摘要：在現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中，最常用的就是Modbus總線。本文主要介紹一種基于Modbus的遠(yuǎn)程溫度采樣控制，給出了PLC硬件接線原理，闡述了軟件設(shè)置與編程，在實(shí)際應(yīng)用中獲得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：Modbus；PLC；遠(yuǎn)程溫度采樣

1、前言

Modbus是由Modicon公司(現(xiàn)為施耐德電氣的一個(gè)品牌)在1978年發(fā)明的，這是一個(gè)劃時(shí)代、里程碑式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。

Modbus的巨大成功，可以歸結(jié)到以下3個(gè)方面：

a．標(biāo)準(zhǔn)、開放：用戶可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不用交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種，而且在國內(nèi)也有很多的用戶支持和使用Modbus的產(chǎn)品。

b．Modbus是面向消息的協(xié)議?？梢灾С侄喾N電氣接口，如：RS232、RS422、RS485等，還可以在多種介質(zhì)上傳送，如：雙絞線、光纜、無線射頻等。要說明的是：和很多的現(xiàn)場(chǎng)總線不同，它不用專用的芯片與硬件，完全采用市售的標(biāo)準(zhǔn)部件。這就保證了采用Modbus的產(chǎn)品造價(jià)最為低廉。

c．Modbus協(xié)議的幀格式是最簡(jiǎn)單、最緊湊的協(xié)議?？梢哉f：簡(jiǎn)單高效，通俗易懂。所以用戶使用容易，廠商開發(fā)簡(jiǎn)單。用戶和廠商可以通過ww.Modbus-IDA.org網(wǎng)站和其他網(wǎng)站，下載各種語言的樣例程序、控件、以及各種Modbus工具軟件，更好地使用Modbus。

本文將主要闡述一種基于Modbus的遠(yuǎn)程溫度采樣控制系統(tǒng)，使用2臺(tái)西門子S7-200PLC，將連接在從站PLC上的PT100溫度，顯示在具有Modbus總線接口的溫度表上。

2、Modbus在遠(yuǎn)程溫度采樣控制系統(tǒng)中的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總框圖如圖2.1所示。S7-200PLC從站獲取溫度信號(hào)（即PT100），將信息通過Modbus反饋到S7-200PLC主站上，再通過Modbus總線反饋到溫度表上，將溫度的上限和下限可以設(shè)置，并在信號(hào)燈進(jìn)行輸出，這樣就能夠更容易得觀察到溫度變化現(xiàn)象，時(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，更具人性化。

圖1系統(tǒng)總體框圖

（1）Modbus報(bào)文傳輸協(xié)議

Modbus地址通常是包含數(shù)據(jù)類型和偏移量的5個(gè)或6個(gè)字符值。第一個(gè)或前面兩個(gè)字符決定數(shù)據(jù)類型，最后的4個(gè)字符是符合數(shù)據(jù)類型的一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?。Modbus主站指令可以將地址映射至相應(yīng)的功能，以發(fā)送到從站。

Modbus地址與S7-200地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1映射Modbus地址到S7-200

Modbus通信協(xié)議有ASCII和RTU（遠(yuǎn)程傳輸單元）兩種報(bào)文傳輸模式。Modbus網(wǎng)絡(luò)中所有的站必須采用相同的傳輸模式和串口參數(shù)。本系統(tǒng)采用RTU模式，其報(bào)文格式如表2所示。

表2RTU模式的報(bào)文格式

地址：Modbus地址，1個(gè)字節(jié)。

功能碼：Modbus功能代碼，1個(gè)字節(jié)；Modbus協(xié)議支持的功能碼共16條（1-16）。

（2）Modbus通信指令

西門子專門為ModbusRTU通信開發(fā)了指令庫，及大地簡(jiǎn)化了ModbusRTU通信的開發(fā)，以便于快速實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用。通過ModbusRTU從站指令庫，使得S7-200可作為ModbusRTU中的從站設(shè)備集成到Modbus網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)與Modbus主站設(shè)備的通信。

西門子Modbus主站協(xié)議協(xié)議庫包括兩條主站協(xié)議指令：MBUS_CTRL指令和MBUS_MSG指令。MBUS_CTRL指令用于初始化主站通信，MBUS_MSG指令（或用于端口1的MBUS_MSG_P1）用于啟動(dòng)對(duì)Modbus從站的請(qǐng)求并處理應(yīng)答。

1）MBUS_CTRL指令如圖2所示。

圖2MBUS_CTRL指令        圖3MBUS_MSG指令

主要參數(shù)含義如下：

Mode：“模式”參數(shù)，輸入數(shù)值來選擇通信協(xié)議。1將CPU端口分配給Modbus協(xié)議并啟用該協(xié)議；0將CPU端口分配給PPI系統(tǒng)協(xié)議，并禁用Modbus協(xié)議。

Baud：“波特率”參數(shù)。MBUS_CTRL指令支持的波特率為19200、38400、57600或115200bit/s。

Parity：“奇偶校驗(yàn)”參數(shù)。“奇偶校驗(yàn)”參數(shù)被設(shè)為與Modbus從站奇偶校驗(yàn)相匹配。所有設(shè)置使用一個(gè)起始位和一個(gè)停止位?？山邮艿臄?shù)值為：0-無奇偶校驗(yàn)，1-奇校驗(yàn)，2-偶校驗(yàn)。

2）MBUS_MSG指令如圖3所示。

主要參數(shù)含義如下：

First：“首次”參數(shù)。“首次”參數(shù)應(yīng)該在有新情求要發(fā)送時(shí)才打開以進(jìn)行一次掃描。“首次”輸入應(yīng)當(dāng)通過一個(gè)邊沿檢測(cè)元素（例如上升沿）打開，這將導(dǎo)致請(qǐng)求被傳送一次。

Slave：“從站”參數(shù)。“從站”參數(shù)是Modbus從站的地址，允許的范圍是0-247.地址0是廣播地址，只能用于寫請(qǐng)求，不存在對(duì)地址0的廣播請(qǐng)求的應(yīng)答。并非所有的從站會(huì)支持廣播地址，S7-200Modbus從站協(xié)議庫不支持廣播地址。

RW：“讀寫”參數(shù)。“讀寫”參數(shù)指定是否要讀取或?qū)懭朐撓ⅰ?ldquo;讀寫”參數(shù)允許使用下列兩個(gè)值：0-讀，1-寫。

Addr：“地址”參數(shù)。“地址”參數(shù)是起始的Modbus地址。

Count：“計(jì)數(shù)”參數(shù)。“計(jì)數(shù)”參數(shù)指定在該請(qǐng)求中讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)元素的數(shù)目。“計(jì)數(shù)”數(shù)值是位數(shù)（對(duì)于位數(shù)據(jù)類型）和字?jǐn)?shù)（對(duì)于字?jǐn)?shù)據(jù)類型）。

西門子Modbus從站協(xié)議庫包括兩條從站指令：MBUS-INIT指令和MBUS-SLAVE指令（圖4和圖5）。

圖4MBUS_INIT指令      圖5MBUS_SLAVE指令

3、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

PLC硬件接線圖如圖6所示。PLC部分略去不講，主要介紹外部元器件。

圖6PLC硬件接線圖

（1）溫度表

由于是總線控制的溫度表，一般都選用支持Modbus的RS485型數(shù)顯儀（如圖7所示）。

圖7溫度表

（2）PT100

西門子S7-200支持兩種類型的溫度傳感器，即熱電阻和熱電偶，其溫度模塊也有不同，必須合理配置。圖8為常用的PT100熱電阻。

圖8PT100外表

4、系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)

利用指令庫編程前首先應(yīng)為Modbus從站分配存儲(chǔ)區(qū)，否則Micro/Win軟件編譯時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。通過Micro/Win軟件菜單命令“文件”→“庫存儲(chǔ)區(qū)”，打開“庫存儲(chǔ)區(qū)分配”對(duì)話框。在“庫存儲(chǔ)區(qū)分配”對(duì)話框中輸入庫存儲(chǔ)區(qū)的起始地址，注意避免該地址和程序中已經(jīng)采用或準(zhǔn)備采用的其他地址重合。單擊“建議地址”按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算存儲(chǔ)區(qū)的截止地址。

而對(duì)于從站來說，S7-200作Modbus通信要用到自由口通信下的ModbusSlave庫，對(duì)于此庫的應(yīng)用要注意的是：ModbusSlave庫僅支持ModbusPTU通信模式，不支持ASCII通信模式；目前的ModbusSlave庫僅支持通信口Port0。使用ModbusSlave庫時(shí)也要注意對(duì)庫分配內(nèi)存區(qū)空間，否則編譯后會(huì)出現(xiàn)很多的錯(cuò)誤。如圖9所示。

圖9調(diào)用的庫要分配系統(tǒng)內(nèi)存地址區(qū)

編程時(shí)使用SM0.1調(diào)用子程序MBUS_INIT進(jìn)行初始化，使用SM0.0調(diào)用MBUS_SLAVE，并指導(dǎo)相應(yīng)參數(shù)。關(guān)于參數(shù)的詳細(xì)說明，可在子程序的局部變量表中找到。

初始化Modbus從站如圖10所示。

圖10調(diào)用ModbusPTU通信指令庫

圖中參數(shù)意義如下：

a．模式選擇：?jiǎn)?dòng)/停止Modbus，1=啟動(dòng)；0=停止

b．從站地址：Modbus從站地址，取值1-247

c．波特率：可選1200,2400,4800,9600,19200，38400,57600,115200

d．奇偶校驗(yàn)：0=無校驗(yàn)；1=奇校驗(yàn)；2=偶校驗(yàn)

e．延時(shí)：附加字符間延時(shí)，缺省值為0

f．最大I/O位：參與通信的最大I/O點(diǎn)數(shù)，S7-200的I/O映像區(qū)為128/128，缺省值為128

g．最大AI字?jǐn)?shù)：參與通信的最大AI通道數(shù)，可為16或32

h．最大保持寄存器區(qū)：參與通信的最大V存儲(chǔ)區(qū)字（VW）

i．保持寄存器區(qū)起始地址：以&VBx指定（間接尋址方式）

j．初始化完成標(biāo)志：成功初始化后置1

k．初始化錯(cuò)誤代碼

l．Modbus執(zhí)行：通信中時(shí)置1，無Modbus通信活動(dòng)時(shí)為0

m．錯(cuò)誤代碼：0=無錯(cuò)誤

從程序截圖中可見，S7-200作為Modbus從站，從站地址為10，接收存儲(chǔ)區(qū)為VB0開始。

調(diào)用Modbus主站指令編程前也應(yīng)分配庫存儲(chǔ)區(qū)，與從站編程類似。主站主程序如圖11所示。

圖11主站主程序

5、結(jié)束語

Modbus是公開通信協(xié)議，其具有兩種串行傳輸模式，ASCII和RTU。它們定義了數(shù)據(jù)如何打包、解碼的不同方式。通信雙方必須同時(shí)支持上述模式中的一種，通常支持Modbus通信的設(shè)備大都支持RTU格式。本文主要介紹了其中的一種RTU協(xié)議，應(yīng)用在遠(yuǎn)程溫度采樣控制中。該系統(tǒng)可以在需要實(shí)時(shí)了解和掌握惡劣現(xiàn)場(chǎng)工礦的溫度采樣控制中進(jìn)行實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

[l]劉華波.西門子S7-200PLC編程應(yīng)用案例精選[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[2]李方園.零起點(diǎn)學(xué)西門子變頻器應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[3]李方園.零起點(diǎn)學(xué)習(xí)西門子S7-200PLC[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012

[4]李方園.西門子S7-200PLC從入門到實(shí)踐[M].電子工業(yè)出版社，2010

[5]廖常初.S7-200PLC編程及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2008