一種基于ModBus協議的工程師站通訊系統的建立

摘 要：本文研究并建立了遵照開放系統互聯模型（OSI模型），并基于ModBus協議的工程師站通訊系統，通過此系統實現了工程師站在現場總線上對5條高速腈綸紡絲生產線同時進行在線實時監控的功能。
關鍵詞：OSI模型；ModBus協議；工程師站
一、引言
ModBus通訊協議正被廣泛應用于工業自動化控制領域的通訊系統當中，其中德國西門子的控制設備（如PLC）大多采用此協議進行與工程師站PC機之間的通信。大慶石化總公司腈綸廠腈紡生產線工程師站便是基于ModBus協議，采用PC機，通過現場總線完成對生產線上各工位速度監測，同時在線調節改變各工位速度的操作系統。用PC機實現過去中型機DCS的主要功能是一種新方案，同時它擴展了DCS不具備的在線速度給定功能，提高了生產效率，給腈綸廠帶來直接的經濟效益。
腈綸生產線控制系統采用由PC機、PLC控制器、現場總線組成的總線式網絡設計方案?？偩€結構如圖1。

工程師站在現場總線上通過ModBus協議與5條生產線上的PLC進行通信，并進行控制（包括數據讀取和數據寫入）來實現對5條生產線上各工位的在線控制，因此，工程師站與PLC之間基于ModBus協議的通信系統的建立就成了工程師站工程實現的關鍵。
二、工程師站通信系統的建立
工程師站通信系統采用了國際標準化組織（ISO）制定的開放系統互連模型（OSI）。OSI模型的目的是在不需要改變系統軟硬件邏輯結構的條件下，使不同系統間的通信變得可能。OSI模型不是一套特定協議，而是用來理解和設計一個靈活和可互操作的網絡體系結構的模型。該模型由七層組成，在此系統中采用其中的五層。
1、物理層的建立
物理層是最低的參考模型層，它與物理媒體（Physical media）直接接口。它定義了基本連接的機械和電氣特性，包括把兩個節點連接在網絡上的電纜、連接口等等。物理層同時支持單工、半雙工和全雙工模式通信。工程師站通信系統采用了半雙工模式通信。
通信系統的通信電纜選用德國西門子專用通信電纜6XVI830．
PC機輸出端口為232信號，而232信號易受噪聲干擾，不適合遠距離傳輸，而工業上通常采用抗干擾能力較強的485信號，來適應較遠距離傳輸及復雜的工業環境，因而工程師站用232/485信號轉換器實現PC機與PLC之間的信號轉換。
因為有5條生產線，系統采用1個PC機232端口通過總線與5條生產線通信。因為工藝要求采樣精度一般為數百毫秒，因而可以通過巡回采樣滿足生產要求。如果有更多的生產線或要求更高的速度，可采用星形連接或更多的232端口。
2、數據鏈路層的建立
數據鏈路層負責將數據單元（比特組）從一個站點送達下一個相鄰站點。同時數據鏈路層定義了檢測糾正在物理媒體中進行數據傳輸時產生的差錯的協議。數據鏈路層對異步通信進提供差錯檢測，在高層軟件（或高層硬件）中糾正這些差錯。
本通信系統采用串行異步通信，用奇偶校驗碼進行數據鏈路層的差錯檢測。
3、網絡層的建立
網絡層用于處理當數據從工程師站（PLC）傳遞到PLC（工程師站）時的路由選擇功能。這一層提供必需的編址（Addressing）以通過互連不相鄰開放系統間的中間節點或系統。
本系統采用ModBus協議中的RTU模式（ModBus協議中的一種模式）進行現場總線上的編址。通過各個PLC不同的地址來區分總線上信號的設備，已決定相應的路由。
4、表示層的建立
表示層保證了工程師站與PLC之間的互可操作性。負責控制雙方發送數據的語法，以及對在這兩個系統之間傳送的數據進行交換，以保證數據交換對雙方都是有意義的。也就是將數據由發送者使用的格式轉化為可以被雙方接受的傳輸格式，然后在傳輸終點將這種格式轉化為接收者使用的格式。
本系統按西門子IP通信處理器544的數據語法發送544所支持的命令字（Function Code）來進行雙方的數據交換。
5、應用層的建立
應用層是OSI通信模型的最高層。在本系統中實際起到了文件訪問、傳輸和管理的功能，允許工程師站的使用者訪問遠程PLC（進行修改和讀取數據）；或將遠程PLC的數據文件取到本地工程師站使用，以及在本地工程師站管理和控制遠程PLC上的數據文件。
綜上，工程師站通信系統互連層次如圖2所示。

三、ModBus通信協議在此系統中的應用
工程師站需要在現場總線上與德國西門子PLC的544標準通信模塊進行通信，因而必須遵照西門子PLC的通信協議，即ModBus協議。
主—從關系：工程師操作站開始傳遞數據時，發出一個請求信號，等待從站（PLC）應答，信號在從站之間不能應答。
信息格式： 主—從（從—主）傳遞的數據格式第一字節是從站地址，第二字節是功能碼，第三字節是要傳輸的數據，數據域的結構取決于功能碼，第四字節是CRC校驗碼。結構如下：

從站地址功能碼數據CRC校驗碼
從站地址：從站地址范圍是1—5，這些地址是為了定義總線上的5個從站（PLC）。??
功能碼：功能碼定義了信息和信息結構。??
工程師站與PLC通信過程中主要用到的功能碼：??
Function Code 04：它的功能是讓工程師站從DB（datab lock）塊中讀取數據。具體結構如下：

Function Code 06：它的功能是讓工程師站在DB塊中寫入數據。具體結構如下：

CRC校驗碼：它含有2個字節，校驗結果由下列多項式求和得。本系統采用16位校驗碼，CRC-16即x16+x15+x2+1。
信息傳遞結束：544通信模塊的信息單位是報文（Message），每條報文必須用連續的流來傳輸。如果因環境干擾報文中間產生了一個1．5倍字符時間的間隔，接收端將會沖洗掉前面不完整的報文。同時，如果兩條報文之間的距離小于3．5倍字符時間，接收端會認為是上條報文的繼續，會導致校驗碼錯誤。
在實際工程中要保證報文正確的傳輸，需要注意兩方面：
（1）兩條報文之間要有適當的時間間隔。每條報文以至少3．5個字符的時間隔作為開始和結束。這里每字符的時間是按當前傳輸波特率的字符時間。按本系統的波特率9600bps，每字符時間約為0．1ms，保留0．6ms的余量。
（2）要注意糾錯碼的計算。這包含兩層糾錯機制：
①字符的奇偶校驗。??
②每條報文之間的循環冗余校驗（CRC）。
四、通信緩沖區
1、基本結構

通信緩沖區的基本結構是系統運行正確、方便的基石。m1Cureent［20］、m2Cureent［20］、m3Cureent［20］分別定義了各工位電機的中心速度、現實速度、微調速度三組數據。并通過union聯合的方式和maCureent［60］綁在一起。這樣既便于三組數據的整體訪問，又便于三組數據的分別訪問。mCureent［5］共定義了5個上述的結構分別代表5條生產線。
2、這樣定義緩沖區基本結構的原因
（1）多組數據橫向鋪開
將中心速度、現實速度、微調速度三組數據橫向鋪開，便于一次性從一條生產線讀回全部數據。
（2）多條生產線縱向鋪開
將5條生產線縱向鋪開，便于建立趨勢圖和歷史數據庫。
五、結論
基于ModBus協議的工程師站通信系統的建立使得工程師站成功地在現場總線上實現了過去大型DCS上完成的速度監控、實時數據采集等功能，同時又增加了對各生產線在線速度給定的功能，從而使得系統操作更加方便，結構更加網絡化。同時此次改造也為將來異地遠程工程師站通信系統的建立打下良好的理論與工程實踐基礎。