MODBUS在過程控制系統中的應用

讀取和寫入數據

　　MODBUS擁有最多255個功能代碼，但是01（讀取輸出量）、02（讀取離散輸入）、03（讀取保持寄存器）以及04（讀取輸入寄存器）是最為常用的讀取功能代碼，這些代碼被用來從MODBUS從設備采集數據。

　　假如設備遵從了MODBUS配置的要求，那么設定主設備讀取和寫入數據、檢查狀態、獲取診斷信息以及執行各種控制和監視功能的編程任務就變得非常簡單了。

　　在大多數工廠里，現場儀表采用單獨的控制室直連對絞線電纜連接到控制系統（見下圖）。當儀表設備被連接到一種分散式I/O系統（例如來自于Moore Industries公司NCS系統）的時候（見中圖），你可以增加更多的現場設備，但是僅僅需要一根對絞線電纜就可以把所有數據傳送到MODBUS主站。在多個NCS系統以MODBUS網絡的方式組網連接的時候（見下圖），整個工廠的連接都能夠從對絞線電纜控制室直連的方式轉變成為MODBUS連接方式。

　　圖3：對等網連接模式。在某些案例當中，控制系統不能處理MODBUS信號。在這種情況下，可以采用使用雙重NCS設備的對等網解決方案，僅用一根MODBUS電纜就可以替代所有的控制室直連電纜。來自第二個NCS的模擬量輸出再通過硬接線直接連接到控制系統的I/O盤。

連接MODBUS設備

　　最容易的一種把現場設備連接到一個過程控制系統、PLC或是工業計算機系統的方法，就是簡單的把數字量以及模擬量I/O連接到一個具有MODBUS通訊能力的分散I/O系統里面。例如來自Moore Industries公司的NCS（Net Concentrator System）系統允許用戶對模擬量和數字量信號進行遠程連接，然后再通過雙絞線連接到一個MODBUS主設備。多個NCS系統可以安裝在全廠的幾個不同的地點，都通過MODBUS進行連接（參見圖2）。

　　這個解決方案即適合于新的工廠，也適用于現存的工廠。在許多現有的工廠里面，現場儀表設備通常是采用多芯電纜連接到DCS或者PLC系統的，每個設備都通過單獨的對絞電纜把模擬信號傳送出去。采用NCS系統，只需要這些電纜中的一個用來傳送MODBUS信號就可以了。假如工廠想要增加額外的現場儀表設備，卻不想安裝更多電纜（電纜安裝費用通常為每英尺100美元）的時候，這種解決方案就特別有用。一套分散I/O系統就可以滿足所有現存儀表I/O的需要，或者僅僅用它來傳送來自于所有新增現場儀表設備的數據。

　　在有些案例當中，控制系統不能處理MODBUS的信號。例如現有的控制系統有可能是為處理4到20毫安模擬量I/O和直接接線的數字量I/O而定制的，并且為現有的老系統進行重新編程使其支持MODBUS也非常困難。通常，用戶一般并不傾向于通過鋪設新電纜或是購買昂貴的MODBUS接口卡件來將新增加的遠程信號接入到系統中，因為對MODBUS接口卡件進行重新編程費用很高。在這種情況下，一種對等網絡方案（peer to peer）可以很好的解決問題。例如來自Moore Industries公司的CCS（Cable Concentrator System）和NCS（Net Concentrator System）系統就都具備對等網絡通訊能力。

　　NCS和CCS系統與一套分散I/O模件十分相似，但是具有更強的內建智能。并且NCS和CCS系統既可以被設置成對等網絡模式，也可以被設置成主從網絡（peer to host）模式。

　　使用一套對等網絡模式的NCS系統（參見圖3），配置了兩個網絡集中器;一個安裝在現場，另一個安裝在控制室。現場儀表被連接到遠程的那個NCS。這個遠程NCS與控制室里的NCS之間通過一根雙絞線進行連接。然后控制室NCS的輸出再通過硬接線接入現有控制系統的模擬I/O盤。采用這種方法，來自新增現場變送器的模擬信號就能夠以原來模擬信號的狀態通過工廠現有的模擬I/O卡件接入控制系統。這使得新增信號帶來的編程和調試工作與新增數字接口卡件相比大大減少。這種對等網絡解決方案也能夠滿足雙向式通訊的要求，在這種情況下系統的現場側和控制室一側都可以有輸入和輸出能力。

HART借助MODBUS

　　老式工廠面臨的另一個挑戰是找出一種便宜而又方便的方法來發揮已經安裝的和“將要安裝的”HART智能儀表的優勢。HART的意思是可尋址遠程傳感器高速通道。HART是一種數字化協議，其設計初衷是使變送器能夠通過傳統工廠安裝的銅質對絞線在傳送

　　一路模擬信號的同時傳送數字化的數據。這使用戶能夠通過在這根對絞線上任何一點的連接對變送器進行遠程或是本地的組態、測試以及診斷。HART從設備既可以采用點對點的方式連接，也可以采用多分支網絡的方式進行連接。點對點連接是最常見的HART連接方式，在這種方式下HART變送器通過改變模擬回路上的電流來表征所需要的過程變量。當然，只監視數字化的HART數據也是可以的;不過在點對點的運行模式下，很少有人這么做。在HART變送器控制電流的同時，它還能夠通過HART數據流發送多種數字化的信息包。過程變量數據和數字化信息數據都可以被HART從設備或是變送器傳送。這些數據可以被用來監視儀表的完好情況或是被過程控制系統或者資產管理系統用來優化過程，幫助實現更加嚴密的控制或者防止意外的過程波動。在某些情況下，現有工廠可能有數以百計具有HART能力的儀表。不幸的是，由于種種原因許多工廠從來不開發這些HART儀表的潛在能力。

　　在目前資產管理系統、遠程診斷系統和先進控制獲得廣泛應用的環境下，許多工廠都希望能夠把HART儀表的數字化信息提取出來，但是他們的控制系統和現存的接線方式無法支持這種要求。這些控制系統可能無法從數字信號里面提取HART數據，或是這些控制系統僅僅想要看到硬接線的數字量和模擬量I/O信號。一臺HART儀表可以通過HART信號發送多達四個過程變量：PV（第一變量）、SV（第二變量）、TV（第三變量）、FV（第四變量）。另外還有各種比特和字節的狀態數據也可以被HART信號所傳送。但是，如果控制系統不能夠從數字化的HART信號里面讀取這些額外的過程變量數據或是任何其它診斷信息和狀態信息，那么這些數據就被白白浪費了。

　　用戶當然也可以選擇利用這些HART數據，即使對現有工廠里的老式系統也是如此。有些DCS公司能夠提供新型的升級版本的模擬量I/O卡板，這種卡板有能力“辨認出”這些HART數據。不過這樣的卡板通常會比傳統的模擬量I/O卡板昂貴三到五倍。此外還有一些HART信號混合單元可以安裝在現有的模擬量I/O回路里面，這種接口單元具備RS422和RS485輸出端口，可以被連接到資產管理系統或者DCSes系統。當然，這類HART信號混合單元的價格也是令人望而卻步的。另一個選擇項就是使用一種HART到MODBUS的轉換器，就像來自Moore Industries公司的HIM（HART信號接口模件），這是一種效費比較高而且具有靈活性的解決方案，它能夠以合理的價格選擇性的監視僅僅少數回路或者很多回路。