【摘 要】在同一個(gè)RS485總線上如果有多臺(tái)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備需要采集多個(gè)不同的量，那么每個(gè)量的單次刷新時(shí)間會(huì)受到很大的影響。特別是在做控制時(shí)，控制命令下發(fā)后其控制結(jié)果的返回一般需要檢測(cè)DI的變化，但是如果鏈路上數(shù)量較多，其刷新會(huì)有較大延遲，但是控制系統(tǒng)需要及時(shí)的返回動(dòng)作結(jié)果以進(jìn)行下一步相關(guān)動(dòng)作，因此這個(gè)矛盾就更加突出。通過MODBUS通訊規(guī)約的深入研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，我們對(duì)主站端和客戶端做了部分改進(jìn)，并且在現(xiàn)場(chǎng)得到了良好的應(yīng)用，現(xiàn)就其實(shí)現(xiàn)方法做一下簡(jiǎn)單的說明。

【關(guān)鍵詞】MODBUS 控制

隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)控制領(lǐng)域向的集成度、時(shí)時(shí)性和可靠性越來越高。目前工業(yè)控制設(shè)備與控制系統(tǒng)的連接主要有以太網(wǎng)、Profibus總線、DevisNET總線、RS485總線等。RS485總線由于其價(jià)格低廉，接線方便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量較小的設(shè)備上；同時(shí)Modbus規(guī)約作為一種簡(jiǎn)單、易用的設(shè)備通訊語言，在工業(yè)控制領(lǐng)域也得到廣泛的運(yùn)用。因此在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了大量的支持RS485帶Modbus規(guī)約的設(shè)備，這些設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用過程中能快速的連接和調(diào)試，深受現(xiàn)場(chǎng)工程師和用戶的好評(píng)。

一、Modbus總線的工作方式

Modbus總線采用問答式交換數(shù)據(jù)，總線上設(shè)置一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)，理論上最多可以253個(gè)從機(jī)（地址00和FF保留）。工作時(shí)主機(jī)下發(fā)查詢或?qū)懭雸?bào)文，其報(bào)文中包含從機(jī)地址信息，從機(jī)收到報(bào)文后檢查報(bào)文中的地址是否為本機(jī)地址，如果是本機(jī)地址，則執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的操作然后回復(fù)與之對(duì)應(yīng)的報(bào)文，如果不是本機(jī)地址，則將報(bào)文丟棄。

在Modbus報(bào)文中其地址為一個(gè)字節(jié)，因此單個(gè)總線上從機(jī)最多為253個(gè)，但是鑒于通訊數(shù)度和通訊通道電氣負(fù)載的影響，一般建議每條總線不超過32個(gè)從機(jī)。

二、Modbus總線通訊的效率

根據(jù)Modbus協(xié)議的規(guī)定，主機(jī)對(duì)從機(jī)數(shù)據(jù)的讀取可以是單個(gè)BIT位的讀取（功能碼01，02），也可以是單個(gè)寄存器的讀?。üδ艽a03，04）。根據(jù)它的特性，在產(chǎn)品的實(shí)際研發(fā)中，通常將設(shè)備模擬量輸入用于單個(gè)寄存器的讀取，開關(guān)量輸入使用單個(gè)BIT位的讀取。這樣每次完全訪問一個(gè)設(shè)備至少需要兩條報(bào)文，如果在地址不連續(xù)的狀態(tài)下，其報(bào)文數(shù)量可能還會(huì)更多。

以上海致維的L7低壓馬達(dá)保護(hù)為例，其開關(guān)量使用02功能碼，放在0010H～001bH中；模擬量使用03功能碼放在0097H～00b1H，電度放在0004H～0009H里面。其地址不連續(xù)，功能碼也不一樣，要將其數(shù)據(jù)全部讀取至少需要下發(fā)3條報(bào)文，返回3條報(bào)文，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試在9600波特率的情況下整個(gè)過程大概在360ms左右，即主機(jī)每下發(fā)一條報(bào)文至從機(jī)返回結(jié)束大概時(shí)間為120ms左右。

三、Modbus總線在現(xiàn)場(chǎng)碰到的問題及改進(jìn)

（一）實(shí)際運(yùn)用中的問題

在浙江醫(yī)藥有限公司昌海項(xiàng)目中，每個(gè)生產(chǎn)車間都配備了上海致維的低壓馬達(dá)保護(hù)，單個(gè)車間配置最多的達(dá)到260臺(tái)。在設(shè)計(jì)時(shí)在每個(gè)車間配置了一臺(tái)帶16個(gè)RS485通訊口的通訊管理機(jī)用于采集馬達(dá)保護(hù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到DCS和電力監(jiān)控系統(tǒng)。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)刷新平均時(shí)間在6S左右，有的甚至超過了30S，這個(gè)刷新頻率對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)都是無法接受的。

（二）問題分析

1. 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)采用TCP/IP的以太網(wǎng)Modbus和IEC104規(guī)約，由于這兩個(gè)的傳輸介質(zhì)是以太網(wǎng)，其通訊基本沒有延遲，因此數(shù)據(jù)刷新慢的問題不是由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)造成的。

2. 車間的馬達(dá)保護(hù)260臺(tái)、16個(gè)串口的情況下，每條RS485的鏈路上大約有16臺(tái)馬達(dá)保護(hù)，根據(jù)我們之前的測(cè)試，可以算出正常情況下數(shù)據(jù)的刷新頻率為：16×3×120=5760ms，這個(gè)時(shí)間和我們現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試的時(shí)間大致相同。造成這個(gè)問題的原因主要有兩個(gè)：一個(gè)是鏈路上的設(shè)備數(shù)量多；另一個(gè)原因是由于功能碼不一致和寄存器地址的不連續(xù)。

3. 調(diào)試過程中還發(fā)現(xiàn)，在低壓系統(tǒng)中，由于有些設(shè)備是備用，馬達(dá)保護(hù)由于沒有輔助電源而處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，主機(jī)在下發(fā)查詢指令后由于馬達(dá)保護(hù)都處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，所以沒有任何數(shù)據(jù)返回，主機(jī)就會(huì)延時(shí)1S，由此造成通訊延時(shí)非常嚴(yán)重。比如鏈路上只有1臺(tái)設(shè)備正常工作，其余處于備用狀態(tài)，那么這一臺(tái)設(shè)備的刷新頻率為：1×3×120+15×3×1000=45360ms。因此我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)有設(shè)備的刷新頻率在30S左右。

（三）改進(jìn)方案

1. 增加馬達(dá)保護(hù)Modbus通訊點(diǎn)表自定義

在馬達(dá)保護(hù)中開辟出一個(gè)新的地址段0200H～0300H用于自定義，該地址段使用03功能碼進(jìn)行讀取，將需要使用的模擬量數(shù)據(jù)以整個(gè)寄存器的方式映射到該地址段里面；將開關(guān)量以位的方式映射到該地址段中，自定義地址段中每個(gè)寄存器可以映射16個(gè)開關(guān)量位置，上位機(jī)采集后再做相應(yīng)解析即可。

2. 增加通訊降級(jí)處理

所謂的通訊降級(jí)，是指判斷某從機(jī)離線（從機(jī)斷電或故障）后，降低對(duì)從機(jī)的訪問頻率，以減少通訊等待的時(shí)間，提高正常設(shè)備的訪問數(shù)度。比如，判斷某設(shè)備離線后，降低為5分鐘查詢一次，如果查詢到該設(shè)備正常后，將該設(shè)備訪問頻率重新調(diào)整為正常頻率。這樣有效避免了因?yàn)樵O(shè)備離線造成的通訊延遲而影響數(shù)據(jù)刷新頻率。這樣可以大大減小由于設(shè)備離線造成的通訊延遲。

（四）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用效果

在完成以上改進(jìn)方案后，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)刷新頻率在2s左右，較以前有很大的提高，而且沒有出現(xiàn)過之前需要好幾十秒才刷新的情況。如果將鏈路上的設(shè)備關(guān)掉15臺(tái)，只保留一臺(tái)的極端情況下，其長(zhǎng)時(shí)間刷新頻率在200ms左右，由于每隔5分鐘要查詢一次不在線設(shè)備偶爾會(huì)在3s左右，但是大多數(shù)時(shí)間其刷新頻率反而有了提高。