許暉 柯常國 沈楓

（中國船舶重工集團(tuán)公司712研究所, 武漢 430064）

1 引言

隨著自動化系統(tǒng)中設(shè)備分布日趨分散，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用日益普遍。現(xiàn)場總線系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號裝置和過程調(diào)節(jié)裝置與可編程邏輯控制器（PLC）和 PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，把I/O通道分散到實際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用開銷減少到最小，從而使成本費(fèi)用大大地節(jié)省。另外，標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場總線具有“開放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散I/O裝置和現(xiàn)場設(shè)備[1]。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，不同廠家的控制器之間可以通信，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。在眾多的使用場合，普遍存在各種專用控制系統(tǒng)混合使用的情況，這些專用控制系統(tǒng)包括PLC、數(shù)據(jù)采集器和各種智能儀表，幾乎所有控制系統(tǒng)都具有Modbus 通訊接口，使得系統(tǒng)間變得相對簡單。

某拖動系統(tǒng)由變頻器、異步電動機(jī)、上位監(jiān)控系統(tǒng)組成，該拖動系統(tǒng)采用 HARSVERT-A高壓變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)，變頻器采用西門子S7-200系列PLC。

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用施耐德 M340控制器，M340通過Modbus與變頻器S7-200進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。M340通過Modbus對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控啟動、停止、頻率給定等控制，并實時將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)電氣參數(shù)讀取回來?？刂凭W(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 控制網(wǎng)絡(luò)

2 Modbus簡介

通訊協(xié)議是對數(shù)據(jù)傳送方式的規(guī)定，包括數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)位的定義等通訊雙方必須共同遵守才能正確地傳送數(shù)據(jù)，完成特定的控制功能。Modbus通訊協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制的主從結(jié)構(gòu)式串口通訊協(xié)議，可用于實現(xiàn)簡單的主從結(jié)構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，協(xié)議具有兩種傳輸模式：RTU模式和 ASCII模式，其中 RTU模式信息幀中的 8位數(shù)據(jù)包括兩個4位16進(jìn)制字符，相對于ASCII模式表達(dá)相同的信息只需較少的位數(shù)，在相同通訊速率下較ASCII模式具有更大的信息量。所以通常情況下較多采用RTU模式[2,3]。

在一個通訊系統(tǒng)中，只能選用一種通訊方式，兩種方式不能并用。在我們的應(yīng)用系統(tǒng)中一般使用RTU 的通訊方式，后面的敘述都是以RTU通訊方式為基礎(chǔ)。

Modbus RTU通訊協(xié)議的報文格式如表1所示，它沒有起始位，也沒有停止位，而是以至少3.5個字符間隔時間標(biāo)志開始和結(jié)束，信息幀包括站地址、功能碼、數(shù)據(jù)和CRC校驗構(gòu)成，所有字符位由16進(jìn)制組成。如下表1所示。Modbus 通訊協(xié)議將通訊的雙方規(guī)定為“主站”（MASTER）和“從站”（SLAVE）。每臺從站都有自己的唯一編號，這個編號被稱作從站地址，地址范圍為1-254，通訊時先由主站發(fā)出通訊申請指令字符串，指令字符串由從站地址開頭，從站只接受與自己地址相同的指令字符串，然后根據(jù)功能碼類型，做出相應(yīng)的回答，對發(fā)送給其他從站的指令字符串則不予理會。

表1 RTU模式下的信息幀格式

3 S7-200的Modbus從站設(shè)計

S7-200系列小型 PLC可應(yīng)用于各種自動化系統(tǒng)。緊湊的結(jié)構(gòu)、低廉的成本以及功能強(qiáng)大的指令集使得S7--200 PLC成為各種小型控制任務(wù)理想的解決方案。S7-200產(chǎn)品的多樣化以及基于Windows的編程工具，使您能夠更加靈活地完成自動化任務(wù)。

使用 S7--200的自由端口功能，支持大部分常用 Modbus功能。以下是 S7-200所支持的Modbus功能如表2：

表2 功能碼

S7-200 CPU上的通信口Port0、port1均可以實現(xiàn)Modbus通訊，西門子提供port0作為RTU從站的庫函數(shù)，通過安裝Tool Box可以獲得RTU從站庫進(jìn)行調(diào)用。作為 RTU從站，S7-200需要調(diào)用程序庫“MBUS_INIT”和“MBUS_SLAVE”[4]。

編程時使用SM0.1調(diào)用子程序 MBUS_INIT進(jìn)行初始化，使用SM0.0調(diào)用MBUS_SLAVE，并指定相應(yīng)參數(shù)。關(guān)于參數(shù)的詳細(xì)說明如下：

圖中參數(shù)意義如下：

圖2 調(diào)用Modbus RTU通信指令庫

由子程序參數(shù)HoldStart和MaxHold指定的保持寄存器區(qū)，是在S7-200 CPU的V數(shù)據(jù)存儲區(qū)中分配，此數(shù)據(jù)區(qū)不能和庫內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)有任何重疊，否則在運(yùn)行時會產(chǎn)生錯誤，不能正常通信。另外，Modbus 中的保持寄存器區(qū)按“字”尋址，即MaxHold規(guī)定的是VW而不是VB的個數(shù)。

例子中，設(shè)定Modbus 保持寄存器區(qū)從 VB0開始（HoldStart＝VB0），并且保持寄存器為1000個字（MaxHold＝1000），因保持寄存器以字（兩個字節(jié)）為單位，實際上這個通信緩沖區(qū)占用了VB0～VB1999共2000個字節(jié)。因此分配庫指令保留數(shù)據(jù)區(qū)時至少要從VB2000開始。當(dāng)然保持區(qū)不一定要從VB0開始。

包含Modbus RTU從站指令庫的項目編譯、下載到CPU中后，在編程計算機(jī)（PG/PC）上運(yùn)行一些Modbus 測試軟件（比如MODSCAN）可以檢驗S7-200的Modbus RTU通信是否正常，這對查找故障點(diǎn)很有用。測試軟件通過計算機(jī)串口（RS-232）和PC/PPI電纜連接CPU。如果必要，須將PC/PPI電纜設(shè)置在自由口通信方式。

4 M340的Modbus主站設(shè)計

M340是施耐德電氣UNITY家族的新成員，性能介于TWIDO和Premium之間，M340充分支持工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施自動化控制系統(tǒng)的“透明就緒”架構(gòu)，成為Modicon Premium和Quantum系列產(chǎn)品線的最佳拓展。Modicon M340具有卓越的運(yùn)算能力，能精確進(jìn)行整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，每毫秒可處理7K條指令。CPU 擁有高達(dá)4MB程序空間，最多處理70K條指令，自帶8MB存儲卡，方便程序備份。除了集成USB口、CPU模塊，還內(nèi)置了2個通訊接口( CANOpen、Ethernet或Modbus)，能夠方便高速地連接外部設(shè)備和網(wǎng)路[5]。

本系統(tǒng)CPU采用P34 2010，帶有Modbus通訊口和CANOpen。在硬件配置中設(shè)置如圖3所示。主要設(shè)置參數(shù)如下：

圖3 M340的Modbus設(shè)置

硬件設(shè)置完成后，通訊連接建立。通過軟件編程來實現(xiàn)通訊的數(shù)據(jù)交換。通過調(diào)用READ_VAR和 WRITE_VAR來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。M340作為主站，通過調(diào)用 READ_VAR和WRITE_VAR支持的功能如下表3。

表3 M340的Modbus主站功能

本系統(tǒng)中，與變頻器的數(shù)據(jù)交換通過功能 3和功能16完成，從變頻器讀回來的數(shù)據(jù)從40004到40015，共12個字，包括運(yùn)行狀態(tài)和電氣參數(shù)等，發(fā)送到變頻器的數(shù)據(jù)從40000到40003，共4個字，主要包括啟動停止控制指令和頻率給定等。程序如圖4、圖5所示。

5 結(jié)束語

選用 Modbus現(xiàn)場總線來構(gòu)造控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，不僅降低改造成本，減少接線，提高了系統(tǒng)的智能化和自動化程度，系統(tǒng)監(jiān)控信息更加豐富，而且使整個系統(tǒng)的控制性能得到了很大的提高。經(jīng)試驗驗證，提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性、抗干擾性和可維護(hù)性。

圖4 讀數(shù)據(jù)程序

圖5 寫數(shù)據(jù)程序

[1]陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社, 1999.

[2]Modicon. Inc. Modicon Modbus Protocol Reference Guide, 1996.

[3]GB/Z 19582-2004基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件, 2004,9.

[4]SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊，西門子公司，2008.

[5]Modicon M340 Unity Pro 串行鏈路用戶手冊，施耐德電氣，2006.11.