【摘 要】 本文介紹了在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛使用的ModBus通信協(xié)議。以ModBus的ASCII方式為例，剖析了ModBus的指令結(jié)構(gòu)，著重說明基于ModBus通信協(xié)議的設(shè)備之間如何進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、如何使用ModBus通信協(xié)議把衡器接入PLC系統(tǒng)，并簡單介紹了PLC系統(tǒng)與局域網(wǎng)的互聯(lián)。
【關(guān)鍵詞】 ModBus通信協(xié)議；PLC可編程控制器；衡器
在衡器行業(yè)中，但凡涉及串行通信時(shí)，工程師們都會(huì)有一種無奈，就是通信協(xié)議問題。由于我國衡器廠眾多，各自采用自己的通信協(xié)議，使得通信協(xié)議五花八門，互不兼容。由于是自成一體，也為后續(xù)與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、維修、儀表配件互換等留有后遺問題。若采用一種工業(yè)控制領(lǐng)域的主流協(xié)議，各衡器廠的通信協(xié)議都與這個(gè)主流協(xié)議兼容，那么上述問題自然迎刃而解。這個(gè)主流協(xié)議*ModBus。
一、什么是ModBus
ModBus是一種通信協(xié)議，是由Modicon公司發(fā)表于1979年，主要用于PLC（可編程邏輯控制器）系統(tǒng)。目前，在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備通信連接中，ModBus已是相當(dāng)常見的一種連接方式。
二、ModBus與其他通信協(xié)議比較
1、物理層簡單、價(jià)廉：ModBus可以在常用且廉價(jià)的RS232、RS485等物理媒介上運(yùn)行，不像CanBus、ProfiBus、BitBus等需昂貴的芯片支持。
2、免費(fèi)：ModBus是一種公開的，可以無償使用的協(xié)議。而使用ProfiBus則需要向有關(guān)組織登記繳費(fèi)。
3、使用普及：ModBus是當(dāng)前工業(yè)控制中使用zui廣的一種通信協(xié)議，基于這點(diǎn)，具有ModBus的設(shè)備接入工控系統(tǒng)相對(duì)容易。
4、維護(hù)方便：由于接入ModBus總線相對(duì)其他工控總線而言，比較簡單。一般具有RS232、RS485等串行口的PC機(jī)都可以接入，使用PC機(jī)自帶的超級(jí)終端軟件或其他串行控制軟件，就能觀察ModBus通信過程，可以很方便地查出故障站點(diǎn)。
第十一屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集
2
稱重科技 三、ModBus的主要型式
ModBus主要有四種型式：ASCII、RTU、TCP/IP和Plus。
1、ASCII型式：采用ASCII碼進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用縱向冗余校驗(yàn)的校驗(yàn)和（LRC）進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。
2、RTU型式：采用二進(jìn)制碼進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用循環(huán)冗余校驗(yàn)的校驗(yàn)和（CRC）進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。
3、TCP/IP型式：主要用于以太網(wǎng)，不使用校驗(yàn)和進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。
4、Plus型式：該型式為Modicon公司專有，采用專門的協(xié)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
目前，使用zui廣泛的型式是ASCII和RTU，主要采用RS232、RS422、RS485進(jìn)行物理連接，其中RS485使用zui多。
四、ModBus的結(jié)構(gòu)
ModBus協(xié)議是一個(gè)master（主）/slave（從）架構(gòu)的協(xié)議。有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是master節(jié)點(diǎn)，其他使用Modbus協(xié)議參與通信的節(jié)點(diǎn)是slave節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)slave設(shè)備都有一個(gè)*的地址。ModBus的通信比較簡單，由master發(fā)通信指令，指令中含有欲于之通信的slave站號(hào)。當(dāng)master發(fā)指令時(shí)，所有slave都處于收聽狀態(tài)，一旦slave收聽到與自己地址相同的站號(hào)時(shí)，立刻執(zhí)行指令的內(nèi)容，并回傳執(zhí)行的結(jié)果。
五、ASCII型式的ModBus通信協(xié)議的格式
在ModBus上通信時(shí)，各站點(diǎn)的通信參數(shù)必須一致，如：波特率、奇偶校驗(yàn)。
通信時(shí)，一個(gè)信息字節(jié)中的每8位分為兩個(gè)ASCII字符進(jìn)行傳輸，允許字符傳輸間隔在1秒之內(nèi)。
1、ASCII型式每一字節(jié)的格式
16進(jìn)制編碼，ASCII字符（0-9、A-F），即：0x30-0x39、0x41-0x46。
1位開始位、7位數(shù)據(jù)位（先低后高）、1位奇偶校驗(yàn)（無奇偶校驗(yàn)時(shí)為0）、1位停止位。
2、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤校驗(yàn)采用縱向冗余校驗(yàn)（LRC）
3、通信幀格式（ModBus命令格式）
開始
地址（站號(hào)）
功能
數(shù)據(jù)
校驗(yàn)（LRC）
結(jié)束
：（0x3a）
xx
xx
x...
xx
CR、LF（0x0d、0x0a）
1字符
2字符
2字符
N字符
2字符
2字符
一個(gè)基本的ModBus命令，除了開始、校驗(yàn)、結(jié)束字符外，還必須有地址項(xiàng)及功能項(xiàng)。地址——也就是站號(hào)，想要被操作的對(duì)象（slave站號(hào)）；功能——想要被操作的對(duì)象完成的任務(wù)。ModBus命令可以沒有數(shù)據(jù)項(xiàng)。
被操作的對(duì)象，在完成所要求的操作后，必須回傳一幀信息，傳遞操作結(jié)果?；貍餍畔⒌母袷?br />第十一屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集
2012.5·南京
3
自 動(dòng) 衡 器 篇
與命令格式相同，只是數(shù)據(jù)內(nèi)容為操作的結(jié)果。
六、利用ModBus，實(shí)現(xiàn)PLC與電子稱重設(shè)備的通信
為了使大家對(duì)Modbus有更進(jìn)一步的了解，下面用例子方式說明如何把電子稱重設(shè)備接入PLC控制系統(tǒng)的Modbus總線網(wǎng)絡(luò)。例子中的稱重儀表為上海彩信電子科技有限公司生產(chǎn)的XK311增強(qiáng)型儀表。本例中，1臺(tái)PLC作為主機(jī)（master），10臺(tái)電子秤作為從機(jī)（slave），使用XK311增強(qiáng)型儀表作為電子秤顯示儀表，從機(jī)地址為70、71、72、....79。通過RS485連接PLC和各儀表，采用ModBus ASCII通信協(xié)議。PLC可以對(duì)各臺(tái)儀表進(jìn)行置零、去皮、讀取重量等多項(xiàng)操作。稱重系統(tǒng)示意圖如圖1所示，圖中的計(jì)算機(jī)是在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)接入RS485總線的，用以觀察RS485中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，正常工作時(shí)是移除的。
圖1 稱重系統(tǒng)示意圖
上述系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：
1、正常工作時(shí)，PLC每隔10秒輪詢一次，獲取每臺(tái)秤的重量。
2、當(dāng)秤臺(tái)上重量異常時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出警告信息，提示控制室人員注意。
3、控制人員可以通過PLC，對(duì)某臺(tái)秤發(fā)出置零、去皮等操作指令。
4、PLC可對(duì)各臺(tái)秤的稱量，進(jìn)行各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，生成必要的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。
七、ModBus與局域網(wǎng)互連
現(xiàn)在，很多PLC都具有局域網(wǎng)接口，通過該接口，就可以遠(yuǎn)程控制稱重系統(tǒng)了。當(dāng)然，也可以通過接在Modbus總線上的PC機(jī)，利用PC機(jī)的軟、硬件資源，編制相應(yīng)的軟件，將重量信號(hào)傳送到局域網(wǎng)上。若局域網(wǎng)通過路由器接入因特網(wǎng)，很顯然重量數(shù)據(jù)就可以在因特網(wǎng)上傳輸了。本系統(tǒng)是通過PLC的DH+網(wǎng)絡(luò)接入局域網(wǎng)的。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)部分使用的協(xié)議，*TCP/IP、NetBEUI。Modbus也有相關(guān)的TCP/IP型式，這里就不再贅述了，大家可以參考相關(guān)的書籍。
上述的稱重系統(tǒng)只是PLC的一個(gè)子系統(tǒng)，是后期改造的一個(gè)項(xiàng)目。其整個(gè)PLC系統(tǒng)（見圖2）是采用美國ROCKWELL公司的PLC，共有5臺(tái)PLC機(jī)箱（采用PLC5系列）、4臺(tái)工控機(jī)和2臺(tái)服務(wù)器、若干臺(tái)PC組成的。PLC采用ROCKWELL公司的DH+網(wǎng)絡(luò)連接，使用DF1協(xié)議；其中1
第十一屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集
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稱重科技 臺(tái)PLC與稱重系統(tǒng)采用RS485連接，使用Modbus協(xié)議；DH+網(wǎng)絡(luò)通過1臺(tái)作為連接橋的工控機(jī)，連入局域網(wǎng)。工控機(jī)上的監(jiān)控軟件是RSVIEW32，操作人員通過該軟件的人機(jī)界面，觀察各項(xiàng)數(shù)據(jù)，發(fā)出各項(xiàng)指令，當(dāng)然也包括稱重?cái)?shù)據(jù)及指令。另外，局域網(wǎng)上的PC機(jī)也安裝了RSVIEW32軟件，只不過取消了操作指令，但可以通過該軟件觀察各項(xiàng)數(shù)據(jù)，便于其他相關(guān)人員關(guān)注設(shè)備運(yùn)行情況。
圖2 PLC系統(tǒng)圖
八、結(jié)束語
本文簡單介紹了ModBus通信協(xié)議，例舉了電子秤采用RS485串行接口接入PLC系統(tǒng)，用ModBus通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與PLC的實(shí)時(shí)通信。由于水平有限，如有錯(cuò)誤的地方，望諒解。
PLC程序采用的是梯形圖，其中有對(duì)串行口進(jìn)行操作的梯形圖，設(shè)置圖中的相關(guān)屬性，如波特率、奇偶校驗(yàn)，把相關(guān)的Modbus操作命令寫入其中即可。有關(guān)PLC的編程請參閱ROCKWELL公司的《PLC5指令系統(tǒng)與使用說明》。
關(guān)于XK311增強(qiáng)型儀表的ModBus協(xié)議及指令舉例，請看附錄。
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自 動(dòng) 衡 器 篇
附錄：
XK311增強(qiáng)型儀表的ModBus協(xié)議格式
說明
報(bào)頭
站號(hào)
功能碼
首址
數(shù)據(jù)量
數(shù)據(jù)值
校驗(yàn)碼
報(bào)尾
指令
：
xx
xx
xxxx
xxxx
xxxx
LRC
\CR\ LF
回傳
：
xx
xx
xx
xxxx
LRC
\CR
\ LF
出錯(cuò)回傳
：
xx
xx
zui高位置1
xx
錯(cuò)誤碼
LRC
\CR
\ LF
報(bào)頭、報(bào)尾：所有指令均以冒號(hào)（：）開始，以回車符、換行符結(jié)束。
站號(hào)：2個(gè)ASCII碼，范圍為01-90（16進(jìn)制：0x01-0x）。
功能碼：2個(gè)ASCII碼。
02：讀繼電器輸出狀態(tài)；
04：讀稱量狀態(tài)（顯示值、皮重等）；
05：置零操作；
06：皮重操作；
07：通信測試；
08：讀定值；
09：寫定值。
首址：4個(gè)ASCII碼，讀寫數(shù)據(jù)的位置。
數(shù)據(jù)量：4個(gè)ASCII碼，讀寫數(shù)據(jù)的數(shù)量。
數(shù)據(jù)值：讀寫的數(shù)據(jù)。
校驗(yàn)碼：2個(gè)ASCII碼，采用LRC校驗(yàn)。
LRC校驗(yàn)碼運(yùn)算：報(bào)頭（：）不參與運(yùn)算，LRC在數(shù)據(jù)之后，在\CR\LF之前。參加運(yùn)算的是報(bào)頭之后，LRC之前的所有數(shù)據(jù)。LRC為參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)之和的補(bǔ)碼，舍去進(jìn)位。
當(dāng)儀表執(zhí)行指令出錯(cuò)時(shí)，會(huì)回傳錯(cuò)誤碼，并將功能碼的zui高位置1。
錯(cuò)誤碼：
00--接收到的功能碼出錯(cuò)；
01--數(shù)據(jù)地址錯(cuò)；
02--數(shù)據(jù)數(shù)量錯(cuò)；
03--數(shù)據(jù)值錯(cuò)，如：預(yù)置皮重大于zui大稱量FS；
04--稱量為負(fù)時(shí)去皮；
05--不在稱重狀態(tài)時(shí)置零；
06--稱量不穩(wěn)定時(shí)置零；
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稱重科技

07--稱量>2%FS時(shí)置零；
08--稱量<-2%FS時(shí)置零。
接下來以地址為78（16進(jìn)制為4E）號(hào)的儀表為例，詳述每條指令。PLC作為master，發(fā)送指令；電子秤儀表作為slave，接收指令，并回傳執(zhí)行結(jié)果。
讀取重量數(shù)據(jù)（功能碼：04）
說明
報(bào)頭
站號(hào)
功能碼
首址
數(shù)據(jù)量
數(shù)據(jù)值
校驗(yàn)碼
報(bào)尾
指令
：
4E
04
0000
0007
A7
\CR\ LF
回傳
：
4E
04
07
120003E70000CA
E1
\CR\ LF
例中：站號(hào)4E，即78號(hào)；功能碼04表示要讀取重量數(shù)據(jù)；儀表的重量數(shù)據(jù)專門放置在重量數(shù)據(jù)單元，其地址從0000到0006，共7個(gè)字節(jié)。其中0000：狀態(tài)數(shù)據(jù)；0001-0003：顯示值；0004-0006：皮重值。讀取重量數(shù)據(jù)時(shí)，可以單獨(dú)讀，也可以2個(gè)一起讀或全部讀。首址0000表示從重量數(shù)據(jù)的0000地址開始讀取；數(shù)據(jù)量0007表示共要讀取7字節(jié)數(shù)據(jù)；校驗(yàn)碼A7表示校驗(yàn)和LRC=A7。
當(dāng)PC發(fā)出指令后，每個(gè)從站儀表都會(huì)接收，只有與指令中的站號(hào)相同的儀表，才會(huì)響應(yīng)，回傳所需信息。
78號(hào)地址的儀表，收到上述指令后，會(huì)回傳“：4E0407120003E70000CAE1\CR\LF”
其中“120003E70000CA”是PC想得到的78號(hào)站的重量信息。
12--狀態(tài)數(shù)據(jù)，表示當(dāng)前顯示為正、重量穩(wěn)定、顯示值是凈重，當(dāng)前數(shù)據(jù)包含2位小數(shù)；
0003E7--顯示值，同狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合考慮，即：當(dāng)前的顯示是凈重9.99kg；
0000CA--皮重值，即：當(dāng)前的皮重是2.02kg。
數(shù)據(jù)校驗(yàn)：所有被參與校驗(yàn)的數(shù)據(jù)+校驗(yàn)碼=0（舍去進(jìn)位）。
0x4E+0x04+0x00+0x00+0x00+0x07+0xA7=0x100，舍去進(jìn)位1后，等于0，表示數(shù)據(jù)檢驗(yàn)正確。
狀態(tài)數(shù)據(jù)：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0：正
1：負(fù)
0：不在零位
1：在零位
0：穩(wěn)定
1：動(dòng)態(tài)
0：毛重
1：凈重
恒為0
000：無小數(shù)；001：1位小數(shù);
010：2位小數(shù)；011：3位小數(shù)
如要單獨(dú)讀顯示值，可發(fā)指令“：4E0400030003A8\CR\LF”
78號(hào)儀表回傳“：4E04030003E7C1\CR\LF”
如要同時(shí)讀顯示值及皮重，可發(fā)指令“：4E0400030006A5\CR\LF”
78號(hào)儀表回傳“：4E04060003E70000CAF4\CR\LF”
第十一屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集
7
自 動(dòng) 衡 器 篇
置零操作（功能碼：05）
報(bào)頭
站號(hào)
功能碼
首址
數(shù)據(jù)量
數(shù)據(jù)值
校驗(yàn)碼
報(bào)尾
指令
：
4E
05
AD
\CR\LF
回傳
：
4E
05
AD
\CR\LF
說明
置零成功
回傳
：
4E
85
07
26
\CR\LF
說明
置零失敗，重量>2%FS
去皮操作（功能碼：06）
報(bào)頭
站號(hào)
功能碼
首址
數(shù)據(jù)量
數(shù)據(jù)值
校驗(yàn)碼
報(bào)尾
指令
：
4E
06
0004
0003
000064
41
\CR\LF
回傳
：
4E
06
03
000064
45
\CR\LF
說明
設(shè)置皮重=100，顯示凈重
指令
：
4E
06
0004
0000
A8
\CR\LF
回傳
：
4E
06
03
0000C9
E0
\CR\LF
說明
操作前為毛重狀態(tài)，操作后，把毛量作為皮重，皮重=201，顯示凈重為0
指令
：
4E
06
0004
0000
A8
\CR\LF
回傳
：
4E
06
03
000000
A9
\CR\LF
說明
操作前為凈重狀態(tài)，操作后，恢復(fù)毛量顯示，皮重=0
去皮操作正確執(zhí)行后，回傳的數(shù)據(jù)為去皮操作后的皮重值。
讀取定值（功能碼：08）
報(bào)頭
站號(hào)
功能碼
首址
數(shù)據(jù)量
數(shù)據(jù)值
校驗(yàn)碼
報(bào)尾
指令
：
4E
08
0001
0004
A5
\CR\LF
回傳
：
4E
08
04
00006400
45
\CR\LF
說明
首址：0001--1#定值、0005--2#定值、0009--3#定值、000D--4#定值、0011--5#、0015--6#定值；
數(shù)據(jù)中，前3字節(jié)表示定值，例中：000064表示1#定值=100
后1字節(jié)廠家保留，這里不用。
指令
：
4E
08
0005
0004
A1
\CR\LF
回傳
：
4E
08
04
00012C00
79
\CR\LF
說明
2#定值=300
指令
：
4E
08
000D
0004
99
\CR\LF
回傳
：
4E
08
04
0003E800
BB
\CR\LF
說明
4#定值=1000
第十一屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集