摘 要：本文研究并建立了遵照開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI模型），并基于ModBus協(xié)議的工程師站通訊系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工程師站在現(xiàn)場(chǎng)總線上對(duì)5條高速腈綸紡絲生產(chǎn)線同時(shí)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。
關(guān)鍵詞：OSI模型；ModBus協(xié)議；工程師站
一、引言
ModBus通訊協(xié)議正被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的通訊系統(tǒng)當(dāng)中，其中德國(guó)西門子的控制設(shè)備（如PLC）大多采用此協(xié)議進(jìn)行與工程師站PC機(jī)之間的通信。大慶石化總公司腈綸廠腈紡生產(chǎn)線工程師站便是基于ModBus協(xié)議，采用PC機(jī)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線完成對(duì)生產(chǎn)線上各工位速度監(jiān)測(cè)，同時(shí)在線調(diào)節(jié)改變各工位速度的操作系統(tǒng)。用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)過去中型機(jī)DCS的主要功能是一種新方案，同時(shí)它擴(kuò)展了DCS不具備的在線速度給定功能，提高了生產(chǎn)效率，給腈綸廠帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益。
腈綸生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用由PC機(jī)、PLC控制器、現(xiàn)場(chǎng)總線組成的總線式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案?？偩€結(jié)構(gòu)如圖1。

工程師站在現(xiàn)場(chǎng)總線上通過ModBus協(xié)議與5條生產(chǎn)線上的PLC進(jìn)行通信，并進(jìn)行控制（包括數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入）來實(shí)現(xiàn)對(duì)5條生產(chǎn)線上各工位的在線控制，因此，工程師站與PLC之間基于ModBus協(xié)議的通信系統(tǒng)的建立就成了工程師站工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
二、工程師站通信系統(tǒng)的建立
工程師站通信系統(tǒng)采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互連模型（OSI）。OSI模型的目的是在不需要改變系統(tǒng)軟硬件邏輯結(jié)構(gòu)的條件下，使不同系統(tǒng)間的通信變得可能。OSI模型不是一套特定協(xié)議，而是用來理解和設(shè)計(jì)一個(gè)靈活和可互操作的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的模型。該模型由七層組成，在此系統(tǒng)中采用其中的五層。
1、物理層的建立
物理層是最低的參考模型層，它與物理媒體（Physical media）直接接口。它定義了基本連接的機(jī)械和電氣特性，包括把兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在網(wǎng)絡(luò)上的電纜、連接口等等。物理層同時(shí)支持單工、半雙工和全雙工模式通信。工程師站通信系統(tǒng)采用了半雙工模式通信。
通信系統(tǒng)的通信電纜選用德國(guó)西門子專用通信電纜6XVI830．
PC機(jī)輸出端口為232信號(hào)，而232信號(hào)易受噪聲干擾，不適合遠(yuǎn)距離傳輸，而工業(yè)上通常采用抗干擾能力較強(qiáng)的485信號(hào)，來適應(yīng)較遠(yuǎn)距離傳輸及復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，因而工程師站用232/485信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。
因?yàn)橛?條生產(chǎn)線，系統(tǒng)采用1個(gè)PC機(jī)232端口通過總線與5條生產(chǎn)線通信。因?yàn)楣に囈蟛蓸泳纫话銥閿?shù)百毫秒，因而可以通過巡回采樣滿足生產(chǎn)要求。如果有更多的生產(chǎn)線或要求更高的速度，可采用星形連接或更多的232端口。
2、數(shù)據(jù)鏈路層的建立
數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)單元（比特組）從一個(gè)站點(diǎn)送達(dá)下一個(gè)相鄰站點(diǎn)。同時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層定義了檢測(cè)糾正在物理媒體中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生的差錯(cuò)的協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)異步通信進(jìn)提供差錯(cuò)檢測(cè)，在高層軟件（或高層硬件）中糾正這些差錯(cuò)。
本通信系統(tǒng)采用串行異步通信，用奇偶校驗(yàn)碼進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層的差錯(cuò)檢測(cè)。
3、網(wǎng)絡(luò)層的建立
網(wǎng)絡(luò)層用于處理當(dāng)數(shù)據(jù)從工程師站（PLC）傳遞到PLC（工程師站）時(shí)的路由選擇功能。這一層提供必需的編址（Addressing）以通過互連不相鄰開放系統(tǒng)間的中間節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用ModBus協(xié)議中的RTU模式（ModBus協(xié)議中的一種模式）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線上的編址。通過各個(gè)PLC不同的地址來區(qū)分總線上信號(hào)的設(shè)備，已決定相應(yīng)的路由。
4、表示層的建立
表示層保證了工程師站與PLC之間的互可操作性。負(fù)責(zé)控制雙方發(fā)送數(shù)據(jù)的語(yǔ)法，以及對(duì)在這兩個(gè)系統(tǒng)之間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，以保證數(shù)據(jù)交換對(duì)雙方都是有意義的。也就是將數(shù)據(jù)由發(fā)送者使用的格式轉(zhuǎn)化為可以被雙方接受的傳輸格式，然后在傳輸終點(diǎn)將這種格式轉(zhuǎn)化為接收者使用的格式。
本系統(tǒng)按西門子IP通信處理器544的數(shù)據(jù)語(yǔ)法發(fā)送544所支持的命令字（Function Code）來進(jìn)行雙方的數(shù)據(jù)交換。
5、應(yīng)用層的建立
應(yīng)用層是OSI通信模型的最高層。在本系統(tǒng)中實(shí)際起到了文件訪問、傳輸和管理的功能，允許工程師站的使用者訪問遠(yuǎn)程PLC（進(jìn)行修改和讀取數(shù)據(jù)）；或?qū)⑦h(yuǎn)程PLC的數(shù)據(jù)文件取到本地工程師站使用，以及在本地工程師站管理和控制遠(yuǎn)程PLC上的數(shù)據(jù)文件。
綜上，工程師站通信系統(tǒng)互連層次如圖2所示。

三、ModBus通信協(xié)議在此系統(tǒng)中的應(yīng)用
工程師站需要在現(xiàn)場(chǎng)總線上與德國(guó)西門子PLC的544標(biāo)準(zhǔn)通信模塊進(jìn)行通信，因而必須遵照西門子PLC的通信協(xié)議，即ModBus協(xié)議。
主—從關(guān)系：工程師操作站開始傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，等待從站（PLC）應(yīng)答，信號(hào)在從站之間不能應(yīng)答。
信息格式： 主—從（從—主）傳遞的數(shù)據(jù)格式第一字節(jié)是從站地址，第二字節(jié)是功能碼，第三字節(jié)是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)域的結(jié)構(gòu)取決于功能碼，第四字節(jié)是CRC校驗(yàn)碼。結(jié)構(gòu)如下：

從站地址功能碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)碼
從站地址：從站地址范圍是1—5，這些地址是為了定義總線上的5個(gè)從站（PLC）。??
功能碼：功能碼定義了信息和信息結(jié)構(gòu)。??
工程師站與PLC通信過程中主要用到的功能碼：??
Function Code 04：它的功能是讓工程師站從DB（datab lock）塊中讀取數(shù)據(jù)。具體結(jié)構(gòu)如下：

Function Code 06：它的功能是讓工程師站在DB塊中寫入數(shù)據(jù)。具體結(jié)構(gòu)如下：

CRC校驗(yàn)碼：它含有2個(gè)字節(jié)，校驗(yàn)結(jié)果由下列多項(xiàng)式求和得。本系統(tǒng)采用16位校驗(yàn)碼，CRC-16即x16+x15+x2+1。
信息傳遞結(jié)束：544通信模塊的信息單位是報(bào)文（Message），每條報(bào)文必須用連續(xù)的流來傳輸。如果因環(huán)境干擾報(bào)文中間產(chǎn)生了一個(gè)1．5倍字符時(shí)間的間隔，接收端將會(huì)沖洗掉前面不完整的報(bào)文。同時(shí)，如果兩條報(bào)文之間的距離小于3．5倍字符時(shí)間，接收端會(huì)認(rèn)為是上條報(bào)文的繼續(xù)，會(huì)導(dǎo)致校驗(yàn)碼錯(cuò)誤。
在實(shí)際工程中要保證報(bào)文正確的傳輸，需要注意兩方面：
（1）兩條報(bào)文之間要有適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔。每條報(bào)文以至少3．5個(gè)字符的時(shí)間隔作為開始和結(jié)束。這里每字符的時(shí)間是按當(dāng)前傳輸波特率的字符時(shí)間。按本系統(tǒng)的波特率9600bps，每字符時(shí)間約為0．1ms，保留0．6ms的余量。
（2）要注意糾錯(cuò)碼的計(jì)算。這包含兩層糾錯(cuò)機(jī)制：
①字符的奇偶校驗(yàn)。??
②每條報(bào)文之間的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。
四、通信緩沖區(qū)
1、基本結(jié)構(gòu)

通信緩沖區(qū)的基本結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)運(yùn)行正確、方便的基石。m1Cureent［20］、m2Cureent［20］、m3Cureent［20］分別定義了各工位電機(jī)的中心速度、現(xiàn)實(shí)速度、微調(diào)速度三組數(shù)據(jù)。并通過union聯(lián)合的方式和maCureent［60］綁在一起。這樣既便于三組數(shù)據(jù)的整體訪問，又便于三組數(shù)據(jù)的分別訪問。mCureent［5］共定義了5個(gè)上述的結(jié)構(gòu)分別代表5條生產(chǎn)線。
2、這樣定義緩沖區(qū)基本結(jié)構(gòu)的原因
（1）多組數(shù)據(jù)橫向鋪開
將中心速度、現(xiàn)實(shí)速度、微調(diào)速度三組數(shù)據(jù)橫向鋪開，便于一次性從一條生產(chǎn)線讀回全部數(shù)據(jù)。
（2）多條生產(chǎn)線縱向鋪開
將5條生產(chǎn)線縱向鋪開，便于建立趨勢(shì)圖和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。
五、結(jié)論
基于ModBus協(xié)議的工程師站通信系統(tǒng)的建立使得工程師站成功地在現(xiàn)場(chǎng)總線上實(shí)現(xiàn)了過去大型DCS上完成的速度監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等功能，同時(shí)又增加了對(duì)各生產(chǎn)線在線速度給定的功能，從而使得系統(tǒng)操作更加方便，結(jié)構(gòu)更加網(wǎng)絡(luò)化。同時(shí)此次改造也為將來異地遠(yuǎn)程工程師站通信系統(tǒng)的建立打下良好的理論與工程實(shí)踐基礎(chǔ)。