基于ModBus的现场总线控制系统研究与设计.docx

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