Modbus簡介及其應用解決方案

時間：2012-04-03 22:35:02

關鍵字： MODBUS 以太網(wǎng) PC 變頻器

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[導讀]Modbus是一種通信協(xié)議，于1979 年由Modicon公司發(fā)明，并公開、推向市場，基于主站—從站/客戶機—服務器方式連接智能設備，實現(xiàn)設備間的數(shù)據(jù)交換。Modbus通信幾乎可通過任何物理介質(zhì)實現(xiàn)，如電線、光纖、紅

Modbus是一種通信協(xié)議，于1979 年由Modicon公司發(fā)明，并公開、推向市場，基于主站—從站/客戶機—服務器方式連接智能設備，實現(xiàn)設備間的數(shù)據(jù)交換。Modbus通信幾乎可通過任何物理介質(zhì)實現(xiàn)，如電線、光纖、紅外、射頻、擴頻、微波、衛(wèi)星等，它還可通過不同網(wǎng)絡進行互連，如以太網(wǎng)、ADSL、ISDN、PSTN、ATM、FR等，具有很強擴展能力。<--IWMS_AD_BEGIN-->

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　　Modbus TCP/IP以太網(wǎng)具有很高的速度性能：響應時間小于10ms，目前可滿足工業(yè)控制中90%應用需求，其下一個實現(xiàn)目標是：響應時間小于1ms！
　　由于Modbus是制造業(yè)、基礎設施環(huán)境下真正的開放協(xié)議，故得到了工業(yè)界的廣泛支持，是事實上的工業(yè)標準。還由于其協(xié)議簡單、容易實施和高性價比，所以得到全球超過400個廠家的支持，使用的設備節(jié)點超過700萬個，有多達250個硬件廠商提供Modbus的兼容產(chǎn)品：如Ebtron公司的空氣流監(jiān)測站；Acrison公司的重量進料控制器；DVT-Cognex公司的圖像識別傳感器；Flow-serve公司的流量控制器；Honeywell-Eurotherm公司的記錄儀；Ormec公司的運動控制器；GE Fanuc公司的PLC產(chǎn)品。另有多達150個軟件產(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)。
　　本文介紹基于Modbus的應用及解決方案。

　　施耐德電氣公司所提供的遠程終端設備(RTU)是一種工業(yè)應用的完整解決方案，主要應用于對遠程設備的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，它以施耐德電氣公司PLC為基礎結合用戶需求(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)絡中，可扮演主設備或從設備，也可按需要隨時交換主/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，幾乎可用所有介質(zhì)傳輸，在國內(nèi)的應用也已涵蓋了上述方式。
　　例外報告可通過標準功能XMIT來實現(xiàn)，完成從設備轉換和例外信息的及時發(fā)送。整個RTU設備可緊湊地裝于NEMA12防銹鋼柜或NEMA4X玻璃纖維柜內(nèi)。電源可選：85～264VAC；24V DC；105～370VDC。

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　　二人機界面+可編程控制器+變頻調(diào)速器應用
　　

這是一種設備制造商(OEM)和傳統(tǒng)設備改造時經(jīng)常使用的方案，典型配置如圖2。圖中人機界面(HMI)可以是圖形或文字的，一般文字型HMI比圖形的HMI要價格低廉。圖中的變頻器(VSD)只畫了一臺，實際上使用RS-485的多站總線，最多可連接31臺。PLC可按工藝要求，對變頻器速度進行控制。
　　完成上述方案的關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，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
　　　　　=1　　反轉
　　位12：=0　　運行
　　　　　=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，實現(xiàn)對變頻器的控制，舉例：
　　正轉運行 CMD=H‘8002’
　　頻率設定 W401 LFR
　　轉速設定 W603 LFRD
　　反轉運行 CMD=H‘8802’
　　頻率設定 W401LFR
　　轉速設定 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’
　　因設備制造商對價格較敏感，所以也有把上述標準配置進行簡化的版本，如圖3，控制和操作原理基本相同。
　　

　　計算機通信結構已從最老的主機/終端(Mainframe-Terminal)，過渡到客戶機/服務器(C/S)，再到現(xiàn)今的Web服務器/Browser瀏覽器方式，本文Web服務指的就是后者。
　　Web服務實際定義了3個標準：
　　(1)Web服務器使用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器進行動態(tài)交互了。
　　互聯(lián)網(wǎng)上Web的出現(xiàn)可與計算機上出現(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領域，Web服務已非常成熟和成功，那么能否把它引入工業(yè)網(wǎng)絡，使用戶網(wǎng)絡得到增值？答案是肯定的，施耐德公司已對此進行了有益的探索，很多用戶也從中受益，取得了很多成果。
　　
1. Web服務的可擴展性
　　
　　目前，施耐德公司自動化產(chǎn)品中(如NOE、ETY以太網(wǎng)模板)已內(nèi)置了許多通信和Web服務功能，用戶可按自己的需要，實現(xiàn)不同層次的服務。字串7
　　(1)層次A：無Web功能，用戶可通過TCP/IP Modbus，實現(xiàn)Modbus信息交換和FDR(Faulty Device Replacement，故障設備在線更換)，對設備監(jiān)控和I/O服務。
　　(2)層次B：基本W(wǎng)eb功能，通過內(nèi)置web服務器，可對設備進行組態(tài)、配置、維護、監(jiān)視診斷和建立文檔，并對網(wǎng)絡進行管理。
　　(3)層次C：可配置的Web功能，用戶可自已制作動態(tài)網(wǎng)頁，實現(xiàn)瘦客戶機的人機界面功能，另外，還可實現(xiàn)信息的發(fā)布與訂閱(也稱全局數(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)同自動化”理念，是一種增值服務。
　　(4)層次D：更有效的Web服務，通過進一步擴展的服務，如將來的分布式控制、更高級的人機界面，以及和IT網(wǎng)絡更緊密的連接；如通過電子郵件、手機短信、各種數(shù)據(jù)庫接口，來實現(xiàn)管理網(wǎng)和控制網(wǎng)的無縫集成。
　　
2. Web自動化給用戶帶來的優(yōu)勢
　　
　　(1)對操作員：容易使用，因使用相同的瀏覽工具，而瀏覽器目前是免費的，還可從網(wǎng)上免費下載。
　　使用操作界面無需預先的知識和培訓，可通過不同超級鏈接，接至如操作、維護、工藝流程、產(chǎn)品資料等服務器，實現(xiàn)在線學習、操作、維護，以及局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠程網(wǎng)跨區(qū)域遠程現(xiàn)場設備的監(jiān)控功能。

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　　(2)對企業(yè)管理人員：低投入、具有擴展性、基于“瘦客戶機”的人機界面，使信息可在企業(yè)內(nèi)任何網(wǎng)絡級別訪問，隨時掌握企業(yè)產(chǎn)品率、成品率及銷售和財務狀況，通過與SCM、ERP、CRM等互聯(lián)，可及時了解市場變化、物流供給和企業(yè)資源等信息，保證系統(tǒng)正常運行，創(chuàng)造企業(yè)良性循環(huán)。
　　(3)對IT管理人員：因使用標準化通用網(wǎng)絡，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，降低總體費用。
　　由于使用通用組件，從網(wǎng)絡、計算機到應用軟件都降低了IT的采購開銷，(如瀏覽器、網(wǎng)絡計算機、瘦客戶機、TCP/IP以太網(wǎng)等)，同時維護與備件費用也很低廉。
　　通過已有TCP/IP以太網(wǎng)，還可提供各種增值服務，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)，加上若干安全機制，如防火墻、VPN等技術，用戶可隨時、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的部分應用舉例
　　
　　(1)半導體制造業(yè)
　　設備：SCADA/PLC；功能：純凈水制作，化學液泄漏檢測，清潔廠房空調(diào)和設施。
　　(2)紡織機械
　　設備：PLC/運動控制；功能：T恤衫口袋自動加裝機。字串9
　　(3)公共設施，如超市、倉庫、商務辦公樓等
　　設備：PLC/PC；功能：配電，空調(diào)系統(tǒng)，加熱與制冷。
　　(4)采礦業(yè)
　　設備：SCADA/PLC/DCS/以太網(wǎng)；功能：把遠端相關信息送至主站，如火車、卡車運送情況等。
　　(5)塑料機械
　　設備：PLC/PC/網(wǎng)絡；功能：通過網(wǎng)絡對稱重系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制。
　　(6)微電子業(yè)
　　設備：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)
　　設備：PLC/PC/MODEM；功能：對飲料進行可靠、可重復、詳細的檢測和報告。
　　(8)水處理行業(yè)
　　設備：RTU/以太網(wǎng)/無線網(wǎng)；功能：功率表結合遠程控制，可獲得實時檢測水泵的美元/加侖值。
　　(9)水泥制造業(yè)
　　設備：PLC/PC/網(wǎng)絡；功能：水泥生產(chǎn)過程的自動化。
　　(10)核技術
　設備：MCC/PLC/網(wǎng)絡；功能：控制氚(氫的放射性同位素)的生產(chǎn)。
　　(11)起重設備
　　設備：PLC/DC Drives/AC Drives；功能：港口吊裝機械的運行控制。
　　(12)冶金設備
　　設備：PLC/運動控制/DC Drives；功能：鋼板長度的精確切割。
　　(13)供水系統(tǒng) 字串7
　　設備：PLC/PC/網(wǎng)絡；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Modbus在基于以太網(wǎng)上的分布式應用，目前施耐德公司已將Modbus協(xié)議的所有權移交給IDA(Interface for Distributed Automation，分布式自動化接口)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。作為一家非盈利、獨立、基于Web的社團，Modbus-IDA組織的任務是：鼓勵自動化設備的獨立使用者和制造商，采用Modbus通信協(xié)議，使用分布式自動化架構，為多個市場提供相應產(chǎn)品。Modbus-IDA將提供基礎平臺，使用戶能得到和共享協(xié)議、應用和認證信息，最終降低使用成本。Modbus-IDA被IEC授予世界領先的電氣和服務標準組織“類別D”的聯(lián)絡員身份，目前正參與制造和過程自動化環(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，實時數(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)。