Modbus简介及其应用解决方案
来源:Juventus9554发布时间:2012-04-0310浏览
询问 AIModbus是一种通信协议，于1979 年由Modicon公司发明，并公开、推向市场，基于主站—从站/客户机—服务器方式连接智能设备，实现设备间的数据交换。Modbus通信几乎可通过任何物理介质实现，如电线、光纤、红外、射频、扩频、微波、卫星等，它还可通过不同网络进行互连，如以太网、ADSL、ISDN、PSTN、ATM、FR等，具有很强扩展能力。<--IWMS_AD_BEGIN-->
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Modbus TCP/IP以太网具有很高的速度性能：响应时间小于10ms，目前可满足工业控制中90%应用需求，其下一个实现目标是：响应时间小于1ms！
由于Modbus是制造业、基础设施环境下真正的开放协议，故得到了工业界的广泛支持，是事实上的工业标准。还由于其协议简单、容易实施和高性价比，所以得到全球超过400个厂家的支持，使用的设备节点超过700万个，有多达250个硬件厂商提供Modbus的兼容产品：如Ebtron公司的空气流监测站；Acrison公司的重量进料控制器；DVT-Cognex公司的图像识别传感器；Flow-serve公司的流量控制器；Honeywell-Eurotherm公司的记录仪；Ormec公司的运动控制器；GE Fanuc公司的PLC产品。另有多达150个软件产品支持Modbus，如Matrikon公司的OPC产品。还有许多开发工具，如Ethereal-Cimetrics公司的协议分析仪；Ergotec公司的Java Beans(www.modbus.org)。
本文介绍基于Modbus的应用及解决方案。
Modbus TCP/IP以太网具有很高的速度性能：响应时间小于10ms，目前可满足工业控制中90%应用需求，其下一个实现目标是：响应时间小于1ms！
由于Modbus是制造业、基础设施环境下真正的开放协议，故得到了工业界的广泛支持，是事实上的工业标准。还由于其协议简单、容易实施和高性价比，所以得到全球超过400个厂家的支持，使用的设备节点超过700万个，有多达250个硬件厂商提供Modbus的兼容产品：如Ebtron公司的空气流监测站；Acrison公司的重量进料控制器；DVT-Cognex公司的图像识别传感器；Flow-serve公司的流量控制器；Honeywell-Eurotherm公司的记录仪；Ormec公司的运动控制器；GE Fanuc公司的PLC产品。另有多达150个软件产品支持Modbus，如Matrikon公司的OPC产品。还有许多开发工具，如Ethereal-Cimetrics公司的协议分析仪；Ergotec公司的Java Beans(www.modbus.org)。
本文介绍基于Modbus的应用及解决方案。
施耐德电气公司所提供的远程终端设备(RTU)是一种工业应用的完整解决方案，主要应用于对远程设备的状态监控和数据采集，它以施耐德电气公司PLC为基础结合用户需求(包括硬件和软件)，完成所有精确控制和数据传输。此方案可用于多种苛刻的工业环境，如图1。
通信协议采用Modbus，RTU在Modbus网络中，可扮演主设备或从设备，也可按需要随时交换主/从角色，速度为1200～19200波特率，8位或7位数据位，可选有/无校验位，一位停止位。
通信接口和介质多种多样，接口有RS-232/485/422多站方式，有线方式有直连线、租用电话线、公用电话线PSTN、局域以太网、广域ISDN、ATM、FR和XDSL等，无线方式有射频(RF)、红外线、微波、扩频和卫星(VSAT)等。因Modbus是面向消息(Message)的协议，故与接口和介质无关，几乎可用所有介质传输，在国内的应用也已涵盖了上述方式。
例外报告可通过标准功能XMIT来实现，完成从设备转换和例外信息的及时发送。整个RTU设备可紧凑地装于NEMA12防锈钢柜或NEMA4X玻璃纤维柜内。电源可选：85～264VAC；24V DC；105～370VDC。
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二 人机界面+可编程控制器+变频调速器应用
这是一种设备制造商(OEM)和传统设备改造时经常使用的方案，典型配置如图2。图中人机界面(HMI)可以是图形或文字的，一般文字型HMI比图形的HMI要价格低廉。图中的变频器(VSD)只画了一台，实际上使用RS-485的多站总线，最多可连接31台。PLC可按工艺要求，对变频器速度进行控制。
完成上述方案的关键是需知道变频器内部的命令字和各参数的寄存器号，以下以施耐德公司ATV58变频器为例说明PLC如何操作变频器：
命令字CMD(变频器地址W400)
位15：1：简单控制方式
位1：=0 串行连接无效
=1串行连接有效
位7：=0
=1 故障复位
位8：=0 激活串行连接控制
=1 取消串行连接控制
位11：=0 正转
=1 反转
位12：=0 运行
=1 停止(减速停车)
位13：=0
=1 直流注入停车
位14：=0
=1 快速停车 字串2
通过PLC的Modbus写命令，把代码发送到W400寄存器中，实现对变频器的控制，举例：
正转运行 CMD=H‘8002’
频率设定 W401 LFR
转速设定 W603 LFRD
反转运行 CMD=H‘8802’
频率设定 W401LFR
转速设定 W603 LFRD
减速停车
CMD=H‘9002’
直流注入停车
CMD=H‘A002’
快速停车CMD=H‘C002’
自由停车CMD=H‘8000’
因设备制造商对价格较敏感，所以也有把上述标准配置进行简化的版本，如图3，控制和操作原理基本相同。
计算机通信结构已从最老的主机/终端(Mainframe-Terminal)，过渡到客户机/服务器(C/S)，再到现今的Web服务器/Browser浏览器方式，本文Web服务指的就是后者。
Web服务实际定义了3个标准：
(1)Web服务器使用HTML语言编程。
(2)Browser浏览器使用因特网浏览器：如微软Internet Explorer、网景公司Navigator等。
(3)网络传输协议为：基于TCP/IP的HTTP协议。
这样，从客户端就可用图形画面来和服务器进行动态交互了。
互联网上Web的出现可与计算机上出现的Windows相媲美，用户可通过图形界面得到网上的各种资源，入网门坎大大降低，上网人数大大增加，这也是这两年为何网站和网民急剧增加的原因，也是为什么微软和网景为争夺浏览器市场份额而拼得你死我活的根源。
既然在IT领域，Web服务已非常成熟和成功，那么能否把它引入工业网络，使用户网络得到增值？答案是肯定的，施耐德公司已对此进行了有益的探索，很多用户也从中受益，取得了很多成果。
1. Web服务的可扩展性
目前，施耐德公司自动化产品中(如NOE、ETY以太网模板)已内置了许多通信和Web服务功能，用户可按自己的需要，实现不同层次的服务。 字串7
(1)层次A：无Web功能，用户可通过TCP/IP Modbus，实现Modbus信息交换和FDR(Faulty Device Replacement，故障设备在线更换)，对设备监控和I/O服务。
(2)层次B：基本Web功能，通过内置web服务器，可对设备进行组态、配置、维护、监视诊断和建立文档，并对网络进行管理。
(3)层次C：可配置的Web功能，用户可自已制作动态网页，实现瘦客户机的人机界面功能，另外，还可实现信息的发布与订阅(也称全局数据功能)、带宽管理、I/O扫描器功能，完成更高一步的所谓“协同自动化”理念，是一种增值服务。
(4)层次D：更有效的Web服务，通过进一步扩展的服务，如将来的分布式控制、更高级的人机界面，以及和IT网络更紧密的连接；如通过电子邮件、手机短信、各种数据库接口，来实现管理网和控制网的无缝集成。
2. Web自动化给用户带来的优势
(1)对操作员：容易使用，因使用相同的浏览工具，而浏览器目前是免费的，还可从网上免费下载。
使用操作界面无需预先的知识和培训，可通过不同超级链接，接至如操作、维护、工艺流程、产品资料等服务器，实现在线学习、操作、维护，以及局域网、本地网、远程网跨区域远程现场设备的监控功能。
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(2)对企业管理人员：低投入、具有扩展性、基于“瘦客户机”的人机界面，使信息可在企业内任何网络级别访问，随时掌握企业产品率、成品率及销售和财务状况，通过与SCM、ERP、CRM等互联，可及时了解市场变化、物流供给和企业资源等信息，保证系统正常运行，创造企业良性循环。
(3)对IT管理人员：因使用标准化通用网络，故信息网和控制已合二为一，减少多重的数据库，减少系统集成的难度，降低总体费用。
由于使用通用组件，从网络、计算机到应用软件都降低了IT的采购开销，(如浏览器、网络计算机、瘦客户机、TCP/IP以太网等)，同时维护与备件费用也很低廉。
通过已有TCP/IP以太网，还可提供各种增值服务，如IP电话、IP视频等。
如用户有兴趣，IT人员还可把局域网接入Internet网，加上若干安全机制，如防火墙、VPN等技术，用户可随时、随地以各种上网方式通过互联网来获取企业内信息。
四 Modbus和Modbus TCP的部分应用举例
(1)半导体制造业
设备：SCADA/PLC；功能：纯净水制作，化学液泄漏检测，清洁厂房空调和设施。
(2)纺织机械
设备：PLC/运动控制；功能：T恤衫口袋自动加装机。 字串9
(3)公共设施，如超市、仓库、商务办公楼等
设备：PLC/PC；功能：配电，空调系统，加热与制冷。
(4)采矿业
设备：SCADA/PLC/DCS/以太网；功能：把远端相关信息送至主站，如火车、卡车运送情况等。
(5)塑料机械
设备：PLC/PC/网络；功能：通过网络对称重系统进行监视和控制。
(6)微电子业
设备：PLC/PC；功能：清洁厂房的空调，空气处理和真空，废料的处理，水处理，原料分配，环境监测，电力监控。
(7)食品和饮料业
设备：PLC/PC/MODEM；功能：对饮料进行可靠、可重复、详细的检测和报告。
(8)水处理行业
设备：RTU/以太网/无线网；功能：功率表结合远程控制，可获得实时检测水泵的美元/加仑值。
(9)水泥制造业
设备：PLC/PC/网络；功能：水泥生产过程的自动化。
(10)核技术
设备：MCC/PLC/网络；功能：控制氚(氢的放射性同位素)的生产。
(11)起重设备
设备：PLC/DC Drives/AC Drives；功能：港口吊装机械的运行控制。
(12)冶金设备
设备：PLC/运动控制/DC Drives；功能：钢板长度的精确切割。
(13)供水系统 字串7
设备：PLC/PC/网络；功能：完成供水系统的监视和控制。
五 Modbus今后的发展
为更好普及和推动Modbus在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已将Modbus协议的所有权移交给IDA(Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口)组织(www.Modbus-IDA.org)，并成立了Modbus-IDA组织，为Modbus今后的发展奠定了基础。作为一家非盈利、独立、基于Web的社团，Modbus-IDA组织的任务是：鼓励自动化设备的独立使用者和制造商，采用Modbus通信协议，使用分布式自动化架构，为多个市场提供相应产品。Modbus-IDA将提供基础平台，使用户能得到和共享协议、应用和认证信息，最终降低使用成本。Modbus-IDA被IEC授予世界领先的电气和服务标准组织“类别D”的联络员身份，目前正参与制造和过程自动化环境的数字化通信方面的定义，且已提交了基于TCP/IP的Modbus和RTPS(Real-time Publish/Subscribe，实时数据的发布与订阅)协议，作为IEC的PAS(Publicly Available Specification，公共可用规范)。
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