Modbus通信在PLC通道檢測中的應用

Modbus-TCP實現了在TCP/IP以太網上以客戶/服務器方式的Modbus報文通信。這種通信模型是將Modbus協議作為應用層協議嵌入到低層TCP/IP協議中構成的。與標準Modbus幀相比，Modbus-TCP幀中的尋址與校驗交由TCP/IP協議完成。如圖3所示，使用封裝的方法將Modbus PDU嵌入到TCP報文中形成Modbus-TCP幀，該幀在PDU之前形成了一個占用7個字節大小的MBAP幀頭，幀頭可以劃分為四部分，如表3所示。

交易標識符用于交易校驗，服務器端節收到由客戶發來的請求交易標識符并復制到響應中。協議標識符用于系統內多路復用傳輸，取0值時代表Modbus協議傳輸。長度域記錄了該域后續報文的字節長度(包括設備識別符和數據域)，用于服務器識別報文的傳輸結束。設備標識符用于系統內路由，當需要與通過以太網網關連接的Modbus串行鏈路或Modbus-Plus通信網絡上的設備進行通信時，該標識符域的值由Modbus-TCP客戶在請求幀中設置，服務器接收到后，在響應幀中復制該值。

3 Modbus-TCP應用

針對施奈德電氣旗下的Quantum系列PLC，為了加快完成這方面的工作，采用自編寫的程序實現計算機對PLC的四種數據類型直接操作。硬件方面，Quantum系列PLC有能提供以太網接口的網絡模塊，通過底板與CPU通信，它作為Modbus-TCP通信的服務器，不需要我們做其他編程工作。PLC為上文所陳述的四種數據類型定義了四個獨立的內存區，其中離散輸入為1區，線圈為0區，輸入寄存器為3區，輸出寄存器為4區，尋址方式為區號加上5位的十進制地址，當輸入地址不足6位時，系統將自動認為最高位數值為內存分區號，其后數值為該區域內的地址編號。由于操作的目的在于檢驗PLC系統中IO通道的正確性，所需要使用的功能碼有:讀線圈01、讀離散輸入02、讀保持寄存器03、讀輸入寄存器04、寫多線圈15和寫多個寄存器16。

一次完整的Modbus-TCP通信在時間上可以劃分為三個步驟:連接的建立、Modbus數據傳輸和連接的釋放。在進行Modbus數據傳輸之前首先要建立起一個連接，設備是通過在502端口提供一個監聽口(socket)來允許與其它設備建立新連接和進行數據傳輸。當某一設備需要與遠方的服務器進行數據交換時，必須通過自身大于1024的端口與服務器的502端口建立連接。TCP連接建立后，客戶端設備便可以發送Modbus請求幀到服務器，服務器接收到請求后作出響應，向連接客戶的端口發送響應報文。傳輸結束時，客戶端負責進行釋放通信連接的初始化工作。

程序在DOS模式下運行，提供有以下運行參數:
-ip: 即目標服務器的IP地址;
-p: PLC的Modbus通信端口，默認值為502;
-c: 服務器執行功能碼的操作對象數量;
-r: 操作的起始地址;
-w: 寫操作參數;
-a: 自動操作模式;
-t: 自動操作的時間間隔;
-b: 線圈寫操作的布爾值。

4 結束語

通過以太網來實現計算機直接讀寫PLC數據，使得廠級監控網絡能夠直接與現場設備通信，監控人員能夠在熟悉的計算機畫面上對PLC通道進行檢測，與依靠人為施加信號來進行檢測相比，前者明顯地降低了操作人員的工作量，而且當需要檢測的IO點數量越大時，效率越高。本程序只是Modbus與TCP/IP協議結合的一個簡單應用，雖然以太網的實時性、穩定性和抗干擾性已得到很大的發展，但要把以太網真正應用到實際的控制中還有很多技術難題，這還要走很長一段路。不過以太網進入自動控制領域已是必然趨勢，它將使控制變得更加簡單和清楚。