Modbus的應(yīng)用及解決方案

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　　Modbus TCP/IP以太網(wǎng)具有很高的速度性能：響應(yīng)時(shí)間小于10ms，目前可滿足工業(yè)控制中90%應(yīng)用需求，其下一個(gè)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是：響應(yīng)時(shí)間小于1ms！
　　由于Modbus是制造業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境下真正的開放協(xié)議，故得到了工業(yè)界的廣泛支持，是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。還由于其協(xié)議簡單、容易實(shí)施和高性價(jià)比，所以得到全球超過400個(gè)廠家的支持，使用的設(shè)備節(jié)點(diǎn)超過700萬個(gè)，有多達(dá)250個(gè)硬件廠商提供Modbus的兼容產(chǎn)品：如Ebtron公司的空氣流監(jiān)測站；Acrison公司的重量進(jìn)料控制器；DVT-Cognex公司的圖像識(shí)別傳感器；Flow-serve公司的流量控制器；Honeywell-Eurotherm公司的記錄儀；Ormec公司的運(yùn)動(dòng)控制器；GE Fanuc公司的PLC產(chǎn)品。另有多達(dá)150個(gè)軟件產(chǎn)品支持Modbus，如Matrikon公司的OPC產(chǎn)品。還有許多開發(fā)工具，如Ethereal-Cimetrics公司的協(xié)議分析儀；Ergotec公司的Java Beans(www.modbus.org)。

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　　本文介紹基于Modbus的應(yīng)用及解決方案。

　　

　　施耐德電氣公司所提供的遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RTU)是一種工業(yè)應(yīng)用的完整解決方案，主要應(yīng)用于對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，它以施耐德電氣公司PLC為基礎(chǔ)結(jié)合用戶需求(包括硬件和軟件)，完成所有精確控制和數(shù)據(jù)傳輸。此方案可用于多種苛刻的工業(yè)環(huán)境，如圖1。
　　通信協(xié)議采用Modbus，RTU在Modbus網(wǎng)絡(luò)中，可扮演主設(shè)備或從設(shè)備，也可按需要隨時(shí)交換主/從角色，速度為1200～19200波特率，8位或7位數(shù)據(jù)位，可選有/無校驗(yàn)位，一位停止位。
　　通信接口和介質(zhì)多種多樣，接口有RS-232/485/422多站方式，有線方式有直連線、租用電話線、公用電話線PSTN、局域以太網(wǎng)、廣域ISDN、ATM、FR和XDSL等，無線方式有射頻(RF)、紅外線、微波、擴(kuò)頻和衛(wèi)星(VSAT)等。因Modbus是面向消息(Message)的協(xié)議，故與接口和介質(zhì)無關(guān)，幾乎可用所有介質(zhì)傳輸，在國內(nèi)的應(yīng)用也已涵蓋了上述方式。
　　例外報(bào)告可通過標(biāo)準(zhǔn)功能XMIT來實(shí)現(xiàn)，完成從設(shè)備轉(zhuǎn)換和例外信息的及時(shí)發(fā)送。整個(gè)RTU設(shè)備可緊湊地裝于NEMA12防銹鋼柜或NEMA4X玻璃纖維柜內(nèi)。電源可選：85～264VAC；24V DC；105～370VDC。
　　
　　二 人機(jī)界面+可編程控制器+變頻調(diào)速器應(yīng)用
　　

這是一種設(shè)備制造商(OEM)和傳統(tǒng)設(shè)備改造時(shí)經(jīng)常使用的方案，典型配置如圖2。圖中人機(jī)界面(HMI)可以是圖形或文字的，一般文字型HMI比圖形的HMI要價(jià)格低廉。圖中的變頻器(VSD)只畫了一臺(tái)，實(shí)際上使用RS-485的多站總線，最多可連接31臺(tái)。PLC可按工藝要求，對(duì)變頻器速度進(jìn)行控制。
　　完成上述方案的關(guān)鍵是需知道變頻器內(nèi)部的命令字和各參數(shù)的寄存器號(hào)，以下以施耐德公司ATV58變頻器為例說明PLC如何操作變頻器：
　　命令字CMD(變頻器地址W400)
　　位15：1：簡單控制方式
　　位1：=0 串行連接無效
　　　　 =1串行連接有效
　　位7：=0
　　　　 =1 故障復(fù)位
　　位8：=0 激活串行連接控制
　　　　 =1 取消串行連接控制
　?? 位11：=0　　正轉(zhuǎn)
　　　　　=1　　反轉(zhuǎn)
　　位12：=0　　運(yùn)行
　　　　　=1　　停止(減速停車)
　　位13：=0
　　　　　 =1　　直流注入停車
　　位14：=0
　　　　　=1　　快速停車 字串2
　　通過PLC的Modbus寫命令，把代碼發(fā)送到W400寄存器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，舉例：
　　正轉(zhuǎn)運(yùn)行 CMD=H‘8002’
　　頻率設(shè)定 W401 LFR
　　轉(zhuǎn)速設(shè)定 W603 LFRD
　　反轉(zhuǎn)運(yùn)行 CMD=H‘8802’
　　頻率設(shè)定 W401LFR
　　轉(zhuǎn)速設(shè)定 W603 LFRD
　　減速停車
　　　　　　CMD=H‘9002’
　　直流注入停車
　　　　　　CMD=H‘A002’
　　快速停車CMD=H‘C002’
　　自由停車CMD=H‘8000’
　　因設(shè)備制造商對(duì)價(jià)格較敏感，所以也有把上述標(biāo)準(zhǔn)配置進(jìn)行簡化的版本，如圖3，控制和操作原理基本相同。
　　

　　
　　計(jì)算機(jī)通信結(jié)構(gòu)已從最老的主機(jī)/終端(Mainframe-Terminal)，過渡到客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)，再到現(xiàn)今的Web服務(wù)器/Browser瀏覽器方式，本文Web服務(wù)指的就是后者。
　　Web服務(wù)實(shí)際定義了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：
　　(1)Web服務(wù)器使用HTML語言編程。
　　(2)Browser瀏覽器使用因特網(wǎng)瀏覽器：如微軟Internet Explorer、網(wǎng)景公司Navigator等。
　　(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為：基于TCP/IP的HTTP協(xié)議。
　　這樣，從客戶端就可用圖形畫面來和服務(wù)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互了。
　　互聯(lián)網(wǎng)上Web的出現(xiàn)可與計(jì)算機(jī)上出現(xiàn)的Windows相媲美，用戶可通過圖形界面得到網(wǎng)上的各種資源，入網(wǎng)門坎大大降低，上網(wǎng)人數(shù)大大增加，這也是這兩年為何網(wǎng)站和網(wǎng)民急劇增加的原因，也是為什么微軟和網(wǎng)景為爭奪瀏覽器市場份額而拼得你死我活的根源。
　　既然在IT領(lǐng)域，Web服務(wù)已非常成熟和成功，那么能否把它引入工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，使用戶網(wǎng)絡(luò)得到增值？答案是肯定的，施耐德公司已對(duì)此進(jìn)行了有益的探索，很多用戶也從中受益，取得了很多成果。
　　
1. Web服務(wù)的可擴(kuò)展性
　　
　　目前，施耐德公司自動(dòng)化產(chǎn)品中(如NOE、ETY以太網(wǎng)模板)已內(nèi)置了許多通信和Web服務(wù)功能，用戶可按自己的需要，實(shí)現(xiàn)不同層次的服務(wù)。 字串7
　　(1)層次A：無Web功能，用戶可通過TCP/IP Modbus，實(shí)現(xiàn)Modbus信息交換和FDR(Faulty Device Replacement，故障設(shè)備在線更換)，對(duì)設(shè)備監(jiān)控和I/O服務(wù)。
　　(2)層次B：基本W(wǎng)eb功能，通過內(nèi)置web服務(wù)器，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、配置、維護(hù)、監(jiān)視診斷和建立文檔，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。
　　(3)層次C：可配置的Web功能，用戶可自已制作動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，實(shí)現(xiàn)瘦客戶機(jī)的人機(jī)界面功能，另外，還可實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)布與訂閱(也稱全局?jǐn)?shù)據(jù)功能)、帶寬管理、I/O掃描器功能，完成更高一步的所謂“協(xié)同自動(dòng)化”理念，是一種增值服務(wù)。
　　(4)層次D：更有效的Web服務(wù)，通過進(jìn)一步擴(kuò)展的服務(wù)，如將來的分布式控制、更高級(jí)的人機(jī)界面，以及和IT網(wǎng)絡(luò)更緊密的連接；如通過電子郵件、手機(jī)短信、各種數(shù)據(jù)庫接口，來實(shí)現(xiàn)管理網(wǎng)和控制網(wǎng)的無縫集成。
　　
2. Web自動(dòng)化給用戶帶來的優(yōu)勢
　　
　　(1)對(duì)操作員：容易使用，因使用相同的瀏覽工具，而瀏覽器目前是免費(fèi)的，還可從網(wǎng)上免費(fèi)下載。
　　使用操作界面無需預(yù)先的知識(shí)和培訓(xùn)，可通過不同超級(jí)鏈接，接至如操作、維護(hù)、工藝流程、產(chǎn)品資料等服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)、操作、維護(hù)，以及局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)跨區(qū)域遠(yuǎn)程現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控功能。
　　(2)對(duì)企業(yè)管理人員：低投入、具有擴(kuò)展性、基于“瘦客戶機(jī)”的人機(jī)界面，使信息可在企業(yè)內(nèi)任何網(wǎng)絡(luò)級(jí)別訪問，隨時(shí)掌握企業(yè)產(chǎn)品率、成品率及銷售和財(cái)務(wù)狀況，通過與SCM、ERP、CRM等互聯(lián)，可及時(shí)了解市場變化、物流供給和企業(yè)資源等信息，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，創(chuàng)造企業(yè)良性循環(huán)。
　　(3)對(duì)IT管理人員：因使用標(biāo)準(zhǔn)化通用網(wǎng)絡(luò)，故信息網(wǎng)和控制已合二為一，減少多重的數(shù)據(jù)庫，減少系統(tǒng)集成的難度，降低總體費(fèi)用。
　　由于使用通用組件，從網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)到應(yīng)用軟件都降低了IT的采購開銷，(如瀏覽器、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、瘦客戶機(jī)、TCP/IP以太網(wǎng)等)，同時(shí)維護(hù)與備件費(fèi)用也很低廉。
　　通過已有TCP/IP以太網(wǎng)，還可提供各種增值服務(wù)，如IP電話、IP視頻等。
　　如用戶有興趣，IT人員還可把局域網(wǎng)接入Internet網(wǎng)，加上若干安全機(jī)制，如防火墻、VPN等技術(shù)，用戶可隨時(shí)、隨地以各種上網(wǎng)方式通過互聯(lián)網(wǎng)來獲取企業(yè)內(nèi)信息。
　　
四 Modbus和Modbus TCP的部分應(yīng)用舉例
　　
　　(1)半導(dǎo)體制造業(yè)
　　設(shè)備：SCADA/PLC；功能：純凈水制作，化學(xué)液泄漏檢測，清潔廠房空調(diào)和設(shè)施。
　　(2)紡織機(jī)械
　　設(shè)備：PLC/運(yùn)動(dòng)控制；功能：T恤衫口袋自動(dòng)加裝機(jī)。 字串9
　　(3)公共設(shè)施，如超市、倉庫、商務(wù)辦公樓等
　　設(shè)備：PLC/PC；功能：配電，空調(diào)系統(tǒng)，加熱與制冷。
　　(4)采礦業(yè)
　　設(shè)備：SCADA/PLC/DCS/以太網(wǎng)；功能：把遠(yuǎn)端相關(guān)信息送至主站，如火車、卡車運(yùn)送情況等。
　　(5)塑料機(jī)械
　　設(shè)備：PLC/PC/網(wǎng)絡(luò)；功能：通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱重系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。
　　(6)微電子業(yè)
　　設(shè)備：PLC/PC；功能：清潔廠房的空調(diào)，空氣處理和真空，廢料的處理，水處理，原料分配，環(huán)境監(jiān)測，電力監(jiān)控。
　　(7)食品和飲料業(yè)
　　設(shè)備：PLC/PC/MODEM；功能：對(duì)飲料進(jìn)行可靠、可重復(fù)、詳細(xì)的檢測和報(bào)告。
　　(8)水處理行業(yè)
　　設(shè)備：RTU/以太網(wǎng)/無線網(wǎng)；功能：功率表結(jié)合遠(yuǎn)程控制，可獲得實(shí)時(shí)檢測水泵的美元/加侖值。
　　(9)水泥制造業(yè)
　　設(shè)備：PLC/PC/網(wǎng)絡(luò)；功能：水泥生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。
　　(10)核技術(shù)
　?? 設(shè)備：MCC/PLC/網(wǎng)絡(luò)；功能：控制氚(氫的放射性同位素)的生產(chǎn)。
　　(11)起重設(shè)備
　　設(shè)備：PLC/DC Drives/AC Drives；功能：港口吊裝機(jī)械的運(yùn)行控制。
　　(12)冶金設(shè)備
　　設(shè)備：PLC/運(yùn)動(dòng)控制/DC Drives；功能：鋼板長度的精確切割。
　　(13)供水系統(tǒng) 字串7
　　設(shè)備：PLC/PC/網(wǎng)絡(luò)；功能：完成供水系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。
　　
　　五 Modbus今后的發(fā)展
　　
　　為更好普及和推動(dòng)Modbus在基于以太網(wǎng)上的分布式應(yīng)用，目前施耐德公司已將Modbus協(xié)議的所有權(quán)移交給IDA(Interface for Distributed Automation，分布式自動(dòng)化接口)組織(www.Modbus-IDA.org)，并成立了Modbus-IDA組織，為Modbus今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。作為一家非盈利、獨(dú)立、基于Web的社團(tuán)，Modbus-IDA組織的任務(wù)是：鼓勵(lì)自動(dòng)化設(shè)備的獨(dú)立使用者和制造商，采用Modbus通信協(xié)議，使用分布式自動(dòng)化架構(gòu)，為多個(gè)市場提供相應(yīng)產(chǎn)品。Modbus-IDA將提供基礎(chǔ)平臺(tái)，使用戶能得到和共享協(xié)議、應(yīng)用和認(rèn)證信息，最終降低使用成本。Modbus-IDA被IEC授予世界領(lǐng)先的電氣和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)組織“類別D”的聯(lián)絡(luò)員身份，目前正參與制造和過程自動(dòng)化環(huán)境的數(shù)字化通信方面的定義，且已提交了基于TCP/IP的Modbus和RTPS(Real-time Publish/Subscribe，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)布與訂閱)協(xié)議，作為IEC的PAS(Publicly Available Specification，公共可用規(guī)范)。