MODBUS在过程控制系统中的应用

读取和写入数据

MODBUS拥有最多255个功能代码，但是01（读取输出量）、02（读取离散输入）、03（读取保持寄存器）以及04（读取输入寄存器）是最为常用的读取功能代码，这些代码被用来从MODBUS从设备采集数据。

　　假如设备遵从了MODBUS配置的要求，那么设定主设备读取和写入数据、检查状态、获取诊断信息以及执行各种控制和监视功能的编程任务就变得非常简单了。

　　在大多数工厂里，现场仪表采用单独的控制室直连对绞线电缆连接到控制系统（见下图）。当仪表设备被连接到一种分散式I/O系统（例如来自于Moore Industries公司NCS系统）的时候（见中图），你可以增加更多的现场设备，但是仅仅需要一根对绞线电缆就可以把所有数据传送到MODBUS主站。在多个NCS系统以MODBUS网络的方式组网连接的时候（见下图），整个工厂的连接都能够从对绞线电缆控制室直连的方式转变成为MODBUS连接方式。

　　图3：对等网连接模式。在某些案例当中，控制系统不能处理MODBUS信号。在这种情况下，可以采用使用双重NCS设备的对等网解决方案，仅用一根MODBUS电缆就可以替代所有的控制室直连电缆。来自第二个NCS的模拟量输出再通过硬接线直接连接到控制系统的I/O盘。

连接MODBUS设备

　　最容易的一种把现场设备连接到一个过程控制系统、PLC或是工业计算机系统的方法，就是简单的把数字量以及模拟量I/O连接到一个具有MODBUS通讯能力的分散I/O系统里面。例如来自Moore Industries公司的NCS（Net Concentrator System）系统允许用户对模拟量和数字量信号进行远程连接，然后再通过双绞线连接到一个MODBUS主设备。多个NCS系统可以安装在全厂的几个不同的地点，都通过MODBUS进行连接（参见图2）。

　　这个解决方案即适合于新的工厂，也适用于现存的工厂。在许多现有的工厂里面，现场仪表设备通常是采用多芯电缆连接到DCS或者PLC系统的，每个设备都通过单独的对绞电缆把模拟信号传送出去。采用NCS系统，只需要这些电缆中的一个用来传送MODBUS信号就可以了。假如工厂想要增加额外的现场仪表设备，却不想安装更多电缆（电缆安装费用通常为每英尺100美元）的时候，这种解决方案就特别有用。一套分散I/O系统就可以满足所有现存仪表I/O的需要，或者仅仅用它来传送来自于所有新增现场仪表设备的数据。

　　在有些案例当中，控制系统不能处理MODBUS的信号。例如现有的控制系统有可能是为处理4到20毫安模拟量I/O和直接接线的数字量I/O而定制的，并且为现有的老系统进行重新编程使其支持MODBUS也非常困难。通常，用户一般并不倾向于通过铺设新电缆或是购买昂贵的MODBUS接口卡件来将新增加的远程信号接入到系统中，因为对MODBUS接口卡件进行重新编程费用很高。在这种情况下，一种对等网络方案（peer to peer）可以很好的解决问题。例如来自Moore Industries公司的CCS（Cable Concentrator System）和NCS（Net Concentrator System）系统就都具备对等网络通讯能力。

　　NCS和CCS系统与一套分散I/O模件十分相似，但是具有更强的内建智能。并且NCS和CCS系统既可以被设置成对等网络模式，也可以被设置成主从网络（peer to host）模式。

　　使用一套对等网络模式的NCS系统（参见图3），配置了两个网络集中器;一个安装在现场，另一个安装在控制室。现场仪表被连接到远程的那个NCS。这个远程NCS与控制室里的NCS之间通过一根双绞线进行连接。然后控制室NCS的输出再通过硬接线接入现有控制系统的模拟I/O盘。采用这种方法，来自新增现场变送器的模拟信号就能够以原来模拟信号的状态通过工厂现有的模拟I/O卡件接入控制系统。这使得新增信号带来的编程和调试工作与新增数字接口卡件相比大大减少。这种对等网络解决方案也能够满足双向式通讯的要求，在这种情况下系统的现场侧和控制室一侧都可以有输入和输出能力。

HART借助MODBUS

　　老式工厂面临的另一个挑战是找出一种便宜而又方便的方法来发挥已经安装的和“将要安装的”HART智能仪表的优势。HART的意思是可寻址远程传感器高速通道。HART是一种数字化协议，其设计初衷是使变送器能够通过传统工厂安装的铜质对绞线在传送

　　一路模拟信号的同时传送数字化的数据。这使用户能够通过在这根对绞线上任何一点的连接对变送器进行远程或是本地的组态、测试以及诊断。HART从设备既可以采用点对点的方式连接，也可以采用多分支网络的方式进行连接。点对点连接是最常见的HART连接方式，在这种方式下HART变送器通过改变模拟回路上的电流来表征所需要的过程变量。当然，只监视数字化的HART数据也是可以的;不过在点对点的运行模式下，很少有人这么做。在HART变送器控制电流的同时，它还能够通过HART数据流发送多种数字化的信息包。过程变量数据和数字化信息数据都可以被HART从设备或是变送器传送。这些数据可以被用来监视仪表的完好情况或是被过程控制系统或者资产管理系统用来优化过程，帮助实现更加严密的控制或者防止意外的过程波动。在某些情况下，现有工厂可能有数以百计具有HART能力的仪表。不幸的是，由于种种原因许多工厂从来不开发这些HART仪表的潜在能力。

　　在目前资产管理系统、远程诊断系统和先进控制获得广泛应用的环境下，许多工厂都希望能够把HART仪表的数字化信息提取出来，但是他们的控制系统和现存的接线方式无法支持这种要求。这些控制系统可能无法从数字信号里面提取HART数据，或是这些控制系统仅仅想要看到硬接线的数字量和模拟量I/O信号。一台HART仪表可以通过HART信号发送多达四个过程变量：PV（第一变量）、SV（第二变量）、TV（第三变量）、FV（第四变量）。另外还有各种比特和字节的状态数据也可以被HART信号所传送。但是，如果控制系统不能够从数字化的HART信号里面读取这些额外的过程变量数据或是任何其它诊断信息和状态信息，那么这些数据就被白白浪费了。

　　用户当然也可以选择利用这些HART数据，即使对现有工厂里的老式系统也是如此。有些DCS公司能够提供新型的升级版本的模拟量I/O卡板，这种卡板有能力“辨认出”这些HART数据。不过这样的卡板通常会比传统的模拟量I/O卡板昂贵三到五倍。此外还有一些HART信号混合单元可以安装在现有的模拟量I/O回路里面，这种接口单元具备RS422和RS485输出端口，可以被连接到资产管理系统或者DCSes系统。当然，这类HART信号混合单元的价格也是令人望而却步的。另一个选择项就是使用一种HART到MODBUS的转换器，就像来自Moore Industries公司的HIM（HART信号接口模件），这是一种效费比较高而且具有灵活性的解决方案，它能够以合理的价格选择性的监视仅仅少数回路或者很多回路。