一、引言

現場總線 （Fieldbus ） 是 20 世紀 80 年代末、90 年代初上發展形成的，用于現場總線技術過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間與更高控制管理層次之間的。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發展的熱點，并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。上許多有實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現場總線技術的產品開發。現場總線設備的工作環境處于過程設備的底層，作為工廠設備級基礎通訊網絡，要求具有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點。具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網絡負載穩定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現場總線系統從網絡結構到通訊技術，都具有不同上層高速數據通信網的特色。

二、常見現場總線及其特點

目前上有 40 多種現場總線，但沒有任何一種現場總線能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數據的大小可分為 3 類：傳感器總線 （ Sensor Bus ），屬于位傳輸；設備總線 （Device Bus ），屬于字節傳輸；現場總線，屬于數據流傳輸。

（一 ） 基金會現場總線 （ FF，Fieldbus Founda-tion ） 以 ISO/OSI 開放系統互聯模式為基礎，取其物理層、數據鏈層、應用層為 FF 通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統一規則，采用設備描述語言規定了通用的功能塊集。基金會現場總線的主要技術內容包括 FF 通信協議、用于完成開放互聯模式中第 2- 7 層通信協議的通信棧、用于描述設備特性、參數、屬性及操作接口的 DDL設備描述語言、設備描述字典、用于實現測量、控制、工程量轉換等功能的功能塊、實現系統組態、調度、管理等功能的系統軟件技術以及構筑集成自動化系統、網絡系統的系統集成技術。

（二 ） LonWorks 是用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通信系統。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七層通訊協議，可靠性高、穩定性好、抗*力強、通信速率快、系統安全符合環境保護要求、造價低廉、維護成本低是現場總線的特點，*替代 4mA－20mA 模擬信號，實現傳輸信號數字化，從而易于現場布線，且降低了電纜安裝和保養費用，增加了可靠性。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質，并開發相應的本安防爆產品，被譽為通用控制網絡。

（ 三 ） Profibus與其他現場總線系統相比，Profibus的zui大優點在于具有穩定的標準 EN50170 作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造、過程控制和自動化等。采用了 OSI 模型，DP 型隱去了 3 層～7 層，而增加了直接數據連接擬合作為用戶接口，FMS 型只隱去第 3 層～6 層，采用了應用層。Porfibus 支持主—從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，zui多可掛接 127 個站點。

（四 ） CAN（ Control Area Network ），zui早由德國 BOSCH 公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。CAN 協議也是建立在標準組織的開放系統互連模型基礎上的。不過，其模型結構只有 3 層 （ 物理層、數據鏈路層和應用層 ）。其信號傳輸介質為雙絞線，可掛接設備zui多可達 110 個。CAN 支持多主方式工作，網絡上任何節點均在任意時刻主動向其它節點發送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收 / 發送數據。它采用總線仲裁技術，當出現幾個節點同時在網絡上傳輸信息時，優先級高的節點可繼續傳輸數據，而優先級低的節點則主動停止發送，從而避免了總線沖突。

（五） HART（Highway Addressable RemoteTransduer ） zui早由 Rosemout 公司開發并得到 80 多家儀表公司的支持，于 1993 年成立了 HART通信基金會。HART 通信模型由 3 層組成 ：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用 FSK(Fre-quency Shift Keying ） 技術在 4mA～20mA 模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用 Bell202 標準；數據傳輸速率為 1200bps，邏輯 0 的信號頻率為 2200Hz，邏輯 1 的信號傳輸頻率為 1200Hz。但由于這種模擬數字混信號制，導致難以開發出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。

（六 ） Modbus 是施耐德公司在 1979 年發明的，是*個真正用于工業現場的總線協議。為更好地普及和推動 Modbus 在基于以太網上的分布式應用，目前施耐德公司已將 Modbus 協議的所有權移交給 IDA（分布式自動化接口，Interface forDistributed Automation ） 組 織 ， 并 成 立 了 Mod-bus- IDA 組織，為 Modbus 今后的發展奠定了基礎 。 在 中 國 ， Modbus 已 經 成 為 國 家 標 準GB/T19582- 2008。據不*統計：截止到 2007年，Modbus 的節點安裝數量已經超過了 1000 萬個。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡 （ 例如以太網 ） 和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。

Modbus 具有以下幾個特點： （1 ） 標準、開放，用戶可以免費、放心地使用 Modbus 協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權； （2 ）Modbus 可 以支持多種 電 氣 接 口 ， 如 RS- 232、RS- 485 等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等； （ 3 ） Modbus 的幀格式簡單、緊湊、通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發簡單。

三、Modbus 總線在 XK3201 （F701B/D ） 儀表中的典型應用

XK3201 （ F701 ） 稱重控制儀表是某自控設備有限公司 （ 以下簡稱“稱某公司” ） 在 2007 年開發的一款高速、高精度稱重儀表，該產品重量采集模塊采用 AD公司 24 位高速 ADC 芯片，采用光電隔離輸入，繼電器輸出，采用全金屬外殼保證其良好的電磁兼容性 （EMC，Electro Magnetic Compatibility ），通過國家 CMC 認證。軟件方面，該產品自帶多種工藝流程工作模式，應用在單機設備中無需 PLC 等第三方邏輯控制設備即可完成全部生產工藝，有效降低設備廠商生產成本及終端操作人員使用難度。

在網絡通訊方面，XK3201 （ F701 ） 采用標準RS485 （ 可選 RS232 ） 物理接口作為 Modbus 總線傳輸介質，由于采用高性能 1/4 總線負載的 RS485 接口芯片，在同一標準 RS485 總線上zui多允許掛載127 臺 XK3201 （ F701 ） 儀表。鑒于 Modbus 通訊的輪巡周期，推薦同一總線上不應超過 32 臺儀表。

XK3201 （F701 ） 支持 Modbus 協議的 RTU 格式，目前支持 03H、06H 和 10H 功能，更多的功能在不斷的擴展中，XK3201 （ F701 ） 儀表在 Modbus網絡中屬于智能從站設備，能夠直接與支持 RTU格式的各種主站系統通訊。鑒于目前國內市場上90%以上的各種組態軟件、觸摸屏、PLC 等均支持Modbus 協議，軟件開發人員在不需要詳細了解具體 通 訊 指 令 的 情 況 下 ， 幾 乎 可 以 讓 XK3201（ F701B/D ） 儀表與目前市場上所有上位機系統進行通訊，大大提高 XK3201 （ F701 ） 儀表的應用范圍。

以下以 XK3201 （F701 ） 與支持 Modbus 協議的臺達觸摸屏通訊為例詳細介紹該款儀表在 Mod-bus 網絡中的應用。

（一 ） 建立觸摸屏與儀表的硬件連接

本案例中觸摸屏與儀表間采用兩線制 RS485接口，觸摸屏與儀表兩端均采用 插頭接口，按照說明書焊接好插頭分別插到儀表和觸摸屏的接口上，然后將觸摸屏和儀表分別接入DC24V 和 AC220V 電源，硬件連接到此告一段落，硬件連接如圖 1 所示。
  

（二 ） 配置觸摸屏硬件組態

本例使用觸摸屏的 COM2 端口與儀表相連，基于 RS485 接口，儀表在 Modbus 網絡中的地址為1，觸摸屏做為主站設備，地址無意義可以任意設置 ， 只 要 符 合 系 統 規 則 即 可 。 目 前 XK3201（ F701 ） 支持 1200、2400、4800 和 9600 幾種波特率，校驗統一采用 8、N、1 （8 位數據位，無校驗，1 位停止位 ） 格式，具體的設置方法如圖 2 至圖 5 所示。
    

       在設置完以上參數后，即可進入畫面編輯狀態，以下分別就 03H、06H 和 10H 功能的具體應用分別做介紹。

（1 ） 03H 功能 （ 寄存器讀 ）

首先添加一個數值顯示控件 （ 如圖 6 所示 ），然后再對該控件的屬性進行設置，其中需要說明的是由于觸摸屏系統自身原因，在設置地址時應在實際地址基礎上加 1 偏移量，例如讀儀表 40198地址，在組態時地址應填寫 40199 （ 如圖 7 所示 ）。
  

到此，組態設置結束，對軟件進行編譯并下載到觸摸屏中即可將儀表中 40198 系統參數顯示在觸摸屏上，如果要讀其他參數，按照上述方法重復即可。然而在批量讀取數據的時候，對各個數據分別讀取每個數據就顯然浪費通訊周期，降低了數據的刷新頻率，此時可以利用宏指令功能，將儀表內數據批量讀到觸摸屏內存中，然后分項顯示，由于觸摸屏顯示的是已存在內存中的數據，而觸摸屏只用同一指令讀儀表，效率大大提高，并且少量增減讀取寄存器數量對通訊周期沒有明顯影響，下面將以宏指令讀取儀表為例作簡要描述：
  

1 ） 在 Clock 宏 中 添 加 “ BMOV (400，(1@W40199)，18)”指令，即將儀表從 40198 （加1 偏移量 ） 開始的 18 個單元寄存器讀取到觸摸屏從 400 開始的內存單元中

2 ） 若需要在觸摸屏上顯示某個數據，只需要將該數據對應的觸摸屏映射地址顯示出來即可，例如要顯示儀表 40198 地址數據，觸摸屏上只要設置顯示 400 地址數據即可，大大增加編程的靈活性。

（2 ） 06H 功能 （ 單寄存器寫 ）

一般而言，推薦使用宏指令去執行 06H 功能，需要執行時只需要觸發寫 W40001 即可，例如現在需要將 1 寫入 4000 地址，只需要在宏指令中執行一次“(1@W40001)=01H”即可。

（3 ） 10H 功能 （ 寄存器寫 ）

本功能執行時可參考 06H 功能，在需要寫某個寄存器時通過宏指令觸發即可，例如現在向40100 （ 目標量 ） 寫入 100，只需要在宏指令中執行一次“(1@W40101)=100(DW)”即可。

（三 ） XK3201（ F701B/D ） 在 Profibus 總線上的應用

XK3201 （F701 ） 除了能在 Modbus 網絡中靈活應用，通過借助第三方網關設備也能夠快速加入到由其他總線組件的網絡中，例如通過 Profibus轉 Modbus 網關，XK3201 （ F701 ） 儀表能夠被映射成一個 Profibus- DP 從站，無需編程 Profibus 主站設備就可以讀寫 XK3201 （ F701B/D ） 的相關參數，大大簡化程序員的工作量，提高系統的靈活性，如圖 9 所示。
  

自從 XK3201 （F701 ） 在 Modbus 網絡中的批量應用，該儀表借助總線通訊優勢也從同類型儀表中脫穎而出，分布式的網絡結構，對儀表的安裝位置不再有嚴格要求，用戶可以根據現場實際情況靈活布置設備安裝。集中式的數據管理讓操作人員在中控室就可以對工廠內不同位置儀表進行統一管理，通過 Modbus 網絡將現場實時的生產數據傳輸到控制室進行管理，避免人為因素對生產數據的更改，保證生產數據的可靠性，提高企業的生產效率。

四、結束語

隨著工業信息化進程的快速發展，工廠自動化的程度越來越高，以及zui近的產品質量溯源跟蹤概念，這些都要求工業稱重儀表要具有完善的網絡管理能力，通過上位機系統對稱重計量的每一批物料質量進行存儲備案，管理人員可以通過網絡遠程實時了解生產情況，現場操作人員也無需在現場即可靈活調整稱重參數，提高產品質量及工作效率。XK3201 （F701 ） 正是順應這一主流趨勢，其自帶的 Modbus 總線功能經過四年多的現場考驗，穩定的通訊質量和良好的用戶反饋說明 Modbus 總線技術在 XK3201 （F701 ） 上應用非常成功。目前該公司的 XK3201 系列其他儀表也都逐漸支持 Modbus 功能，例如在近年 XK3201（F701P/PD ） 配料儀表增加了對 Modbus 的支持，該配料儀表所有參數均支持通過 Modbus 協議進行讀寫，的稱重性能以及良好的用戶體驗讓該公司的 XK3201 系列儀表越來越受到用戶歡迎。

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作者簡介：胡強， 江蘇省計量科學研究院力學與交通計量研究所所長， 工程師， 長期從事衡器產品檢測與管理工作， 實際工作經驗豐富。現擔任全國衡器計量技術委員會副主任委員、 全國衡器標準化技術委員會委員、 《衡器》 期刊編委會副主任委員、 中國衡器協會專家技術委員會副主任委員、江蘇省質量密度計量專業技術委員會主任委員、 《衡器》期刊理事會常務理事； JJG 2053- 2006《質量檢定系統》 、JJF1246－2010《制造計量器具許可考核通用規范》編寫人；《具有可控雙液壓加載機構的計重設備檢測裝置》 和 《液壓加/ 卸載檢測系統分離式稱重信號取樣、 校準裝置》 兩項衡器發明人； 主持研制的 《檢衡車靜態液壓加載系統的研制》 科研項目獲得 2010 年度江蘇省質監系統 “科技進步獎”二等獎和 2011 年度國家質檢總局 “科技興檢獎” 二等獎； 取得中國合格評定國家認可委員會技術評審員、 中國質量認證中心強制性產品認證 （3C） 工廠檢查員、 *計量標準考核考評員、 國家法定計量檢定機構考評員、 國家實驗室資質認定評審員、 國家制造計量器具許可證考評員等技術考評資質， 并承擔相關的技術評審和考核工作。

（ 作者通訊地址：江蘇省南京華光東街 3 號

郵 政 編 碼：210007

收 稿 日 期：2012- 05- 22 ）

[責任編輯 宮秋月]

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