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 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，實現設備間的數據交換。Modbus通信幾乎可通過任何物理介質實現，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，實現設備間的數據交換。Modbus通信幾乎可通過任何物理介質實現，如電線、光纖、紅外、射頻、擴頻、微波、衛(wèi)星等，它還可通過不同網絡進行互連，如以太網、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產品。另有多達150個軟件產品支持Modbus，如Matrikon公司的OPC產品。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)控和數據采集，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據傳輸。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位數據位，可選有/無校驗位，一位停止位。
　　通信接口和介質多種多樣，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、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，故與接口和介質無關，幾乎可用所有介質傳輸，在國內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，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。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+變頻調速器應用
　　

這是一種設備制造商(OEM)和傳統(tǒng)設備改造時經常使用的方案，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部的命令字和各參數的寄存器號，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瀏覽器使用因特網瀏覽器：如微軟Internet Explorer、網景公司Navigator等。
　　(3)網絡傳輸協(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。
　　互聯網上Web的出現可與計算機上出現的Windows相媲美，用戶可通過圖形界面得到網上的各種資源，入網門坎大大降低，上網人數大大增加，這也是這兩年為何網站和網民急劇增加的原因，也是為什么微軟和網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)網絡，使用戶網絡得到增值？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品中(如NOE、ETY以太網模板)已內置了許多通信和Web服務功能，用戶可按自己的需要，實現不同層次的服務。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Web功能，通過內置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)網頁，實現瘦客戶機的人機界面功能，另外，還可實現信息的發(fā)布與訂閱(也稱全局數據功能)、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網絡更緊密的連接；如通過電子郵件、手機短信、各種數據庫接口，來實現管理網和控制網的無縫集成。
　　
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、產品資料等服務器，實現在線學習、操作、維護，以及局域網、本地網、遠程網跨區(qū)域遠程現場設備的監(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)內任何網絡級別訪問，隨時掌握企業(yè)產品率、成品率及銷售和財務狀況，通過與SCM、ERP、CRM等互聯，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絡，故信息網和控制已合二為一，減少多重的數據庫，減少系統(tǒng)集成的難度，降低總體費用。
　　由于使用通用組件，從網絡、計算機到應用軟件都降低了IT的采購開銷，(如瀏覽器、網絡計算機、瘦客戶機、TCP/IP以太網等)，同時維護與備件費用也很低廉。
　　通過已有TCP/IP以太網，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人員還可把局域網接入Internet網，加上若干安全機制，如防火墻、VPN等技術，用戶可隨時、隨地以各種上網方式通過互聯網來獲取企業(yè)內信息。
　　
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，空調系統(tǒng)，加熱與制冷。
　　(4)采礦業(yè)
　　設備：SCADA/PLC/DCS/以太網；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/網絡；功能：通過網絡對稱重系統(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，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/無線網；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/網絡；功能：水泥生產過程的自動化。
　　(10)核技術
　設備：MCC/PLC/網絡；功能：控制氚(氫的放射性同位素)的生產。
　　(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”的聯絡員身份，目前正參與制造和過程自動化環(huán)境的數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，實時數據的發(fā)布與訂閱)協(xié)議，作為IEC的PAS(Publicly Available Specification，公共可用規(guī)范)。