Modbus 通信协议在分布式控制系统中的应用 通信协议在分布式控制系统中的应用 本文就一种DCS与PLC作为上下位机的分布式控制系统，介绍基于Modbus协议的通信网络在其中的应用，以及 该网络的硬件构成及程序设计。 摘 要：本文就一种DCS与PLC作为上下位机的 关键词：Modbus协议 分布式控制系统 通信网络 串口通讯 可编程控制器 一、引 言 　　现代工业的迅速发展，不断促进着自控技术及设备创新的日新月异。当前，DCS、IPC、PLC及智能仪表已广泛应用到工 厂现场生产控制系统当中，并发展到由上述设备相互协同、共同面向整个生产过程的分布式工业自动控制系统。在此系统中， 现场通信技术堪称关键。但由于开始没有统一的 二、系统组成 　　1、系统结构 　　本系统构成如图1，其中略去了现场仪表信号的采集、控制部分。系统上位机采用横河CS3000型DCS集散控制系统，对 整个生产过程进行集中监控;下位机采用Omron的CS1H系列PLC，分布在3个电气控制室，负责现场电机、OCV阀、流量开 关、变频器等执行、检测机构的启停控制、反馈信号采集、故障判断等操作。 　　基于通信实时性的考虑，将DCS与3个PLC控制站分为两个相对独立的通信网络：PLC1和PLC2与DCS一端口组成网络 一，PLC3与DCS二端口组成网络二。由于上下位机均无面向同一协议的通信设备，给设计造成了困难。经考虑，决定采用 Modbus通信协议，由其构成本分布式控制系统的通信网络。 　　2、通信网络组成 　　2.1通信协议 　　Modbus协议是一种适用于工业控制领域的主从式串口通讯协议，它采用查询通讯方式进行主从设备的信息传输，可寻址 1-247个设备地址范围。协议包括广播查询和单独设备查询两种方式，二者区别就是广播查询不需要从设备回应信息，主从设 备查询通讯过程见图二。 　　Modbus协议有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式较ASCII模式能传输更多的数据，所以工业 网络大都采用RTU模式。RTU模式下的信息传输报文格式如图三 　　它没有起始位和停止位，而是由至少3.5个字符间隔时间作为信息的起始、结束标志。信息帧所有字符位由16进制字符0- 9、A-F组成。本设计采用单独设备查询的RTU模式通信方式，根据系统构成，将DCS一端口设01H、02H两个PLC从站地址， 二端口设01H一个PLC从站地址，并使用Modbus协议中的读字存储区03H和写字存储区06H两个功能码。 　　2.2 网络构成及硬件介绍 　　网络采用RS485串行接口，通信媒体由4芯屏蔽电缆连接主从设备，传输距离最大达1.5Km，全双工，串口设定波特率 19200，8位数据位、偶校验、1位停止位。DCS通信部分采用横河型号为ALR121的通信模块，并配套横河提供的Modbus通 信软件包，该通信模块最大通信数据容量4000字。PLC通信部分则采用Omron的C200H-ASCII 21可编程特殊单元模块（以下 简称ASCII模块），该模块支持BASIC语言编程，内有200K字节的程序存储区，配备RS232、RS485通信串口各一个。通过 对该模块的编程，可实现与外围设备的各种通信。本系统通过ASCII模块与DCS基于Modbus协议的通信，将DCS的读、写指 令及数据做相应转换，并与PLC的CPU单元进行数据存取交换，以实现上下位机控制信息的实时传输。如图四所示。 

三、软件实现 　　1、 建立地址分配、对应表 　　DCS人机监控界面（HMI）上面向现场仪表的图形符号对象的监控，需通过DCS 　　2、程序设计 　　ASCII模块支持BASIC语言编程，此外，又附加了多条系统及函数指令，如接收、发送缓冲区操作指令、信息传输差错控 制CRC、LRC校验函数指令和与CPU单元数据交换的读写指令等。编程使用WINDOWS操作系统上附带的Hyperterminal（超 级终端）软件，通过此软件，PC机可与连接在网络上的其它PC机或串口终端设备进行文本文件的传输及显示。编程时，将 PC机串口与ASCII模块的RS232串口连接，运行该软件，就能在其界面上对ASCII模块进行程序编写、上传、下载和调试等工 作。也可先通过WINDOWS系统的写字板编写程序，并保存为文本格式，然后再通过Hyperterminal将程序下载到ASCII模块。 通信程序的主工作流程见图五。 　　部分程序代码如下： 　　OPTION BASE 0 //定义数组 　　DIM R（128）,FC（128） 　　R（48）=0:R（49）=1:R（50）=2:R（51）=3:R（52）=4:R（53）=5:R（54）=6:R（55）=7:R（56）=8 　　R（57）=9:R（65）=&h0a:R（66）=&h0b:R（67）=&h0c:R（68）=&h0d:R（69）=&h0e:R（70）=&h0f 　　R（97）=&h0a:R（98）=&h0b:R（99）=&h0c:R（100）=&h0d:R（101）=&h0e:R（102）=&h0f 　　OPEN #2,"COMU:19200,8,E,1" //设定串口参数 　　A%=LOC（2） //判断接收缓冲区字符 　　IF A%=8 THEN 　　REX$=INPUT$（A%,#2） 　　………. 　　ENDIF 　　GOSUB ＊ZFCL //对信息进行分解处理 　　IF ST=1 THEN ＊JAOY ELSE ＊BACK //判断是否本站信息 　　＊JAOY 　　GOSUB ＊CRC //CRC循环冗余校验 　　IF R=CRC THEN ＊WORK ELSE ＊BACK //信息校验正确判断 　　＊WORK 　　IF （FU=3） THEN GOTO ＊DJS //读功能码判断，调写操作子程序 　　IF （FU=6） THEN GOTO ＊XJS ELSE GOTO ＊BACK //写功能码判断，调读操作子程序 　　＊DJS //读子程序 　　……… 　　＊XJS //写子程序 　　……… 

　　＊CRC //CRC 校验子程序 　　………. 　　＊ZFCL //字符处理子程序 　　……… 　　由于ASCII模块支持ASCII码，而RTU则是基于二进制码的16进制字符通信方式，所以在程序编程中增加了码制转换程 序。 　　CH5$=MID$（REX$,5,1） :CH6$=MID$（REX$,6,1） //提取字符段 　　VOL=ASC（CH5$）×256+ASC（CH6$） //将ASCII码字符转换十进制数 　　VOL$=HEX$（VOL） //将十进制数转换成十六进制字符 　　3、程序优化及安全措施 　　在ASCII模块与CPU单元数据交换程序部分，采取由ASCII模块向CPU 单元主动发送读写请求信号，CPU单元在收到请求 时才执行数据交换程序的方法。这样，就缩短了PLC的扫描周期，提高了通信实时性。 　　在信息差错控制部分，采用了CRC-16循环冗余校验算法，该算法能使信息的差错率低于10-14以下。如果信息校验错 误，程序将清除缓冲区，等待DCS信息重发。 　　根据生产需要，可在HMI上将现场按钮等手控设备设为无效状态，所有手、自动操作均在DCS上进行。考虑到如通信网络 遭到瘫痪等严重故障时，需保证现场电气设备正常启停，又增加了通信状态定时侦测程序，在规定时间（10秒）内网络上如 无信号，PLC自动将现场按钮等手控设备设为有效，同时DCS故障报警，直到网络恢复正常为止。 四、结束语 　　当前分布式控制系统通信网络的设备、软件及整体架构，大部分是由专业厂商生产提供的，其总体性能较好。但如前所 述，它们也有系统配置可选性小、网络架构适应面窄、价格较高等缺点。笔者采用Modbus协议这一成熟通信技术，选用PLC 的可编程模块，进行基于Modbus通信协议的自主程序设计，架构起本自控系统的通信网络。该网络易扩展、易维护，具有结 构简单、应用灵活、编程方便、造价低廉等特点。这套系统在某化纤生产线一次投运成功，实际运行状态良好，证明其稳定可 靠，能完全满足系统设计要求。到目前为止，该系统已在多个工程项目上投入使用，全部运行正常，取得了良好的经济效益。 　　本文创新点：采用工业领域通用的Modbus通信协议标准，利用可编程的PLC特殊功能模块，并进行通信程序设计，低成 本的解决了本系统的通信架构问题，可为分布式控制系统通信网络兼容性设计的一个思路。 参考文献： 　　1. Modicon. Modbus Protocol Reference Guide. 1996 　　2. Omron. C200H-ASCII UNITS Operation Manual. 1998 　　3. Omron. SYSMAC CS1 Series Programmable Controllers Operation Manual. 1999 　　4. 横河CS3000 Reference Manual. 2001 　　5. 其其格 利用VC实现Modbus的两种检测方法 《微计算机信息》 2004.1 　　6. 刘东 循环冗余校验CRC算法分析及程序实现. 《计算机与信息技术》2002.9