自动化控制之Modbus

hongqk · 发表于 2014-4-23 08:46:47

做了自动化控制这么久，希望有时间作一个总结，现在好了，终于回归自由，先从Modbus通讯说起，因为Modbus通讯是计算机上最古老的、最成熟、应用最广泛一种通讯技术，虽然通讯速度不快，虽然现在新的通讯接口技术花样百出，但只要是自动化的仪器仪表，就一定要支持Modbus通讯，只要是做自动化控制的朋友，就一定要接触到“他”。
希望熟悉的朋友一起跟贴，将自动化控制进行到底。

hongqk · 发表于 2014-4-23 09:04:17

在自动化控制的基本形态中，起码有PLC，再有工控机、触摸屏或智能仪表等，在PLC中，输入、输出及数据都是存在一个个地址中，工控机与PLC的数据交换都是通过地址的读写来实现。两台不同的设备，就像两个不同国家的人，如何沟通就是一个大问题，需要有大家都遵守的沟通协议。
以下就是Modbus通讯协议。

MODBUS_RTU通信规约.pdf (190.29 KB, 下载次数: 43)

aaron01 · 发表于 2014-4-23 09:12:33

这个俺不懂，搬个椅子来听讲。{:soso_e121:}

aaron01 · 发表于 2014-4-23 09:22:37

本帖最后由 aaron01 于 2014-4-23 09:25 编辑

先问个问题吧，可能比较外行。
如果我用一台上位机，配备软件的话，就可以实现对不同设备的集中控制了对吗？
控制方法是上位机将程序一次性输入到某台设备的PLC里去，然后再接受该台设备的运行情况信息反馈，N台设备都可以同时这样控制？

aaron01 · 发表于 2014-4-23 09:28:21

上位机负责传输程序给PLC，PLC发程序指令给控制器，控制器通过控制加热输出和气氛输出来控制温度和气氛碳势（氮势），整个控制环路是这样的吗？

hongqk · 发表于 2014-4-23 09:36:21

Modbus通讯又分为RTU、ASCII两种不同的方式。
RTU交换的内容是“数据“
ASCII交换的内容是ASCII”字符“
就物理联接来看，可以分为RS232和RS485两种。
RS232一般使用串口的RXD（接收）、TXD（发送）和地（GND）三根线，其通讯距离不超过15m，两台设备（只能有两台设备）的接线要将一台的”发放“与另一台的”接收“对应起，可以看出RS232是全双工模式，可以同时进行发送和接收。
RS485一般使用了串中的D+和D-两根线，其通讯距离可以达1200m，两台设备（或多台设备）的D+接D+，D-接D-，再用不同的站号标识不同的设备。RS485是半双工，不同时进行发送和接收。

hongqk · 发表于 2014-4-23 09:37:54

aaron01 发表于 2014-4-23 09:28
上位机负责传输程序给PLC，PLC发程序指令给控制器，控制器通过控制加热输出和气氛输出来控制温度和气氛碳势 ...

上位机的程序与PLC的程序是两个独立的部分，各自按自己的程序运行，之间也有数据沟通。

aaron01 · 发表于 2014-4-23 09:40:30

hongqk 发表于 2014-4-23 09:37
上位机的程序与PLC的程序是两个独立的部分，各自按自己的程序运行，之间也有数据沟通。 ...

哦，我说的程序应该是工艺程序的意思，温度啊，时间啦，等等。

hongqk · 发表于 2014-4-23 11:03:02

现在像温度-时间（有的还加上碳势、压力等）的控制有几种控制方式，一种是程序储存在工控机中，运行之前将程序下载到PLC，运行时，由PLC来进行温度、压力等模拟量的采集、处理和控制输出；第二种是程序储存在工控机中，运行之前将程序下载到温控仪，由温控仪来采集温度、压力等模拟量，再进行处理和控制，国内较多采用这种方式；第三种是程序储存运行都在工控机中，设计值实时传送给温控仪，仪表负责采集、处理和控制，看到易普森采用这种方式，这种方式在多区控温中，对仪表的要求非常低，不需要带程序段，只要采通讯，用上位机改变设定值就可以了；第四种是PAC，上位机与PLC进行了融合，开关量、模拟量、编程全在一起，有德国斯坦格，台湾研华都有这样的产品。

hongqk · 发表于 2014-4-23 11:46:56

在进行实际通讯之前，先还要搞懂通讯的数据，以下都以Modbus rtu为例。
由于是串行通讯，也就是数据位是一串串发送和接收，基本格式如下：
开始间隔设备地址功能码数据校验码结束间隔
T1-T2-T3-T4 8Bits 8Bits 8Bits 16Bits T1-T2-T3-T4
设备地址：如在RS485的网络下，每一台从站设备有一个对应的地址，主站在发送命令时，相应的从站才能响应。
功能码：
01：读开关量输出
02：读开关量输入
03：读输出寄存器数据
04：读输入寄存器数据
05：写单个开关量输出
06：写单个寄存器
……
一般掌握04和06这两个功能码就可以了，需要更多的功能请参考Modbus 通讯规约。

hongqk · 发表于 2014-6-16 11:28:50

串口调试工具：

串口调试器.rar (19.17 KB, 下载次数: 8)

这个串口调试工具与一般的工具相比，多一个一个校验码计算，做过工控的人都知道，在定义好前而的地址码、功能码、数据区之后，最麻烦的就是校验码的处理，有这了个工具，可以将校验码计算出来，再与本身的数据一起执行，就可能将从站的数据读上来。

钢铁医生 · 发表于 2014-6-16 13:21:09

这里的都是拿铁坨坨的。。这个多少人都不懂的哦。。
弱电哦

hongqk · 发表于 2014-6-16 18:36:38

钢铁医生发表于 2014-6-16 13:21
这里的都是拿铁坨坨的。。这个多少人都不懂的哦。。
弱电哦

据我所知，这里也有不少的电气高手噢。

钢铁医生 · 发表于 2014-6-17 10:22:25

hongqk 发表于 2014-6-16 18:36
据我所知，这里也有不少的电气高手噢。

俺也爱好这些。但不是高手。。

毕竟是少部分了

hongqk · 发表于 2014-6-17 11:09:21

钢铁医生发表于 2014-6-17 10:22
俺也爱好这些。但不是高手。。

毕竟是少部分了

热处理的发展到最后，都集中在专家系统、人工智能、自动化这一块。

Jasen · 发表于 2014-6-17 13:23:05

hongqk 发表于 2014-6-17 11:09
热处理的发展到最后，都集中在专家系统、人工智能、自动化这一块。

最近做了一个S7-1200PLC跟二台West P4100的通讯，仪表的内存区地址跟标准的差了一位，是从40002开始的，浪费了我半天的时间才找到原因。

hongqk · 发表于 2014-6-17 14:17:38

Modbus通讯有这个问题，仪表的地址是从0开始，上位机是从1开始。

觉醒般的救赎 · 发表于 2014-6-17 15:50:48

但是在多个回路的控制状态下，PLC+温控器通过MODBUS_RTU方式的通讯协议必定要通过RS485的通讯方式进行通迅，存在的弊端就是通迅延迟，因为RS485是半双工通讯，一问一答，无法一次批量读取多个通讯地址

hongqk · 发表于 2014-6-17 17:01:57

觉醒般的救赎发表于 2014-6-17 15:50
但是在多个回路的控制状态下，PLC+温控器通过MODBUS_RTU方式的通讯协议必定要通过RS485的通讯方式进行通迅 ...

串口通讯可以是RS232，也可以RS485或RS422，虽然485是半双工，但也422比，接线要简单，只有两根线就可以了，与232比，传输的距离要远很多，并可以带多个下位站点。
485的传输速度最快也就19.2K，大多数是用9.6K，速度虽然不快，但却是现在最成熟最廉价的通讯网络，所有的智能仪表如果有通讯，起码就要支持Modbus通讯。Profibus通讯的速度很快，最快能达到12M，他的物理接口也是RS485的。

hongqk · 发表于 2014-6-17 17:14:12

因为现在通讯都是自动进行的，上位机的软件有一个定时循环功能，可以定义200ms或1s做一次读写，在一次执行的过程中，可以同时通讯几百几千个数据，虽然数据是按串过来，但从人的反应速度来看完全够用了，多个地址的数据在你的眼前展示也是一个瞬间。
做过一个上位机与18块下位仪表通讯，同时读写大量数据，RS485依然可以胜任。

觉醒般的救赎 · 发表于 2014-6-17 17:36:08

hongqk 发表于 2014-6-17 17:14
因为现在通讯都是自动进行的，上位机的软件有一个定时循环功能，可以定义200ms或1s做一次读写，在一次执行 ...

不怀疑RS485的通讯速度，而是温控表可支持的一次性的数据读写量以及数据地址位排列，比如说温控表里的某些数据位比如PV，SV，SV，STEP，PID参数等，并不是按照规律排列的，加上温控表允许的一次通讯读写量有限，一次能读取的数据位并不一定是客户所需的，有时候需读个2-3次，当然一两个回路还能接受，如果18个回路势必要影响通讯速度，在热处理某些需要快速控温的场合，这种通讯上的延时会影响控制效果，我想表达的是这个意思。

hongqk · 发表于 2014-6-17 20:10:30

觉醒般的救赎发表于 2014-6-17 17:36
不怀疑RS485的通讯速度，而是温控表可支持的一次性的数据读写量以及数据地址位排列，比如说温控表里的某 ...

在仪表的地址空间，如PV、SV、PID等参数并不连续，以岛电FP23为例，PV地址为100H，SV是101H、P1是400H，用十进制表示地址为256、257、1024，按Jasen大叔今天的说法，最后上位机的实际表示的地址就是257、258、1025；再通过变量与地址联系起来，我们在上位机是对变量进行操作，实际地址空间连不连续不重要。如果读取的地址有限要看是什么仪表了，不同的仪表会有不同。
在实际的操作中，一次通讯的数据量太大，可能会发生莫名其妙的数据丢失现象，当然需要通过适当的编程技巧来消除。

hongqk · 发表于 2014-6-17 20:25:53

谈到通讯地址的问题，一般都是一个地址对应一个数据，但也有奇怪的仪表，比如国产真空计，以前使用模拟量发送数据给PLC的模拟量通道（这里我们可以简单估算一下成本：真空计的模拟量增加成本+PLC模拟量输入通道成本），在PLC内部作拟合运算，出来的结果与真空计总是有一定的偏差，所以下定决心开发真空计的通讯，真空计厂家将真空度的值放在两个地址空间里，符号位、整数位、小数位、指数位被分开后组合存放，读上来的数据要做分解和组合才能得到正确的值，这样读出来的数据与真空计的数据就完全一致了。
同样的问题在岛电的仪表中，表示时间的值是放在两个地址空间的，读的时候要将两个地址空间合成来，写的时候要将值分开后写到两个空间去。

觉醒般的救赎 · 发表于 2014-6-18 09:49:15

其实这个问题有过分析，简单的说，PLC原厂在通讯程序层面的开发工程师和温控器原厂在这方面的开发工程师，虽然都是以MODBUS_RTU作为标准协议，但都是各管各写，其实最终用户都是要挂在一起用的，这样给客户端的编程人员带来一定的困扰

hongqk · 发表于 2014-6-18 11:55:22

觉醒般的救赎发表于 2014-6-18 09:49
其实这个问题有过分析，简单的说，PLC原厂在通讯程序层面的开发工程师和温控器原厂在这方面的开发工程师， ...

还好有了这个MODBUS_RTU标准，就算有点问题，但沟通的平台有了，编程人员才可能一点作为，不然你是一点招都没有，不能互通。

燃气工控 · 发表于 2014-11-18 15:01:16

其实通讯协议是什么无所谓，最头疼的是遇到通讯干扰，特别是偶然性的干扰

hongqk · 发表于 2014-11-18 17:52:42

燃气工控发表于 2014-11-18 15:01
其实通讯协议是什么无所谓，最头疼的是遇到通讯干扰，特别是偶然性的干扰 ...

您是遇到偶然性的干扰困扰吗？

hongqk · 发表于 2014-11-18 21:38:48

本帖最后由 hongqk 于 2014-11-19 19:26 编辑

ywjianghu 发表于 2014-11-18 21:24
工业现场有很多干扰。
譬如，大功率变频器，逆变式电焊机，对系统的抗干扰能力是严峻的考验。 ...

选择好一些的通讯模块，内部会有抗干扰硬件电路，效果会好一些。
另外用无线串口传送信号可能会好一些，但这个我还没有对比过测试。

燃气工控 · 发表于 2014-11-19 13:05:12

是遇到干扰很多次，该做的抗干扰措施也做了，但还会遇到偶然性干扰，

hongqk · 发表于 2014-11-19 19:32:07

燃气工控发表于 2014-11-19 13:05
是遇到干扰很多次，该做的抗干扰措施也做了，但还会遇到偶然性干扰，

不妨将您的通讯硬件组成和软件软组态在可说的基础上简单说一下，干扰的现象是什么？
是仪器仪表的原始信号受到干扰还是发生在通讯线路中？
对干扰的简单处理就是设置一个滤波时间或设置一个移动平均算法等。

秦时明月 · 发表于 2015-4-4 14:16:50

hongqk 发表于 2014-11-19 19:32
不妨将您的通讯硬件组成和软件软组态在可说的基础上简单说一下，干扰的现象是什么？
是仪器仪表的原始信 ...

请洪总科普一下井式炉主、辐控实现的原理。

hongqk · 发表于 2015-4-4 20:16:05

秦楼明月发表于 2015-4-4 14:16
请洪总科普一下井式炉主、辐控实现的原理。

假如设备是三个控温区，对于主控和副控有四种方式来实现：
1、一拖二的方式，将主控表的设定值通过模拟量输出，输出值可以是4~20mA的电流值，也可以标准电压值，输出的信号接入到第二台仪表的遥控输入，再将第二台的输出送给第三台的输入。这种的方式的仪表都要增加模拟量的输入和输出，成本不低，副表的设定值跟随有点滞后，超过三个区之后，也不经济。
2、用主从站的通讯方式，主控程序放主表，这种方式成本低一些，副表从站可以轻松上到很多台，对通讯组态的能力要求要高一些，目前来看，很少看到这种方案。3、一块仪可以一控三的。好像只有欧陆的2604/2704的321可以做到，如果只是三个区的也就用一块仪可以，三个区可以共用一个程序。
4、将现场仪表与上位机通讯，温控程序运行在上位机，将设定值通过通讯的方式写给没有程序能力的仪表来实现，下位温控仪只需要有通讯功能，不需要带程序，这种方案在国外的设备有应用。
以上四种方案都是为了节约成本，主控带程序，副表不带程序功能。如果不考虑节约成本的话，直接用一样的带程序的仪表，不管有多少个区，都用一样的仪表，只需要用一个按钮一按，所有的仪表都同时启动，这就不分什么主副表控制了。

“一线通”多温区控温新方法.pdf (214.42 KB, 下载次数: 14)

秦时明月 · 发表于 2015-4-5 20:23:03

本帖最后由秦楼明月于 2015-4-5 20:29 编辑

hongqk 发表于 2015-4-4 20:16
假如设备是三个控温区，对于主控和副控有四种方式来实现：
1、一拖二的方式，将主控表的设定值通过模拟量 ...

对有马弗的大型渗碳炉来说，一般辐控热电偶插在马弗外，而主控热电偶从炉盖上插在炉内，主控偶与辐控偶通讯，从仪表上可看出，主控偶温度为渗碳设定温度如920或930，但辐控在加热时显示温度比主控高出几十度，现场观察看，工件刚进炉送电加热时，主控偶显示温度与辐控偶显示温度差值较大，随着温度的升高，两者的差值趋于缩小，我想问的是这个温差是如何实现的？

hongqk · 发表于 2015-4-5 22:07:46

噢，是我理解错了你的意思。
主控偶插在马弗罐内，副控偶插在马弗罐外，则副控偶更接近发热体的温度，主控偶则更接近工件的温度。
在升温之时，两根偶的温差比较大是正常现象，有点象表面温度与心部温度的差别，进入保温段之后，两根偶的温差会趋于缩小，到温有先后，但副控偶总会高于主控偶，炉膛内的温场是有梯度的，从发热体开始向炉中心一级一级减少。

秦时明月 · 发表于 2015-4-6 15:58:20

hongqk 发表于 2015-4-5 22:07
噢，是我理解错了你的意思。
主控偶插在马弗罐内，副控偶插在马弗罐外，则副控偶更接近发热体的温度，主控 ...

你没理解错，是我表述不清，我说的这个温差，是在做控制时人为设置的，我是问这个设置原理。

hongqk · 发表于 2015-4-6 16:40:59

这种控制在很多场合都有用到，比如外加热循环的，加热处的温度高低决定了炉内的温度高低，但又不能让发热体的温度太高。
如明月所说的副控是控制发热体的温度，保证发热体的温度不超过额定温度。主控是控制炉内温度。也有将两个串起来，组成双联控制，或串级控制。

秦时明月 · 发表于 2015-4-6 20:40:27

hongqk 发表于 2015-4-6 16:40
这种控制在很多场合都有用到，比如外加热循环的，加热处的温度高低决定了炉内的温度高低，但又不能让发热体 ...

请洪总讲一下你上传的“一线通多温区温控新方法的例2：假设FP23表设定温度28，实际温度23，而SR84表设定194，实际194，SR84的温控信号由FP23而来，那么FP23的设定温度为28，而SR84的设定温度为194，这两个差值从仪表的设置上是怎么处理的。

hongqk · 发表于 2015-4-6 21:20:40

秦楼明月发表于 2015-4-6 20:40
请洪总讲一下你上传的“一线通多温区温控新方法的例2：假设FP23表设定温度28，实际温度23，而SR84表设定1 ...

如果是采用通讯的方式来实现主从控制，两块表的设定值不会出现您说的那个误差，如果是采用模拟量发送与接收的遥控方式，将会出现主从表的偏差，这个偏差的设置方法如下：
主表的发送端的模拟量对应一个数值范围（一般是热电偶的值程），这个信号进入副表的接收端也会有一个相应的量程与之对应。产生偏差的原因就是模拟量在经过数模和模数转换产生的。普通的绝对量偏差可以用偏移量来修正，有的要用斜率来修正，也就是修改量程的最大值来对应模拟量的最大值，使主副表的读数一致。

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