何一點的虛接都可能造成通訊的失敗，而且極難查找原因。一個可靠的硬件連接可省去調(diào)試過程中很多不必要的故障和故障查找的步驟。
5、 RS-485總線通訊在連線時只需遵循一個原則，那就是收對發(fā)，發(fā)對收。確認此連接無誤，若其他沒有問題，一定會成功。
二、 設(shè)備組態(tài)
在此網(wǎng)絡(luò)中，MCM模板充當Master，流量計算機為slave。對所用的MCM模板的端口設(shè)置如表三，流量計算機相應(yīng)端口設(shè)置如表四：
表三：MCM模板的端口設(shè)置
表四：流量計算機的端口設(shè)置 其他相關(guān)設(shè)置項根據(jù)實際需要進行設(shè)置。
設(shè)備設(shè)置時一定要注意根據(jù)不同設(shè)備的不同要求，兩端的設(shè)置相對應(yīng)的項一定要相同。
三、 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法：
1、 在利用Modbus通訊的過程中，遇到這樣一個問題，即浮點數(shù)的傳輸問題。因為一般浮點數(shù)都是32位，而Modbus總線中只能傳輸最多16位的數(shù)據(jù)。
解決方法：可以利用兩個整形數(shù)傳送一個浮點數(shù)（即將一個32位的二進制數(shù)分割成兩個16位的二進制數(shù)），傳送完以后，再將兩個整形數(shù)整合為一個浮點數(shù)。
2、 在調(diào)試過程中，當數(shù)據(jù)傳輸至PLC中后，最初發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)并不是原來的數(shù)值，而是一些莫名其妙的數(shù)據(jù)，要么大的離譜，要么是負的多位數(shù)。
經(jīng)過反復(fù)的嘗試，終于發(fā)現(xiàn)問題所在，原來，在Modbus總線中，數(shù)據(jù)傳輸時是低位字節(jié)先傳送，傳送過來后如果不進行交換，二進制的數(shù)值排列是反向的，即原來的低字節(jié)在高位，高字節(jié)在低位，所以得到的數(shù)據(jù)和原數(shù)據(jù)相差甚遠。只要將數(shù)據(jù)的高低位字節(jié)進行交換（swap位置1<
