The communication between AB PLC and MODBUS network
摘要：介紹了應用3100/3150-MCM模塊實現AB PLC與MODBUS網絡通訊的方法，該方法使用MODBUS協議，通過開發AB PLC的應用程序，從而實現主從結構網絡通信。
關鍵詞：3100/3150-MCM模塊，AB PLC，MODBUS，主從通信
Abstract：This paper introduces the application of 3100/3150-MCM in the communication between AB PLC and MODBUS network. By using MODBUS protocol and developing program of PLC,a master-slave structure network can be setup.
Keywords：3100/3150-MCM，AB PLC, MODBUS, master-slave communication
一．引言
目前的工業控制現場大量使用了PLC和各種智能儀表用于生產過程控制。隨著控制規模的擴大和控制功能的復雜化，常需要多臺PLC及一定數量的外設儀表組成一個控制系統。
MODBUS是美國MODICON公司制訂的一種串行傳輸協議，可實現主從命令響應型通信。作為一種工業通信和分布式控制系統協議，已經得到多家公司的PLC和智能儀表支持。
A-B公司（Allen-Bradley）是美國生產可編程控制器的主要廠家之一，具有先進的通信和數據處理功能。在水處理行業中，使用大量的可編程控制器用于生產過程控制，其中A-B公司的PLC占了相當的比重。
由于不同硬件廠商支持不同的工業通信和分布式控制系統協議，要實現AB PLC與MODBUS儀表組成控制網絡，實現設備的連網，就存在著互相通信協議轉換問題。
3100/3150-MCM模塊是PROSOFT TECHNOLOGY公司推出的在AB PLC通用框架上安裝的MODBUS通信接口模塊。該模塊可以實現AB PLC與MODBUS現場設備之間的通信，從而使AB PLC通信能力得到增強，靈活實現AB PLC與MODBUS網絡的互連，完成復雜的控制要求。
本文基于自來水廠泵站集散控制系統的設計，著重介紹AB公司的SLC系列的PLC通過3150-MCM模塊和MODBUS網絡連接的實現方法。
二． 系統聯網方案
自來水廠泵站集散控制系統，不僅實現一般的邏輯控制，還具備了包括模擬量在內的數值處理和網絡通信等功能。在現場的實際應用中，系統使用的電機保護裝置Sepam2000采用了MODBUS通信協議，出于系統控制功能的需要，要求在AB PLC中實現對MODBUS協議的支持。我們利用3150-MCM模塊建立起MODBUS設備網。
系統的網絡結構遵循MODBUS協議的規范，采用標準簡單的主從總線結構，以PLC作為主機發起通信，多臺電機保護裝置Sepam2000作為從機，各從機在進行傳輸之前必需要等待來自主機的允許信號。主機可以發送和接收來自通信鏈上從機的信息，而從機則始終處于被動狀態，隨時準備響應來自主機的通信請求。設備層部分網絡結構如圖1。
三．Sepam2000及MODBUS協議的介紹
Sepam2000作為電機保護裝置，提供了所有保護、測量、控制、通信等功能。Sepam2000與遠程監控系統之間的通信是采用MODBUS協議的通信方式。
MODBUS的通信采用的是一種主/從式數據傳輸，在主從結構的通信方式中，有一臺主機，多臺從機，主機可與各個從機作雙向通信，而各從機之間不能通信。主機與各個從機通信的報文形式為請求/響應幀方式。每次通信均由主機發起，不需握手。主機發出請求幀后，等待從機返回響應幀直至響應時間超時。從機只能通過提供數據響應主機的請求，或根據請求做出相應的動作。
MODBUS協議定義了主機請求的格式，包括：請求的編址，要求動作的功能編碼，傳輸數據和錯誤校驗等。請求中的編址（即地址碼）提供接收主機報文的從機地址，從機根據地址判別是否接受該請求，用戶必須設置每臺從機的地址。功能編碼告訴指定編址的從機完成什么樣的動作。數據字段中包含了從機執行任務時所需的附加信息。例如，功能編碼03表示讀取從機的保持寄存器并返回其中的內容，數據區中的信息就必須告訴從機從哪個寄存器開始讀，需要讀的寄存器數。錯誤校驗字段為從機提供了信息完整性校驗的方法。同樣，響應的格式也是采用MODBUS協議結構，從機響應的功能編碼與接受的請求的功能編碼相對應，數據字段包含根據請求返回的數據，錯誤校驗字段允許主機確認信息內容是否有效。
MODBUS協議共有24種功能編碼，但是并不都適用于Sepam2000，實際應用中Sepam2000只是支持下面有限的幾種：
01讀取輸出狀態
02讀取輸入狀態
03讀取內部寄存器內容
04讀取輸入寄存器內容
05強制單個輸出狀態
06刷新單個寄存器內容
07讀取異常事件狀態
08診斷測試
11讀取計數器和狀態字
15強制多個輸出狀態
16刷新多個寄存器內容
如果主機希望讀取2號Sepam2000從機中寄存器0805h-080Ah的內容，則需要調用功能03。主機請求和從機響應的幀格式如下：
請求幀：
響應幀：
而如果主機希望刷新2號Sepam2000從機中寄存器0810h的內容并把寄存器內容設置為1000，則需要調用功能06。主機請求和從機響應的幀格式如下：
請求幀：
響應幀：（返回收到的請求幀）
Sepam2000的幀格式以及所執行的功能都有明確的定義，不能隨意更改。在通信過程中，要確保主機和各從機的對應關系正確。此外，用戶可以根據實際需要配置合適的傳輸波特率、字符奇偶校驗、停止位的個數等通信參數設置。
四．AB PLC中MODBUS協議的實現
1．MCM模塊的通信控制
PROSOFT TECHNOLOGY公司的3100/3150-MCM通信模塊，相當于網絡接口，PLC通過MCM模塊與MODBUS總線相連。MCM模塊能快速、可靠地在AB PLC中實現MODBUS協議。
3100/3150-MCM通信模塊可供用戶選擇使用主機模式或者從機模式。當MCM模塊設定為主機，它對連接到總線上的從機進行控制，支持MODBUS協議中（01、02、03、04、05、06、15、16）8種功能編碼，可以發送多達一百條定制的請求指令，并支持以“廣播”方式發出請求。當MCM模塊指定為從機，它響應主機的請求，此時能夠支持MODBUS協議中（01、02、03、04、05、06、08、15、16）9種功能編碼。同時，無論是主機模式或者是從機模式，3100/3150-MCM通信模塊都支持ASCII和RTU兩種傳輸模式。
當AB PLC配置了3100/3150-MCM通信模塊作為主機模式時，PLC采用周期掃描方式，按請求指令的順序與從機交換數據。每次掃描期間，處理器使用邏輯寫指令將主機內存中要輸出到各從機的數據傳送到3100/3150-MCM通信模塊中的發送緩沖區，模塊根據存儲的功能指令，發送到指定的從機；而各從機響應后返回的數據，3100/3150-MCM通信模塊將其先存放在接收緩沖區，然后PLC使用邏輯讀指令把數據移入相應的輸入數據存儲區。周而復始，使主機與從機中的數據得到周期性的刷新。整個數據流程如圖2所示：
2．MCM模塊與MODBUS的硬件連接
MCM模塊使用的是與RS232C兼容的標準通訊接口，但在實際應用中由于要實現多點通信，所以采用RS485方式。圖3是3150-MCM模塊9芯串行口與MODBUS的連接圖
3． MCM模塊的緩沖區管理
PLC與MCM模塊之間是通過模塊輸入、輸出映像文件進行數據傳送。PLC寫數據時，將數據寫入輸出映像文件，然后3100/3150-MCM通信模塊把數據映射到相應的緩沖區位置上；PLC讀數據時，根據映射地址，從輸入映像文件中讀取模塊緩沖區中對應地址的數據。映像文件的數據傳送單位為一個50字節的數據塊，PLC必須循環地一次傳送一個數據塊。
MCM把緩沖區按數據傳送的單位大小，分為若干個塊，并一一標號，用塊號對應起來，并且劃分為三個區，分別用于數據、指令、參數設置。數據存儲區從0塊號開始，結束于79塊號，中間有4000個字節的空間，用于存儲接收的數據和發送的數據，是主機、從機交換數據的場所；指令存儲區從第80塊至第99塊，共1000個字節，用于存儲主機模式下，模塊的功能指令表，每次掃描，順序按功能指令列表向從機發出請求幀；第255塊號前40個字節則專門定義為模塊設置參數存儲區，用于初始化模塊。
在通信過程中，首先要對主機進行初始化，即對第255塊號對應的緩沖區內容進行參數配置，主要是定義通信端口的設置，模塊緩沖區的詳細劃分。設置的有以下參數：
〈1〉定義MCM通信模塊兩個獨立的通訊接口設置。包括：選擇主機模式或者從機模式、定義字符奇偶校驗、停止位的個數，傳輸的波特率，響應延時等參數。
〈2〉定義模塊的緩沖區中存儲接收數據的數據存儲區。包括：接收數據存儲區的起始塊號，存儲區的連續塊數。
〈3〉定義模塊的緩沖區中存儲發送數據的數據存儲區。包括：發送數據存儲區的起始塊號，存儲區的連續塊數。
〈4〉定義模塊的緩沖區中指令存儲區。由于指令存儲區固定從80號數據塊開始，所以只需指定存儲區的塊數。
4．MCM模塊的功能指令設置
MCM模塊處于主機模式下時，功能指令列表存放在模塊緩沖區中的指令存儲區。主機向從機發出請求時，模塊從指令存儲區逐條讀出功能指令，并按照MODBUS請求幀格式發送數據。
指令存儲區中每條功能指令的具體內容如下：
1、模塊通信端口選擇
2、從機的站地址。從機在接收數據時將本站編址的值與收到的站地址比較，以此判定信息是否是發給本站的。而主機在接收時則將收到的站地址與發送的站地址比較，以判斷是否是正確的從機響應
3、指令的功能編碼
4、源地址。即主機要發送或接收的數據在緩沖區中的起始數據地址
5、數據長度。即主機要發送或接收的數據的字節數
6、目的地址。即從機要接收或響應的數據的寄存器地址
7、數據的類型。用于標示讀、寫的數據是雙字節的浮點數還是單字節的整數
8、輪詢時間
如果主機希望在1號通訊接口讀取2號Sepam2000從機中寄存器0805h-080Ah的內容并存放到模塊緩沖區第50個字節開始的連續6個字節中，功能指令內容如下：
5．AB PLC通訊程序的開發
程序執行時，在第一個掃描周期，都必須設置MCM的狀態，即初始化MCM模塊。通信程序中，PLC在輸入、輸出映像文件中為MCM緩沖區設置當前以及后續讀寫指針，分別指向當前MCM緩沖區數據塊號，后續緩沖區數據塊號。若MCM處于數據傳送允許狀態，即 I1:1/0 = 1 , O0:1/0 = 0時，PLC判別當前讀寫指針，調用相應讀寫邏輯指令。如果指針指向接收數據的數據存儲區，則PLC從MCM模塊中接收數據；如果指針指向發送數據的數據存儲區，則PLC向MCM模塊發送數據；如果指針指向指令存儲區，則PLC向MCM模塊傳送功能指令。每次執行一個數據塊的傳送，并在傳送后，把后續讀寫指針覆蓋當前讀寫指針，從而在下個掃描周期進行下一個數據塊的傳送。PLC自動周期性掃描，按照編定的功能指令向從機的輸入/輸出數據進行發送/接收，以滿足數據傳輸的要求。
根據PLC的邏輯指令及MCM的通信原理，畫出了圖4所示的主機通信程序結構框圖。
五．結束語
經過現場調試，實現了1臺AB PLC與13臺SEPAM2000組成的MODBUS網絡連接。實際應用證明，這種方式組成的系統結構簡單，應用方便，能滿足復雜的控制需要。
參考文獻
1、3100/3150 MCM USER Manual，ProSoft Technology ,1997.
2、AB PLC Programming Reference Manual，AB ,1997.
3、Sepam2000 Communication protocol , Schneider, 1999.
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
