一種基于ModBus協(xié)議的工程師站通訊系統(tǒng)的建立

摘 要：本文研究并建立了遵照開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI模型），并基于ModBus協(xié)議的工程師站通訊系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)實現(xiàn)了工程師站在現(xiàn)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(jiān)控的功能。
關鍵詞：OSI模型；ModBus協(xié)議；工程師站
一、引言
ModBus通訊協(xié)議正被廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域的通訊系統(tǒng)當中，其中德國西門子的控制設備（如PLC）大多采用此協(xié)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(xié)議，采用PC機，通過現(xiàn)場總線完成對生產線上各工位速度監(jiān)測，同時在線調節(jié)改變各工位速度的操作系統(tǒng)。用PC機實現(xiàn)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(tǒng)采用由PC機、PLC控制器、現(xiàn)場總線組成的總線式網絡設計方案。總線結構如圖1。

工程師站在現(xiàn)場總線上通過ModBus協(xié)議與5條生產線上的PLC進行通信，并進行控制（包括數(shù)據讀取和數(shù)據寫入）來實現(xiàn)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(xié)議的通信系統(tǒng)的建立就成了工程師站工程實現(xiàn)的關鍵。
二、工程師站通信系統(tǒng)的建立
工程師站通信系統(tǒng)采用了國際標準化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互連模型（OSI）。OSI模型的目的是在不需要改變系統(tǒng)軟硬件邏輯結構的條件下，使不同系統(tǒng)間的通信變得可能。OSI模型不是一套特定協(xié)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)采用了半雙工模式通信。
通信系統(tǒng)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(yè)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(yè)環(huán)境，因而工程師站用232/485信號轉換器實現(xiàn)PC機與PLC之間的信號轉換。
因為有5條生產線，系統(tǒng)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(shù)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(shù)據鏈路層的建立
數(shù)據鏈路層負責將數(shù)據單元（比特組）從一個站點送達下一個相鄰站點。同時數(shù)據鏈路層定義了檢測糾正在物理媒體中進行數(shù)據傳輸時產生的差錯的協(xié)議。數(shù)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(tǒng)采用串行異步通信，用奇偶校驗碼進行數(shù)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(shù)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(tǒng)間的中間節(jié)點或系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用ModBus協(xié)議中的RTU模式（ModBus協(xié)議中的一種模式）進行現(xiàn)場總線上的編址。通過各個PLC不同的地址來區(qū)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(fā)送數(shù)據的語法，以及對在這兩個系統(tǒng)之間傳送的數(shù)據進行交換，以保證數(shù)據交換對雙方都是有意義的。也就是將數(shù)據由發(fā)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(tǒng)按西門子IP通信處理器544的數(shù)據語法發(fā)送544所支持的命令字（Function Code）來進行雙方的數(shù)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(tǒng)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(shù)據）；或將遠程PLC的數(shù)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(shù)據文件。
綜上，工程師站通信系統(tǒng)互連層次如圖2所示。

三、ModBus通信協(xié)議在此系統(tǒng)中的應用
工程師站需要在現(xiàn)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(xié)議，即ModBus協(xié)議。
主—從關系：工程師操作站開始傳遞數(shù)據時，發(fā)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(shù)據格式第一字節(jié)是從站地址，第二字節(jié)是功能碼，第三字節(jié)是要傳輸?shù)臄?shù)據，數(shù)據域的結構取決于功能碼，第四字節(jié)是CRC校驗碼。結構如下：

從站地址功能碼數(shù)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(shù)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(shù)據。具體結構如下：

CRC校驗碼：它含有2個字節(jié)，校驗結果由下列多項式求和得。本系統(tǒng)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(xù)的流來傳輸。如果因環(huán)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(xù)，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?shù)臅r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(tǒng)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(huán)冗余校驗（CRC）。
四、通信緩沖區(qū)
1、基本結構

通信緩沖區(qū)的基本結構是系統(tǒng)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(xiàn)實速度、微調速度三組數(shù)據。并通過union聯(lián)合的方式和maCureent［60］綁在一起。這樣既便于三組數(shù)據的整體訪問，又便于三組數(shù)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(qū)基本結構的原因
（1）多組數(shù)據橫向鋪開
將中心速度、現(xiàn)實速度、微調速度三組數(shù)據橫向鋪開，便于一次性從一條生產線讀回全部數(shù)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(shù)據庫。
五、結論
基于ModBus協(xié)議的工程師站通信系統(tǒng)的建立使得工程師站成功地在現(xiàn)場總線上實現(xiàn)了過去大型DCS上完成的速度監(jiān)控、實時數(shù)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(tǒng)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(tǒng)的建立打下良好的理論與工程實踐基礎。