MODBUS在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　很明顯，無(wú)線(xiàn)MODBUS的主要優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約了鋪設(shè)線(xiàn)路的費(fèi)用。在以前，為了監(jiān)視和控制來(lái)自于罐區(qū)、井口以及各種遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的信號(hào)，其費(fèi)用是及其昂貴的。

　　幸運(yùn)的是，無(wú)線(xiàn)傳送的MODBUS對(duì)于控制系統(tǒng)或是主站、從站來(lái)說(shuō)是透明的。例如上面提到的現(xiàn)有工廠(chǎng)里面的老式系統(tǒng)等，這類(lèi)主機(jī)系統(tǒng)甚至都不知道存在著一個(gè)無(wú)線(xiàn)MODBUS網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鼈?p>　　根本不需要面對(duì)這個(gè)無(wú)線(xiàn)MODBUS網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)MODBUS主站向從站提出一個(gè)要求時(shí)，這個(gè)訊息包被傳送到無(wú)線(xiàn)電發(fā)射臺(tái)。通常無(wú)線(xiàn)電發(fā)射臺(tái)會(huì)在發(fā)射之前對(duì)訊息包進(jìn)行重新排隊(duì)和加密。一旦這個(gè)RF(無(wú)線(xiàn)電射頻)訊息包被從電臺(tái)接收到，從電臺(tái)會(huì)對(duì)它們進(jìn)行解密并且把它們排序，使其重新代表一個(gè)有效的MODBUS訊息包。如果這個(gè)訊息包沒(méi)有被損壞或者發(fā)生混亂，它就會(huì)被發(fā)送到所要求的從站。這個(gè)從站將會(huì)對(duì)主站的要求作出相應(yīng)的反應(yīng)，剛才的過(guò)程就會(huì)再次重復(fù)一遍。

　　有些時(shí)候你必須特別注意一個(gè)被叫做“timeout”的MODBUS通訊參數(shù)，這一點(diǎn)很重要。Timeout表示：在嘗試重新發(fā)送訊息之前，MODBUS主站將會(huì)等待一個(gè)從站作出反應(yīng)的時(shí)間的長(zhǎng)短。根據(jù)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通訊情況好壞的不同，訊息包的發(fā)送可能會(huì)被延誤，這有可能造成一些不必要的重試和重新發(fā)送。采用今天的FHSS(跳頻擴(kuò)頻)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)，這些參數(shù)當(dāng)中的大多數(shù)都可以進(jìn)行修改以便高效率的傳送MODBUS訊息包。而對(duì)電臺(tái)的選址進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆治鲅芯客ǔ？梢员苊庠S多通訊受阻的現(xiàn)象，其中需要進(jìn)行的研究包括信號(hào)強(qiáng)度分析以及頻帶噪聲分析等。

　　以太網(wǎng)上的MODBUS

　　MODBUS/TCP常常被理解為以太網(wǎng)上的MODBUS。其實(shí)總的來(lái)說(shuō)MODBUS/TCP不過(guò)是采用TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單的把MODBUS訊息包打包壓縮而已。這使得MODBUS/TCP設(shè)備馬上就可以方便的通過(guò)現(xiàn)有以太網(wǎng)和光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接和通訊。與RS485接口相比，MODBUS/TCP還允許使用多得多的地址、可以采用多主站架構(gòu)、傳送速率可以達(dá)到GB水平。雖然MODBUS RTU有每個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能超過(guò)247個(gè)節(jié)點(diǎn)的限制，但是MODBUS/TCP網(wǎng)絡(luò)的從站數(shù)量?jī)H受限于網(wǎng)絡(luò)物理層的能力。通常從站的數(shù)量一般在1024個(gè)左右。以太網(wǎng)在過(guò)程控制和自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域的迅速普及已經(jīng)使得MODBUS/TCP成為應(yīng)用最廣泛、增長(zhǎng)速度最快的被以太網(wǎng)支持的工業(yè)協(xié)議。

　　雖然各家大小PLC供應(yīng)商都有自己的以太網(wǎng)協(xié)議，但是他們幾乎全部都支持MODBUS/TCP。即便是對(duì)那些目前不支持MODBUS/TCP的PLC供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，他們也可以找到很多家類(lèi)似于Prosoft Technologies和SST的公司可以為他們的PLC產(chǎn)品提供底板安裝型的MODBUS/TCP通訊卡以及獨(dú)立安裝的網(wǎng)關(guān)等配件。

　　MODBUS/TCP的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的多主站能力。不像MODBUS RTU和MODBUS ASC II，MODBUS/TCP允許多個(gè)主站同時(shí)從同一個(gè)從站獲取數(shù)據(jù)。為什么MODBUS/TCP會(huì)具備這樣的能力呢?這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用TCP/IP的以太網(wǎng)，無(wú)需令牌傳遞或是取得總線(xiàn)的完全控制權(quán)就可以發(fā)送、緩沖和遞交多個(gè)訊息。這對(duì)于許多RS485和RS422協(xié)議是很常見(jiàn)的情況。

　　通過(guò)MODBUS把控制放到現(xiàn)場(chǎng)去

　　到目前為止，我們僅僅涉及到了簡(jiǎn)單的MODBUS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。還有一種方案也是可能的，那就是把控制設(shè)備安裝在現(xiàn)場(chǎng)，然后通過(guò)MODBUS使其與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。前邊提到過(guò)的網(wǎng)絡(luò)集中器NCS同時(shí)也擁有功能強(qiáng)大的CPU(中央處理器單元)和實(shí)時(shí)控制內(nèi)核，它也可以被編程用來(lái)執(zhí)行控制功能，例如PID控制、ON/OFF控制、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、復(fù)雜算術(shù)運(yùn)算、診斷以及報(bào)警監(jiān)視等。

　　因?yàn)樗哂蓄?lèi)似PLC的邏輯、PID類(lèi)型的控制功能以及先進(jìn)的計(jì)算能力，一臺(tái)NCS通常能夠滿(mǎn)足對(duì)一臺(tái)PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)或者一套小型DCS的功能要求，其價(jià)格卻只是后者的幾分之一。雖然MODBUS協(xié)議并不具備諸如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和CIP(通用工業(yè)協(xié)議)等其它協(xié)議的能力，但是它確實(shí)滿(mǎn)足了許多應(yīng)用的需要。在這些應(yīng)用里面，用戶(hù)喜歡在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，同時(shí)可以通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視和上位控制。而MODBUS協(xié)議就是滿(mǎn)足這種需要的最具效費(fèi)比和最便捷的解決方案。

　　另一種“智能化”并且具有控制能力的MODBUS設(shè)備是來(lái)自于Moore Industries公司的MDS方程站。這是一種多功能控制器，它能夠執(zhí)行很多種類(lèi)型的控制功能和運(yùn)算。有了MDS方程站，在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制任務(wù)、多變量控制任務(wù)(例如監(jiān)視和控制一個(gè)蒸煮器里的紙漿液位或者使用來(lái)自多個(gè)流量、溫度和壓力變送器的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量計(jì)算)時(shí)就不再需要PLC或者大型控制器了。最多可以有127個(gè)MDS模件被安裝在一個(gè)MODBUS網(wǎng)絡(luò)上面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠(chǎng)的控制或是采集整個(gè)工廠(chǎng)的信號(hào)。

　　PID(比例、積分和微分)控制器最初都是單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行的無(wú)通訊控制器。由于PLC和DCS都已經(jīng)智能化，因此現(xiàn)在PID控制器也智能化了。今天，許多終端用戶(hù)依然青睞那些直接讀出和編程簡(jiǎn)單的單回路控制器。諸如MODBUS等數(shù)字化通訊協(xié)議能夠給這些一直單機(jī)運(yùn)行的儀表注入一些新的活力。通過(guò)對(duì)這些控制器進(jìn)行多分支網(wǎng)絡(luò)連接，你可以創(chuàng)造一個(gè)你自己的小型分散控制系統(tǒng)，參見(jiàn)圖6。

　　MODBUS：通用的接口

　　圖6：具有MODBUS功能的設(shè)備(例如1/4 DIN 545雙回路PID控制器)能夠把控制功能布置到現(xiàn)場(chǎng)。將這些MODBUS設(shè)備連接成多分支網(wǎng)絡(luò)，并且把它們的輸出發(fā)送到一個(gè)基于WINDOWS的SCADA系統(tǒng)，這樣就創(chuàng)建了一個(gè)小型的分散控制系統(tǒng)。

　　當(dāng)現(xiàn)代的控制領(lǐng)域持續(xù)不斷的產(chǎn)生和應(yīng)用諸如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)概念的時(shí)候，MODBUS的簡(jiǎn)單性以及它的便于在許多通訊媒介上實(shí)施應(yīng)用的特點(diǎn)一直使它受到最廣泛的支持，并且成為全球應(yīng)用最廣泛的工業(yè)協(xié)議。當(dāng)使用現(xiàn)有老式控制系統(tǒng)的用戶(hù)發(fā)現(xiàn)自己需要擴(kuò)充現(xiàn)場(chǎng)儀表或者增加遠(yuǎn)程控制器的時(shí)候，他們都會(huì)采用MODBUS作為一個(gè)能夠解決復(fù)雜問(wèn)題的簡(jiǎn)單解決方案。當(dāng)用戶(hù)試圖把一個(gè)外來(lái)設(shè)備連接到控制系統(tǒng)里面的時(shí)候，使用這個(gè)設(shè)備的MODBUS接口總被證明是最為容易的辦法。雖然MODBUS已經(jīng)是最為古老的通訊方法之一，由于非常多的原因它也是最普及的通訊方法。MODBUS便于使用、非?？煽?、價(jià)格低廉并且可以連接到控制工業(yè)領(lǐng)域幾乎所有的傳感器和控制設(shè)備。