Modbus通讯协议在DCS与PLC通讯中的应用

康晓伟

（杭州立佳环境服务有限公司，浙江 杭州311199）

0 引言

在当前技术条件支持下，Modbus通讯协议以RS232／RS485作为标准运行。在以该通讯协议为载体的接口系统中，可根据实际应用需求选择科学的运行标准。其中，基于RS232通讯协议的接口系统仅能实现“一对一”的连接关系，理想状态下传输速率在20.0kB／s范围之内，同步运行状态下可支持设备为8台，传输距离仅为15.0m；而对于基于RS485通讯协议的接口系统而言，所对应的连接关系为“一对多”，理想状态下传输速率在100.0kB／s以上，同步运行状态下可支持设备为32台，传输距离达到1200.0m。

1 通信系统硬件组织及连接

在通讯协议的支持下，每个XP244控制卡接口可支持4个设备的互联，连接方法以参考手册为准。同时，为保障其质量安全、可靠，要求该终端配备120.0Ω的终端电阻装置。整个DCS系统与串行设备的连接示意图如图1所示。

图1 DCS系统与串行设备连接示意图

2 DCS系统组态

为满足DCS组态要求，具体实施方法为：在工程师站电脑上通过相应权限进入系统组态进行组态修改，首先在控制站进行所选卡件的组态，设置相应卡件名称、地址、扫描周期、卡件类型、型号等，其中需要注意的是组态中卡件地址必须与拨码开关一致，扫描周期不宜过短，以免影响总线系统运行。在进行Modbus通讯组态中，主要使用SCX语言编程和图形编辑2种。在组态中，主要进行以下操作：（1）串行通讯设置：主要是对应串行设备的波特率和通讯方式选择，需要和串行设备保持一致，从站地址不能冲突，地址范围在0～255；（2）自定义变量设置：设置控制卡内部使用变量，主要根据通讯和系统要求设置内部变量字节和数量，其设置变量名不能和DCS其他控制站的变量名冲突；（3）图形编辑使用：通过图形编辑的各种指令来对通讯数据进行转换和运算，如果通讯需要使用其他控制站数据，需要使用站间通讯方式来调用变量，并可以使通讯数据在各控制站内灵活调用；（4）SCX语言调用：控制卡通信驱动程序可以通过SCX语音编写来实现，直接对控制站和串行设备进行数据交换，主要是对保持寄存器进行读写操作，需要注意的是控制卡内部通讯数据组要和从站设备的保持寄存器起始地址和变量数量保持一致。

通过以上的编程组态，在 Modbus通讯协议基础上，DCS通过XP244控制卡件与外部串口设备连接，其中控制卡支持连接4台从站设备，从站设备需使用Modbus Slave协议，DCS和每个串行设备能够传输64个字节变量，即512个Bool量或32个Int量。

编程中需要注意的问题如下：（1）串行设备地址：每个控制卡最多带4台串行设备，而且串行设备之间地址不能冲突，每台串行设备协议能够进行地址识别；（2）串行设备接口：控制卡带多台串行设备时，如果其中某台串行设备使用RS232接口，需要对其安装RS232／RS485转换模块，以实现和其他串行设备的连接；（3）主从站关系：Modbus协议中，控制卡只能做主站，各串行设备只能做从站，主站主动发送指令，各串行设备进行响应；（4）通讯协议：串行设备只能使用Modbus Slave协议，而不是Modbus Plus协议；（5）数据格式：控制卡和串行设备进行数据通讯时，进行SCX语言编程，指令变量为Bool或者Int，控制卡读写串行设备都需要符合数据格式，如果控制卡调用其他控制站变量不符合数据格式，需要对其进行转换；（6）时间函数设置：在SCX语言中，系统延迟等待时间和通讯指令等待时间要设置恰当，系统延迟时间如果太短则造成系统无法接收返回数据，而通讯指令等待时间太短则系统无法执行下一条指令，会造成通讯中断。

3 PLC下组态及编程方法

在支持Modbus通讯协议的基础条件下，首先需选择能够支持该协议的操作模块。当前多推荐选择CP341／CP441－2模块。CP341／CP441－2模块常态下对应有1／2个串行通讯接口，可支持Modbus通讯协议下的串行通讯需求。通过对该操作模块的应用，可以Modbus为载体，满足主从站通讯需求。具体的实现思路为：在实现 Modbus的过程中，基于CP341／CP441－2模块，插入与该通讯协议相对应的硬件狗，以确保Modbus通讯协议下所对应的＊.rtu格式数据信息能够为CP模块所支持与读取。

在基于Modbus通讯协议实现PLC模块组态与编程的过程中，由于所选择的操作模块为CP341／CP441－2模块，因此需要选择安装上述模块所对应的STEP75.x以及CP34.x软件驱动程序。所安装驱动程序覆盖运行内容包括：对CP341／CP441－2模块参数化处理窗口；基于满足串行通讯需求的FB程序模块；不同模板应用方式下对应例子程序模块；CP模块通讯口针脚定义标准。在通电条件下，完成CP341／CP441－2模块的初始化工作，初始化后SF灯处于“ON”状态。断电操作后，插入基于Modbus通讯协议的从站硬件狗，进而安装附属从站软件包。启动程序后，可对CP341／CP441－2模块进行双击启动操作，记录后期标称所需的模板硬件地址参数。进而，选择“Parameter”按钮，实现Modbus通讯协议下PC单机与PLC的可靠连接。需要特别注意以下几个问题：（1）在安装基于Modbus驱动程序的过程中，需要确保PLC处于“STOP”状态；（2）参数设置期间，Modbus通讯协议所对应的设置参数构成内容包括数据位指标、波特率指标、停止位指标、从站地址指标、奇偶校验位指标几方面。

在PLC编程操作期间，每针对PLC模块进行一次冷启动，就需对该Modbus功能模块进行一次初始化设置工作。该操作下的具体表现形式为：系统给CP－START1个上升沿触发信号，而在PLC模块冷启动的状态下，OB100即所执行的第1个功能模块，其主要功能在于面向基于Modbus的通讯协议实现相关参数的初始化设置工作。通讯功能块可通过对“FB8PSND－RK”进行调用，支持功能块与CP在通信上关系的构建，与之相对应的功能块也应组在工程中并下装到CPU中。

4 结语

本文围绕Modbus通讯协议在DCS以及PLC通讯领域中的应用要点展开了详细分析与探讨，其研究价值表现在：通过DCS中的Modbus通讯模块连接现场支持Modbus工况的设备或PLC的Modbus模块，能够实现现场分散设备或异构设备之间的集中统一控制，提高控制效率，降低控制费用，并可作为进一步研究应用PLC与DCS相结合的自动控制方案的基础。

［1］涂雷，周秀红.S7－200PLC与ACS550变频器的 Modbus通讯［J］.长江大学学报：自然科学版，2011（4）

［2］崔勇刚.Modbus通讯技术在连续重整装置的应用［A］.第五届全国石油和化学工业仪表及自动化技术交流研讨会论文集［C］，2006