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MODBUS通信协议应用


ModBus RTU 通讯协议是 Modicon 公司的注册商标, 采用主从问答方 式工作,是目前国际智能化仪表普遍采用的主流通讯协议之一[1]。 ModBus RTU 通讯协议有两种传输模式,分为 RTU 模式和 ASCII 模 式,其中 RTU 模式信息帧中的 8 位数据包括两个 4 位 16 进制字符, 相对于 ASCII 模式,RTU 模式表达相同的信息需要较少的位数,且

在相同通讯速率下具有更大的数据流量。因此通常情况下,一般工业 智能仪器仪表都是采用 RTU 模式。江阴长江斯菲尔公司生产的电力 仪表大都采用 MODBUS RTU 通讯协议, 允许一台主机和多台从机之 间进行数据通信,在其生产的 CD194E 系列仪表通讯系统中,主机是 微机(PC、工控机或 PLC),从机是 CD194E 型仪表。在该分散通讯 系统中, 允许总线挂接仪表多达 128 块, 通讯距离可达到 1 千 200 米。 通讯方式采用主机请求,从机应答,即:主机提出命令请求,从机接 收数据后作数据分析,如果数据满足通讯规约,从机作数据响应。 使用 CD194E 型网络电力仪表时,首先要进行通讯参数的设置: 通过仪表上的编程键盘对仪表进行通讯参数设置: (1)仪表地址:设 置通讯网络中从机(仪表)地址号,可以设置为 1~247。 (2)通讯 速度:设置通讯网络中通讯速度,可选择通讯速度(波特率)为 4800 或 9600。下位机与上位机的通信波特率一般可自由设定,但必须保 证上下机的通信波特率对应匹配。 (3)数据格式:设置通讯网络中数 据格式:1 个起始位,8 个数据位,1 个停止位,可选择无校验位、 奇校验位、偶校验位。 (4)通讯协议:可选择字通讯或字节通讯。网 络连接如图 1 所示。连接好仪表上通讯线(RS485:A+,B-) 。连接线

建议采用双绞屏蔽线,同时双绞屏蔽线的两端都接地,以减少现场干 扰。增加终端电阻 Z0=120 可减少反射干扰,建议在通讯速度快

(9600)或通讯距离较远的情况下(>700m)的情况下连接。 主从机间的通讯约定:主机发送的每一帧数据由四个部分组成, 分别为从机地址、命令字、信息字、校验码。从机地址(1 个字节) 是从机设备号,主机利用从机地址来识别进行通讯的从机设备,表明 用户设置地址的从机将接收主机发送来的信息。 每个从机都必须有唯 一的地址码,并且只有符合地址码的从机才能响应回送。命令字(1 个字节)是主机发送的功能码,告诉从机执行什么任务。信息字(N 个字节)包括进行两机通讯中各种数据地址、数据长度、数据信息。 校验码 个字节) (2 用于检测数据通讯错误, 采用循环冗余码 CRC16。 主机利用通讯命令,可以进行读取点(保持寄存器)或返回值(输入 寄存器)的操作。保持寄存器和输入寄存器都是 16 位(2 字节,即 1 个字)值,并且高位在前,这样寄存器中相同数据区域可以是字地址 表示, 也可以是字节地址表示。 若是字地址, 主机就必须以字方式 (通 过 WORD 地址)发送命令给寄存器;若是字节地址,主机就必须以字 节方式(通过 BYTE 地址)发送命令给寄存器。在上述两种方式下, 若通讯正常,则从机返回相同的数据。但若字地址与字节地址搞反将 会得到错误结果或得不到从机响应。MODBUS 通讯系统中以字节方 式通讯为主。CD194E 型仪表支持这两种方式。

MODBUS 通信协议在水厂供电系统中的应用 发布时间:2009-06-03 来源:吴 杰 打印该页

摘 要:本文主要介绍了 Modbus 的通信功能, 以及 ModBus 的通讯总线在水厂 生产过程中对电量监测的应用。Modbus 通讯协议在水厂中应用既节省人力,降 Modbus 低生产成本;又能减少事故发生可能性,提高工作效率和生产安全性。实际应用 表明,该系统运行稳定可靠,安装维护简单方便,为水厂供电监测系统提供了一 种较好的选择方案。 关键词: 关键词:网络电力仪表,Modbus 通讯协议,RS485 接口,供电系统 Modbus Application of Modbus Communication Protocol in Water Plant Power Supply System Abstract: In this paper, the communication function of Modbus protocol and the application of its communication bus in the electric parameter measur ement of water plant production process are narrated. The application of Modbus communication in water plant not only reduces the cost of production by saving labour power, but also improves work efficiency and production security by cutting down the possibility of accident o ccuring. Practical application indicates the system runs stably and r eliably, whose installation and maintenance are simple and convenient .So the system offers a better choice for water power supply monitor ing system. Keywords: network electric instrument, Modbus communication protocol,RS485 inte rface, power supply system 1. 绪论 在水厂生产中,维持恒压供水至关重要。而要实现恒压供水,控制水泵转速 意义重大, 水泵转速与供电系统有关,因此加强对供电系统监控,尤为必要。 传统的的供电监控都是在变配电室安排专人检查, 实行三班倒即轮流值班工作制 度,一天二十四小时不离人,既浪费人力,又不安全。新的输配电系统期望在无 人或少人值班的情况下,能自动记录电力参数的变异,掌握电力运转的品质。当 事故发生时,可以迅速掌握故障所在,减少查询时间,加速恢复正常供电。基于 上述目的, 本文研究应用江阴长江斯菲尔公司生产的网络电力仪表构成供电监控 系统,通过电压互感器和电流互感器监测三相电压、三相电流、有功功率、无功 功率、 频率和四象电能等电量。 该监控系统主机外接 RS485 接口, 采用 MODBUS RTU 通讯协议,通过屏蔽双绞线以总线方式与网络电力仪表相联系。如果上位机不带 RS485 接口,而只有 RS232 接口,可通过 RS232/485 转换器连接 连接。合肥供水集团 连接

公司巢湖水源厂安装了该监控系统,运行一年来,没有发生过一次故障,实时性 好,可靠性高,既节省了人力,提高了工作效率;又减少了事故发生的可能性, 提高了生产安全性。 2. MODBUS RTU 通信协议 ModBus RTU 通讯协议是 Modicon 公司的注册商标, 采用主从问答方式工作, 是目前国际智能化仪表普遍采用的主流通讯协议之一[1]。ModBus RTU 通讯协议 ModBus 有两种传输模式, 分为 RTU 模式和 ASCII 模式, 其中 RTU 模式信息帧中的 8 位数 据包括两个 4 位 16 进制字符,相对于 ASCII 模式,RTU 模式表达相同的信息需 RTU 要较少的位数,且在相同通讯速率下具有更大的数据流量。因此通常情况下,一 般工业智能仪器仪表都是采用 RTU 模式。 江阴长江斯菲尔公司生产的电力仪表大 都采用 MODBUS RTU 通讯协议,允许一台主机和多台 多台从机之间进行数据通信,在 多台 其生产的 CD194E 系列仪表通讯系统中,主机是微机(PC、工控机或 PLC),从机 是 CD194E 型仪表。在该分散通讯系统中,允许总线挂接仪表多达 128 块,通讯 距离可达到 1 千 200 米。通讯方式采用主机请求,从机应答,即:主机提出命令 请求,从机接收数据后作数据分析,如果数据满足通讯规约,从机作数据响应。 主从机间的通讯约定:主机发送的每一帧数据由四个部分组成,分别为从机 地址、命令字、信息字、校验码。从机地址(1 个字节)是从机设备号,主机利 用从机地址来识别进行通讯的从机设备, 表明用户设置地址的从机将接收主机发 送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码,并且只有符合地址码的从机才能 响应回送。命令字(1 个字节)是主机发送的功能码,告诉从机执行什么任务。 信息字(N 个字节)包括进行两机通讯中各种数据地址、数据长度、数据信息。 校验码(2 个字节)用于检测数据通讯错误,采用循环冗余码 CRC16。主机利用 通讯命令,可以进行读取点(保持寄存器)或返回值(输入寄存器)的操作。保 持寄存器和输入寄存器都是 16 位(2 字节,即 1 个字)值,并且高位在前,这 样寄存器中相同数据区域可以是字地址表示,也可以是字节地址表示。若是字地 址,主机就必须以字方式(通过 WORD 地址)发送命令给寄存器;若是字节地址, 主机就必须以字节方式(通过 BYTE 地址)发送命令给寄存器。在上述两种方式 下,若通讯正常,则从机返回相同的数据。但若字地址与字节地址搞反将会得到 错误结果或得不到从机响应。MODBUS 通讯系统中以字节方式通讯为主。CD194E MODBUS 型仪表支持这两种方式。 使用 CD194E 型网络电力仪表时,首先要进行通讯参数的设置:通过仪表上 的编程键盘对仪表进行通讯参数设置: (1)仪表地址:设置通讯网络中从机(仪 表)地址号,可以设置为 1~247。(2)通讯速度:设置通讯网络中通讯速度, 可选择通讯速度(波特率)为 4800 或 9600。下位机与上位机的通信波特率一般 可自由设定,但必须保证上下机的通信波特率对应匹配。(3)数据格式:设置 通讯网络中数据格式:1 个起始位,8 个数据位,1 个停止位,可选择无校验位、 奇校验位、偶校验位。(4)通讯协议:可选择字通讯或字节通讯。网络连接 连接如 连接 图 1 所示。连接 连接好仪表上通讯线(RS485:A+ RS485: 连接线建议采用双绞屏蔽线, 连接 RS485 A+,B-)。连接 连接 同时双绞屏蔽线的两端都接地,以减少现场干扰。增加终端电阻 Z0=120Ω 可减 少反射干扰,建议在通讯速度快(9600)或通讯距离较远的情况下(>700m)的 情况下连接 连接。 连接

图 1 网络连接 连接 3.应用 3.应用 Modbus 实现电量监测 电力测量包括高压电力计量和低压电量计量,其中高压部分包括进线相电 压, 相电流, 全厂有功功率, 无功功率及电度。 低压包括各主要电气设备的电压、 电流和功耗。由于电量监控点较多,而且分布较广,因此单独布线不仅增加了工 程量,而且对于资源也是浪费,如果所选用的电力仪表具有通讯功能,不仅可以 获得更完整的信息,而且节省了大量的布线。原设计采用了点对点的连接 连接,全部 连接 的电量监测量大约为 24 个数字量,42 个模拟量,需要 2 个 16 路 DI,3 个 16 路 AI,不仅占用大量有限资源,而且信息无法满足监测的需要。在改进中,决定采 用总线通讯方式,利用双绞线来取代大量的点对点接线工作,通过 RS485 通讯接 口,按照 Modbus 协议进行数据交换,既可以得到更详尽的信息,又降低了生产 成本,同时远程调度打下了基础。 4.应用 4.应用 合肥市巢湖水源厂低压配电房安装了 7 台型号为 CD194E-2S4 型电力仪表, 通过 RS485 口,用双屏蔽通讯线将它们与上位机连接 连接起来,上位机选用的是研华 连接 工控机。上位机的通信软件采用 VB6.0 的开发环境。一般用 VB 开发串行通信程 序有两种方法:一是利用 Windows 的通信 API 函数;另一种是采用 VB 标准控件 Mscomm 来实现[2]。利用 API 编写串口通信程序较为复杂,需要掌握大量通信知 识,其优点是可实现的功能更丰富、应用面更广泛,更适合于编写较为复杂的低 层次通信程序。VB 通信控件 Mscomm 提供了功能完善的串口数据的发送和接收功 能,Mscomm 控件具有两种处理方式:1。事件驱动方式:由 Mscomm 控件的 OnComm 事件捕获并处理通信错误及事件;2。查询方式:通过检查 CommEvent 属性的值来

判断事件和错误。Mscomm 控件的通信功能实现,实际上是调用了 API 函数,而 API 函数是由 Comm.drv 解释并传给设备驱动程序执行的,对于 VB 程序开发者只 需知道 Mscomm 控件的属性和事件的用法即可以实现串口的操作。不论采用哪种 方法编写的串行端口通信程序,一般都可分为以下几个过程: (1)初始化串行端口[3] 在初始化程序中,需要设定好整个帧结构的命令数组、传输波特率、奇偶校 验、停止位,开辟数据缓冲区,完成一些必须的串口初始化设定。 (2)数据传输 读写串行端口可分四种方式:查询方式、同步 I/O、异步(后台)I/O 和事件 驱动 I/O。命令字的发送应该严格按照 Modbus 规约所设计的帧格式和上下位机 在该规约基础上所定义的通信协议来编程。 (3)超时控制 为了防止意外情况使串口读写无休止地等待,必须在程序中设置超时控制。 (4)CRC 校验的实现 目前仪表类比较普遍采用的是 CRC16 校验码。其生成多项式为 X16+X15+X2+1。在算法实现上,可以先预置一个 16 位的寄存器 FFFF(全 1), 然后把 8 位的 2 进制数据(一个字节)与 16 位的 CRC 寄存器低 8 位异或,并把 结果放回 CRC 寄存器同时寄存器内容右移,MSB 补 0,并检查移出的 LSB。如果 LSB 为 0 则继续右移动,为 1 则 CRC 寄存器与多项式异或。重复上面操作到一个 8bit 字节完成,再继续对下一个数据进行相同处理,直到所有数据结束。这个 时候 CRC 寄存器中的数据就是我们所要的 CRC 码了。 下位机一般是使用固化好通信协议及工作指令的单片机。 因为测控系统多采 用的是单发多收的通信机制[4],所以在下位机要允许用户预先设定本机的地址 码, 并且保证不能重复。 此外, 要注意通信波特率必须与上位机的波特率相匹配。 在下位机软件开发中,要遵循 Modbus 规约的通信帧结构对上位机传输的命令进 行解析:非呼叫对象应能及时重新恢复等待接受状态;响应呼叫的下位机要解析 命令代码并进行相应的功能处理,对非法的命令操作要能回送报错信息。在具体 的工程开发中,下位机多是采用各个厂家出产的基于 Modbus 规约的智能仪表。 这样虽然简化了我们开发的工作量, 但是下位机的合理安排与设计能降低系统误 码率、提高可靠性。因此是每个工业系统设计人员所不应该忽略的重要部分。在 工业控制中,因为各种干扰源的存在且一般下位机数量较大,要对 RS-485 芯片 选型有很认真的考虑。 条件许可的话尽量选用抗电击和有较大级连驱动能力的芯 片。理论上 485 芯片的级连能力至少 32 门,目前很多芯片厂家都能使工业级的 级连数达到 128 以上。在实际应用中应该让系统具有一定的富余度,一般级连数 不能超过该器件满载的 70%。在选配 RS232 到 RS485 转换头的时候也应该尽量选

用有源的转换器,以提高驱动能力和稳定性。此外,工业现场的降噪、隔离、布 线、屏蔽等等措施的合理与否也会对最后系统的稳定产生影响。 该套系统在合肥市供水集团巢湖水源厂投入运行后, 工作人员对系统运行状 况能随时监控, 减轻了劳动强度, 同时, 提供了故障情况下实时在线分析的功能, 使故障报警到排除故障时间大为缩短,实现了配电管理自动化的预期目的。到目 前为止,使用已有一年多时间,总体来说,该系统实时性好,可靠性高,故障率 低,维护简单方便。 5. 结论 本文创新点在于:在水厂供电系统中应用 Modbus 通讯协议组建电量监测系 统,比使用传统仪表有了较大改善,主要表现在以下几个方面:(1)使配电系 统融入企业的综合管理系统中,能对企业的配电进行实时的动态管理。(2)工 作效率大大提高,巡检时间大为减少。(3)因人为因素所造成的损失大幅降低。 (3)接线简单,稳定性好,可靠性高,易于维护。因此,值得进一步研究开发, 推广使用。 参考文献


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