基于ModBus的现场总线控制系统研究与设计 

基于ModBus的现场总线控制系统研究与设计

随着微电子技术的出现和发展，现场总线技术日益成为国内外仪表界的关注 焦点。ModBus作为一种有效支持分布式控制和实时控制的现场总线协议，以其稳 定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其独特的设计越 来越受到人们的重视，并被公认为最有前途的现场总线之一。因此，基于ModBus 协议的现场总线的研究与开发具有非常现实的意义。

ModBus协议最早是应用于电子控制器上的一种通用语言，是一种有效支持分 布式控制和实时控制的串行通信网络。通过此协议，控制器相互之间、控制器经 由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。而基于该现场总线技术的控制 系统(Field control system,FCS)最大的优点就是开放性，与传统控制系统比 较，代表着技术发展的潮流。

本文在简要分析了国际上最具影响的几种现场总线协议的基础上，对ModBus 总线协议和基于该协议的现场总线控制系统进行了研究，设计了FCS一2000现场总线控制系统，同时对设计的系统的可行性在实际中的应用做了说明。主要包括以下几部分：

1、研究并阐述了ModBus协议的格式和定义及其体系结构，对该总线协议的

各个部分，包括协议的传输方式、帧的构成、错误校验、功能码等给出了详尽的 描述；

2、研究了基于ModBus协议的现场总线控制系统的设计思想和系统结构，并 设计了FCS-2000现场总线控制系统。该系统本质上是一种对生产现场进行控制和 管理的网络，具有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性，通过专门的接 口和设备完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。

3、通过文字、数据、图片等方式展示了研究设计的FCS一2000现场总线控制 系统在一个实际的工业工程控制领域的成功应用，体现了设计的FcS一2000现场总线控制系统的可行性。同时，简要说明了系统应用的情况和市场前景。 通过实际应用表明，基于ModBus总线协议设计的控制系统在可靠性、容错处 理、数据交换、系统管理、抗环境干扰等方面都比传统仪表组成的系统功能强。 在控制系统领域将会有很大的发展空问和市场。

关键词：ModBus，总线协议，控制系统，系统结构，工业工程

基于ModBus总线的控制系统FCS-2000的工程设计 1.MODBUS总线在控制系统中应用的背景 前面论述了控制系统已发展到全数字化、全开放式、全智能化的信息综合化时代，自动控制仪表的变迁过程对现在的工业现场仪表的开发也提出了新的要求，即开发基于现场总线的智能仪表己成为大势所趋。对于工业控制领域，采用现场总线可以节省硬件数量，大大减少了导线，节约安装和维护费用，同时，采用数字信号传输，减少了模拟量在传输过程中的误差，又大大提高了抗干扰能力。通过对现场总线的几种协议的比较，其中ModBus现场总线协议已比较成熟，并成为了事实上的国际工业标准，它又是一种有效支持分布式控制_和实时控制的串行通信网络。由于ModBus总线具有诸多突出优点，促使其在各个领域的应用得到迅速发展，这使得许多器件厂商，如英特尔公司、飞利浦公司、摩托罗拉公司和NEC等公司，竞相推出了各种ModBus总线产品，已逐步形成系列。所以开发基

于ModBus现场总线的控制仪表非常可行及实用。国际标准化组织(ISO)，已推出一种适合于工厂自动化发展的标准计算机网络体系。体系结构分为三级：管理级，过程控制级，现场仪表(含装置)级。其基于ModBus现场总线的全数字式分散控制系统(SDI系统)的结构如图2.1所示。图3.1中给出的全数字化的控制系统中，对于管理级、监控级、过程控制级，目前市场上已经有比较成熟的产品了，而对于在此控制系统中占有重要地位的基于现场总线的现场仪表(含装置)级的产品却非常少，国内仅有少数凡家大公司正在开发此类产品，还远远不能满足需要。现场总线处于全数字化的控制系统的最低一级，通过它，把现场仪表与控制装置连接起来，与控制装置实现全数字化的双向通信。由于现场总线遵循国际标准，因而使得国际上各公司生产的自动化仪表和装置具有开放性和互换性，大大方便了用户。

本文就以基于ModBus现场总线的控制系统FCS．2000和智能数据采集为例， 详细介绍过程管理器与现场仪表之间的数据传输以及现场控制仪表从现场获得数字信息的硬、软件设计原理和实例。

2． FCS．2000现场总线控制系统的设计思想

现场总线技术在仪表中的应用被国际界誉为一场牵动整个自动化和仪器仪表 工业的“革命”。利用现场总线技术实现自动化仪表产品全面更新换代，并进而对产业界所带来的潜在的巨大经济效益引起广泛关注，成为全世界范围自动化技术的热点。

由于我国技术和生产装备落后等原因使得我国自动化控制系统国产化进程不 理想，关键技术长期受制于人。我们中国四联仪器仪表集团公司作为全国最大的 工业自动化仪表生产基地，攻克并掌握自动化控制系统的关键技术，以现场总线 为基础研发出新一代性能可靠、功能齐全、价格适中，具有自主知识产权的用于 冶金、石油、化工、电站、轻工等工业自动化控制领域和环保领域的现场总线控 制系统就显得非常迫切和重要。

2.1基于ModBus总线的控制系统FCS-2000的工程应用 2．1．1发展现场仪表对控制系统的迫切性

目前现场总线已成为全球自动化技术的热点。随着机电一体化设备的广泛应 用，工业控制系统变得越来越复杂。业界不仅需要对各类测量信号实现远程测量 和集中控制，还要求系统达到更高的可靠性和智能化。传统点对点接线的分布式 控制方法显然已经不能适应今天大型仪表控制系统的需求，向现场总线技术迁移 已势不可挡。现场总线技术在仪表中的应用被国际界誉为一场牵动整个自动化和仪器仪表工业的“革命”。利用现场总线技术实现自动化仪表产品全面更新换代，并进而对产业界所带来的潜在的巨大经济效益引起广泛关注，成为全世界范围自动化技术的热点。由于我国技术和生产装备落后等原因使得我国自动化控制系统国产化进程不理想，关键技术长期受制与人。我们中国四联仪器仪表集团公司作为全国最大的工业自动化仪表生产基地，攻克并掌握自动化控制系统的关键技术，开发出自己的现场总线控制系统的现场仪表就显得非常迫切和重要。 2．1.2多节点系统的建立和运行 FCS一2000控制系统的研制成功，为基于现场控制的多节点系统的建立和运行， 提供了有力的保障。一个典型的多节点系统的结构示意图如下图。

系统设计应在保证系统可靠性和降低成本的条件下，具有通用性、实时性和 扩展性等特点；因此，为了解决前面提出的问题，即在ModBus现场总线的基础 上实现过程管理器与现场仪表的数据传输的硬、软件设计，本章就以控制系统的 设计为例，从系统的角度来论述一个基于ModBus协议的工程?“FCS-2000现 场总线控制系统”的实现。

2.2 FCS一2000现场总线控制系统的结构和特点 2．2．1 FCS-2000现场总线控制系统的结构 系统构成如下图所示

FCS．2000现场总线控制系统本质上是一种对生产现场进行控制和管理的网 络。但和Internet、Intranet等类型的信息网络不同，由于直接面向生产过程，从而要求本身有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性；此外，FCS-2000现场总线控制系统还要通过专门的接口和设备完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。因此，统一的控制网络模型应设计有三层结构，从底向上依次为：现场智能设备层、现场总线监控层、远程监控层。 ●现场智能设备层

在FCS．2000现场总线控制系统中，现场智能设备层定义为现场总线智能仪表。 与常规的模拟量仪表相比，有其特有的优势，如：现场总线系统的接线十分简单， 一对双绞线或一条电缆上通常可以挂接多个设备，因而可减少安装的费用；现场 总线仪表自身能直接执行多种控制计算和报警功能，进一步分散了控制风险；具 有数字通讯和诊断能力，提高了系统的精度和可靠性；通讯标准相对统一，同一 条总线上可连接多个制造商的产品。根据实际情况，我们公司自主设计了符合控 制系统要求的一系列现场总线智能仪表。 ●现场总线监控层

这一层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋 势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。监控层的功能一般由上位计 算机完成，它通过接口与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信；或者通 过专门的现场总线接tl(转换器)实现现场总线网段与以太网段的连接，这种方式使系统配置更加灵活。这一层处于以太网中，因此其关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。监控层除上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。

●远程监控层

其主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先要将 中间监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时 通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程 监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广 域网范围内实现底层测控信息的实时传递。对于FC$．2000现场总线控制系统，实现远程监控的途径就是通过Intcmet，主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。在整个FCS．2000现场总线控制系统网络模型中，现场设备层是整个网络模型的核心，只有确保总线设备之间可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信息以及实现监控功能。

2．2．3 FCS．2000现场总线控制系统的特点 ●采用C／S(diont／sorvor，客户，服务器)和B／S(Browscr／Sorver，浏览器，服务

器)混合结构。此结构保证了系统的可扩充性、可裁剪性、易升级性、易维护性、 故障隔离性。

●采用TCP／IP和ModBus混合通信协议。在保障系统安全性的同时又保证了 系统的开放性和数据信息共享性。

·采用脚本技术。脚本为项目组自行开发的类c安全脚本，为系统的二次开发 提供了强大而灵活的工具，是该软件成为可定制的软件。

·实现了实时数据库。实时数据库不仅提供了快速的实时数据访问，还提供了 可定制的控制策略。是实时系统和数据库系统有机的结合，也是目前国内外在工 控行业的一种全新的、先进的解决方法。

·采用冗余容错技术，使用双网、双服务器、双前置等技术保证系统可靠运行。 ●采用了腰Ⅸ的动画技术。使生硬的工业监控对象变得生动形象。

●用户定制的图文Excel高级报表。使数据统计和报表工作从此变得轻松简单 高效。

●WEB发布技术可以轻松的将现场数据和历史数据实时发布到Iatranct和 Intcrnct。在世界的任何地方你都能随时了解现场情况。

●远程诊断技术使用户的系统在第一时间内能得到厂家的在线诊断，将用户的 损失减少到最低程度。

●分层式的设计保证挂接任何厂家的设备和规约。

·开放式的设计保证能挂接其他公司的系统，如：企业MIS、CAN系统总线、 HART系统总线等，实现数据共享。

●安全系统保证系统不接受非授权操作和访问。

●通用的平台保证了高度的二进制级的代码可重用性。通过替换修改或增加部 分软件包即可达到适用于其他特殊行业监控的需求。

3、基于ModBus总线的控制系统FCS-2000的工程应用 3．1发展现场仪表对控制系统的迫切性

目前现场总线已成为全球自动化技术的热点。随着机电一体化设备的广泛应 用，工业控制系统变得越来越复杂。业界不仅需要对各类测量信号实现远程测量 和集中控制，还要求系统达到更高的可靠性和智能化。传统点对点接线的分布式 控制方法显然已经不能适应今天大型仪表控制系统的需求，向现场总线技术迁移 已势不可挡。