Modbus RTU通訊協(xié)議在流漿箱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化的重要技術(shù)。許多自動(dòng)化公司都開(kāi)發(fā)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，例如Profibus，LonWorks，Modbus等，Profibus，LonWorks總線(xiàn)功能強(qiáng)，可靠性高，但同時(shí)價(jià)格也比較昂貴，比較適用于大中型控制系統(tǒng)。而基于RS485接口的Modbus通訊協(xié)議較適用于小型控制系統(tǒng)或單機(jī)控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)低成本，高性能的主從式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控提供了可能。

　　Modbus協(xié)議是MODICON公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議，它符合OSI標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議集中數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議，但做了簡(jiǎn)化處理。由于其功能比較完善而且使用簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)易于處理，協(xié)議開(kāi)放，因而在各種智能設(shè)備中被廣泛采用。

2 應(yīng)用背景

　　在紙張抄造的過(guò)程中，成紙的均勻度取決于纖維在流漿箱中的分散程度和流漿箱唇板開(kāi)口的均勻度。在車(chē)速超過(guò)250米／分的紙機(jī)上，必須配備氣墊式流漿箱，其主要控制參數(shù)是總壓、漿位和漿速/網(wǎng)速比。控制總壓的目的是為了使從流漿箱流送到網(wǎng)上的紙漿流量和流速均勻穩(wěn)定，控制漿位的目的是為了獲得適當(dāng)?shù)募垵{流域，以減少橫流和濃度的變化。產(chǎn)生和保持可控的喘流以限制纖維的絮聚。由于流漿箱控制系統(tǒng)為強(qiáng)耦合系統(tǒng)，在總壓調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)影響漿位，而在漿位調(diào)節(jié)時(shí)又會(huì)影響總壓，若處理不當(dāng)會(huì)引起振蕩，或持續(xù)性的波動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響抄紙質(zhì)量，故需要解耦控制。

　　流漿箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中控制器選用ABB AC31 50系列PLC，由于解耦控制算法在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)流漿箱控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性有一定要求，這樣就需要高性能，低成本的通訊總線(xiàn)來(lái)完成上位機(jī)與PLC的快速數(shù)據(jù)交換。

　　ABB AC31 50系列PLC具有兩個(gè)串行通訊端口COM1和COM2。COM1具有Modbus、ASCII和Programming三種模式，通常診斷和下載程序用COM1；COM2具有CS31和Modbus兩種模式，現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)與PLC通訊時(shí)使用COM2的Modbus模式，其最高通訊速度可達(dá)187.5K，實(shí)際使用時(shí)采用了57.6K的通訊速度。

3 Modbus通訊協(xié)議介紹

　　作為現(xiàn)代自控系統(tǒng)中常用的協(xié)議之一，Modbus采用主從應(yīng)答方式，即只有一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)能主動(dòng)發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息，其它設(shè)備都是作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)的命令或?qū)⑺璧男畔⒎祷刂林鳈C(jī)。該協(xié)議支持在串行總線(xiàn)上有一個(gè)主機(jī)和247個(gè)從機(jī),每個(gè)從機(jī)具有唯一的地址。讀取或?qū)懭胄畔⒊髲臋C(jī)地址外，還需要數(shù)據(jù)寄存器的地址。Modbus協(xié)議可使用兩種模式進(jìn)行通訊:ASCII和RTU，這兩種模式在報(bào)文結(jié)構(gòu)、功能命令上是相同的，僅幀信息的表示方法不同而已。它們的區(qū)別是：采用RTU模式通訊時(shí)，信息是以8位二進(jìn)制方式傳輸?shù)模捎肁SCII時(shí)，信息是以字符為基本單位傳輸?shù)?，每個(gè)字符都用ASCII碼表示。ASCII的優(yōu)點(diǎn)是通用性好，讀取容易。但在相同傳輸速率下，RTU 模式比ASCII模式傳輸效率提高一倍。本文將介紹RTU模式通訊的實(shí)現(xiàn)方法。

　　Modbus幀格式由地址、功能碼、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)碼組成，數(shù)據(jù)段內(nèi)容根據(jù)主－從或從－主關(guān)系可包括寄存器起始地址、寄存器數(shù)、數(shù)據(jù)位，格式如下：

　　每一幀數(shù)據(jù)以至少3.5個(gè)字符的間隔時(shí)間（T1-T2-T3-T4）標(biāo)志開(kāi)始和結(jié)束，整個(gè)信息幀必須以連續(xù)的信息流進(jìn)行傳輸，從而保證CRC校驗(yàn)的正確。其中：
　　地址為8位，從機(jī)的有效地址范圍是0-247，其中0是廣播地址。
　　功能碼為8位，有效編碼為1-255。
　　數(shù)據(jù)段可由多組數(shù)據(jù)組成，主要包括從機(jī)要完成功能碼功能所需的附加信息。
　　CRC為此幀數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，用于保證整幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。