ModBus协议在工业控制系统中的应用

一、ModBus协议简介

　　当今世界，工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制。在进入网络时代的今天，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。ModBus协议就是工业控制器的网络协议中的一种。ModBus协议是Modicon公司于1978年发明的一种用于电子控制器进行控制和通讯的通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以进行通信。它的开放性、可扩充性和标准化使它成为一个通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以简单可靠地连成工业网络，进行系统的集中监控，从而使它成为最流行的协议之一。

　　ModBus协议包括ASCII, RTU, PLUS, TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的ModBus 是使用RS-232C 兼容串行接口， RS-232C规定了连接器针脚、接线、信号电平、波特率、奇偶校验等信息，ModBus的ASCII, RTU协议则在此基础上规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式。ModBus控制器的数据通信采用Master/Slave方式（主/从），即Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求;Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

　　ModBus可以应用在支持ModBus协议的PLC和PLC之间、PLC和个人计算机之间、计算机和计算机之间、远程PLC和计算机之间以及远程计算机之间（通过Modem连接），可见ModBus的应用是相当广泛的。由于ModBus是一个事实上的工业标准，许多厂家的PLC, HMI、组态软件都支持ModBus，而且ModBus是一个开放标准，其协议内容可以免费获得，一些小型厂商甚至个人都可根据协议标准开发出支持ModBus的产品或软件，从而使其产品联入到ModBus的数据网络中。因此，ModBus有着广泛的应用基础。在实际应用中，可以使用RS232, RS 485 /422 , Modem加电话线、甚至TCP/IP来联网。所以，ModBus的传输介质种类较多，可以根据传输距离来选择。

二、ModBus协议的通讯格式

　　ModBus可分为两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。使用何种模式由用户自行选择，包括串口通信参数（波特率、校验方式等）。在配置每个控制器的时候，同一个ModBus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。

　　2.1 ASCII模式

　　当控制器设为在ModBus网络上以ASCII模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

　　表1 ASCII模式的消息帧

　　如表1所示，使用ASCII模式，消息以冒号（：）字符（ASCII码3AH）作为起始位，以回车换行符（ASCII码0DH, 0AH）作为结束符。传输过程中，网络上的设备不断侦测“：”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备就解码下个位的地址域，来判断是否发给自己的。与地址域一致的设备继续接受其它域，直至接受到回车换行符。除起始位和结束符外，其他域可以使用的传输字符是十六进制的0…9，A…F，当然也要用ASCII码表示字符。当选用ASCII模式时，消息帧使用LRC（纵向冗长检测）进行错误检测。

　　2.2RTU模式

　　当控制器设为RTU模式时，消息帧中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。

　　表2 RTU模式的消息帧

　　该模式下消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输过程中，网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域（地址域）接收到，相应的设备就对接下来的传输字符进行解码，一旦有至少3. 5个字符时间的停顿就表示该消息的结束。

　　在RTU模式中整个消息帧必须作为一连续的流转输，如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3. 5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。如果在传输过程中有以上两种情况发生的话，必然会导致CRC校验产生一个错误消息，反馈给发送方设备。

　　当控制器设为RTU（远程终端单元）模式通信时，消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种模式与ASCII模式相比在同样的波特率下，可比ASCII模式传送更多的数据。

三、系统设计

本文所设计的系统是一个基于modbus的工业控制网络，它主要由实现现场控制功能的智能控制仪表、实现对智能控制仪表在线配置与监控功能的主机两部分组成。作为从机的现场智能控制仪表主要任务有：实现现场温度采集、输出控制、显示、系统配置以及响应主机激励;主机的主要任务是在线配置从机、监控从机从而得到相应从机