【摘 要】 本文介紹了在工業控制系統中廣泛使用的ModBus通信協議。以ModBus的ASCII方式為例，剖析了ModBus的指令結構，著重說明基于ModBus通信協議的設備之間如何進行數據通信、如何使用ModBus通信協議把衡器接入PLC系統，并簡單介紹了PLC系統與局域網的互聯。
【關鍵詞】 ModBus通信協議；PLC可編程控制器；衡器
在衡器行業中，但凡涉及串行通信時，工程師們都會有一種無奈，就是通信協議問題。由于我國衡器廠眾多，各自采用自己的通信協議，使得通信協議五花八門，互不兼容。由于是自成一體，也為后續與其他系統聯網、維修、儀表配件互換等留有后遺問題。若采用一種工業控制領域的主流協議，各衡器廠的通信協議都與這個主流協議兼容，那么上述問題自然迎刃而解。這個主流協議*ModBus。
一、什么是ModBus
ModBus是一種通信協議，是由Modicon公司發表于1979年，主要用于PLC（可編程邏輯控制器）系統。目前，在工業自動化設備通信連接中，ModBus已是相當常見的一種連接方式。
二、ModBus與其他通信協議比較
1、物理層簡單、價廉：ModBus可以在常用且廉價的RS232、RS485等物理媒介上運行，不像CanBus、ProfiBus、BitBus等需昂貴的芯片支持。
2、免費：ModBus是一種公開的，可以無償使用的協議。而使用ProfiBus則需要向有關組織登記繳費。
3、使用普及：ModBus是當前工業控制中使用zui廣的一種通信協議，基于這點，具有ModBus的設備接入工控系統相對容易。
4、維護方便：由于接入ModBus總線相對其他工控總線而言，比較簡單。一般具有RS232、RS485等串行口的PC機都可以接入，使用PC機自帶的超級終端軟件或其他串行控制軟件，就能觀察ModBus通信過程，可以很方便地查出故障站點。
第十一屆稱重技術研討會論文集
2
稱重科技 三、ModBus的主要型式
ModBus主要有四種型式：ASCII、RTU、TCP/IP和Plus。
1、ASCII型式：采用ASCII碼進行數據交換，使用縱向冗余校驗的校驗和（LRC）進行數據校驗。
2、RTU型式：采用二進制碼進行數據交換，使用循環冗余校驗的校驗和（CRC）進行數據校驗。
3、TCP/IP型式：主要用于以太網，不使用校驗和進行數據校驗。
4、Plus型式：該型式為Modicon公司專有，采用專門的協處理器進行數據處理。
目前，使用zui廣泛的型式是ASCII和RTU，主要采用RS232、RS422、RS485進行物理連接，其中RS485使用zui多。
四、ModBus的結構
ModBus協議是一個master（主）/slave（從）架構的協議。有一個節點是master節點，其他使用Modbus協議參與通信的節點是slave節點。每一個slave設備都有一個*的地址。ModBus的通信比較簡單，由master發通信指令，指令中含有欲于之通信的slave站號。當master發指令時，所有slave都處于收聽狀態，一旦slave收聽到與自己地址相同的站號時，立刻執行指令的內容，并回傳執行的結果。
五、ASCII型式的ModBus通信協議的格式
在ModBus上通信時，各站點的通信參數必須一致，如：波特率、奇偶校驗。
通信時，一個信息字節中的每8位分為兩個ASCII字符進行傳輸，允許字符傳輸間隔在1秒之內。
1、ASCII型式每一字節的格式
16進制編碼，ASCII字符（0-9、A-F），即：0x30-0x39、0x41-0x46。
1位開始位、7位數據位（先低后高）、1位奇偶校驗（無奇偶校驗時為0）、1位停止位。
2、數據錯誤校驗采用縱向冗余校驗（LRC）
3、通信幀格式（ModBus命令格式）
開始
地址（站號）
功能
數據
校驗（LRC）
結束
：（0x3a）
xx
xx
x...
xx
CR、LF（0x0d、0x0a）
1字符
2字符
2字符
N字符
2字符
2字符
一個基本的ModBus命令，除了開始、校驗、結束字符外，還必須有地址項及功能項。地址——也就是站號，想要被操作的對象（slave站號）；功能——想要被操作的對象完成的任務。ModBus命令可以沒有數據項。
被操作的對象，在完成所要求的操作后，必須回傳一幀信息，傳遞操作結果?；貍餍畔⒌母袷?br />第十一屆稱重技術研討會論文集
2012.5·南京
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自 動 衡 器 篇
與命令格式相同，只是數據內容為操作的結果。
六、利用ModBus，實現PLC與電子稱重設備的通信
為了使大家對Modbus有更進一步的了解，下面用例子方式說明如何把電子稱重設備接入PLC控制系統的Modbus總線網絡。例子中的稱重儀表為上海彩信電子科技有限公司生產的XK311增強型儀表。本例中，1臺PLC作為主機（master），10臺電子秤作為從機（slave），使用XK311增強型儀表作為電子秤顯示儀表，從機地址為70、71、72、....79。通過RS485連接PLC和各儀表，采用ModBus ASCII通信協議。PLC可以對各臺儀表進行置零、去皮、讀取重量等多項操作。稱重系統示意圖如圖1所示，圖中的計算機是在系統調試時接入RS485總線的，用以觀察RS485中傳輸的數據，正常工作時是移除的。
圖1 稱重系統示意圖
上述系統可實現以下功能：
1、正常工作時，PLC每隔10秒輪詢一次，獲取每臺秤的重量。
2、當秤臺上重量異常時，PLC會發出警告信息，提示控制室人員注意。
3、控制人員可以通過PLC，對某臺秤發出置零、去皮等操作指令。
4、PLC可對各臺秤的稱量，進行各項統計，生成必要的統計報表。
七、ModBus與局域網互連
現在，很多PLC都具有局域網接口，通過該接口，就可以遠程控制稱重系統了。當然，也可以通過接在Modbus總線上的PC機，利用PC機的軟、硬件資源，編制相應的軟件，將重量信號傳送到局域網上。若局域網通過路由器接入因特網，很顯然重量數據就可以在因特網上傳輸了。本系統是通過PLC的DH+網絡接入局域網的。當然，網絡部分使用的協議，*TCP/IP、NetBEUI。Modbus也有相關的TCP/IP型式，這里就不再贅述了，大家可以參考相關的書籍。
上述的稱重系統只是PLC的一個子系統，是后期改造的一個項目。其整個PLC系統（見圖2）是采用美國ROCKWELL公司的PLC，共有5臺PLC機箱（采用PLC5系列）、4臺工控機和2臺服務器、若干臺PC組成的。PLC采用ROCKWELL公司的DH+網絡連接，使用DF1協議；其中1
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稱重科技 臺PLC與稱重系統采用RS485連接，使用Modbus協議；DH+網絡通過1臺作為連接橋的工控機，連入局域網。工控機上的監控軟件是RSVIEW32，操作人員通過該軟件的人機界面，觀察各項數據，發出各項指令，當然也包括稱重數據及指令。另外，局域網上的PC機也安裝了RSVIEW32軟件，只不過取消了操作指令，但可以通過該軟件觀察各項數據，便于其他相關人員關注設備運行情況。
圖2 PLC系統圖
八、結束語
本文簡單介紹了ModBus通信協議，例舉了電子秤采用RS485串行接口接入PLC系統，用ModBus通信協議，實現與PLC的實時通信。由于水平有限，如有錯誤的地方，望諒解。
PLC程序采用的是梯形圖，其中有對串行口進行操作的梯形圖，設置圖中的相關屬性，如波特率、奇偶校驗，把相關的Modbus操作命令寫入其中即可。有關PLC的編程請參閱ROCKWELL公司的《PLC5指令系統與使用說明》。
關于XK311增強型儀表的ModBus協議及指令舉例，請看附錄。
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自 動 衡 器 篇
附錄：
XK311增強型儀表的ModBus協議格式
說明
報頭
站號
功能碼
首址
數據量
數據值
校驗碼
報尾
指令
：
xx
xx
xxxx
xxxx
xxxx
LRC
\CR\ LF
回傳
：
xx
xx
xx
xxxx
LRC
\CR
\ LF
出錯回傳
：
xx
xx
zui高位置1
xx
錯誤碼
LRC
\CR
\ LF
報頭、報尾：所有指令均以冒號（：）開始，以回車符、換行符結束。
站號：2個ASCII碼，范圍為01-90（16進制：0x01-0x）。
功能碼：2個ASCII碼。
02：讀繼電器輸出狀態；
04：讀稱量狀態（顯示值、皮重等）；
05：置零操作；
06：皮重操作；
07：通信測試；
08：讀定值；
09：寫定值。
首址：4個ASCII碼，讀寫數據的位置。
數據量：4個ASCII碼，讀寫數據的數量。
數據值：讀寫的數據。
校驗碼：2個ASCII碼，采用LRC校驗。
LRC校驗碼運算：報頭（：）不參與運算，LRC在數據之后，在\CR\LF之前。參加運算的是報頭之后，LRC之前的所有數據。LRC為參加運算的數據之和的補碼，舍去進位。
當儀表執行指令出錯時，會回傳錯誤碼，并將功能碼的zui高位置1。
錯誤碼：
00--接收到的功能碼出錯；
01--數據地址錯；
02--數據數量錯；
03--數據值錯，如：預置皮重大于zui大稱量FS；
04--稱量為負時去皮；
05--不在稱重狀態時置零；
06--稱量不穩定時置零；
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稱重科技

07--稱量>2%FS時置零；
08--稱量<-2%FS時置零。
接下來以地址為78（16進制為4E）號的儀表為例，詳述每條指令。PLC作為master，發送指令；電子秤儀表作為slave，接收指令，并回傳執行結果。
讀取重量數據（功能碼：04）
說明
報頭
站號
功能碼
首址
數據量
數據值
校驗碼
報尾
指令
：
4E
04
0000
0007
A7
\CR\ LF
回傳
：
4E
04
07
120003E70000CA
E1
\CR\ LF
例中：站號4E，即78號；功能碼04表示要讀取重量數據；儀表的重量數據專門放置在重量數據單元，其地址從0000到0006，共7個字節。其中0000：狀態數據；0001-0003：顯示值；0004-0006：皮重值。讀取重量數據時，可以單獨讀，也可以2個一起讀或全部讀。首址0000表示從重量數據的0000地址開始讀?。粩祿?007表示共要讀取7字節數據；校驗碼A7表示校驗和LRC=A7。
當PC發出指令后，每個從站儀表都會接收，只有與指令中的站號相同的儀表，才會響應，回傳所需信息。
78號地址的儀表，收到上述指令后，會回傳“：4E0407120003E70000CAE1\CR\LF”
其中“120003E70000CA”是PC想得到的78號站的重量信息。
12--狀態數據，表示當前顯示為正、重量穩定、顯示值是凈重，當前數據包含2位小數；
0003E7--顯示值，同狀態數據結合考慮，即：當前的顯示是凈重9.99kg；
0000CA--皮重值，即：當前的皮重是2.02kg。
數據校驗：所有被參與校驗的數據+校驗碼=0（舍去進位）。
0x4E+0x04+0x00+0x00+0x00+0x07+0xA7=0x100，舍去進位1后，等于0，表示數據檢驗正確。
狀態數據：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0：正
1：負
0：不在零位
1：在零位
0：穩定
1：動態
0：毛重
1：凈重
恒為0
000：無小數；001：1位小數;
010：2位小數；011：3位小數
如要單獨讀顯示值，可發指令“：4E0400030003A8\CR\LF”
78號儀表回傳“：4E04030003E7C1\CR\LF”
如要同時讀顯示值及皮重，可發指令“：4E0400030006A5\CR\LF”
78號儀表回傳“：4E04060003E70000CAF4\CR\LF”
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置零操作（功能碼：05）
報頭
站號
功能碼
首址
數據量
數據值
校驗碼
報尾
指令
：
4E
05
AD
\CR\LF
回傳
：
4E
05
AD
\CR\LF
說明
置零成功
回傳
：
4E
85
07
26
\CR\LF
說明
置零失敗，重量>2%FS
去皮操作（功能碼：06）
報頭
站號
功能碼
首址
數據量
數據值
校驗碼
報尾
指令
：
4E
06
0004
0003
000064
41
\CR\LF
回傳
：
4E
06
03
000064
45
\CR\LF
說明
設置皮重=100，顯示凈重
指令
：
4E
06
0004
0000
A8
\CR\LF
回傳
：
4E
06
03
0000C9
E0
\CR\LF
說明
操作前為毛重狀態，操作后，把毛量作為皮重，皮重=201，顯示凈重為0
指令
：
4E
06
0004
0000
A8
\CR\LF
回傳
：
4E
06
03
000000
A9
\CR\LF
說明
操作前為凈重狀態，操作后，恢復毛量顯示，皮重=0
去皮操作正確執行后，回傳的數據為去皮操作后的皮重值。
讀取定值（功能碼：08）
報頭
站號
功能碼
首址
數據量
數據值
校驗碼
報尾
指令
：
4E
08
0001
0004
A5
\CR\LF
回傳
：
4E
08
04
00006400
45
\CR\LF
說明
首址：0001--1#定值、0005--2#定值、0009--3#定值、000D--4#定值、0011--5#、0015--6#定值；
數據中，前3字節表示定值，例中：000064表示1#定值=100
后1字節廠家保留，這里不用。
指令
：
4E
08
0005
0004
A1
\CR\LF
回傳
：
4E
08
04
00012C00
79
\CR\LF
說明
2#定值=300
指令
：
4E
08
000D
0004
99
\CR\LF
回傳
：
4E
08
04
0003E800
BB
\CR\LF
說明
4#定值=1000
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