Modbus是一種全開(kāi)放，免費(fèi)提供，非常容易理解和實(shí)施的協(xié)議，從70年代誕生以來(lái)，一直在不同的工作領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，是一種事實(shí)上工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其主機(jī)/從機(jī)通信機(jī)理能很好地滿足確定性的要求，這恰好與互聯(lián)網(wǎng)的客戶機(jī)/服務(wù)器的通信機(jī)理相對(duì)應(yīng)。它與以太網(wǎng)TCP/IP結(jié)合，在TCP帖中嵌入Modbus信息幀，成為Modbus
TCP/IP，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，具有很高的性能價(jià)格比，是一種真正開(kāi)放的理想解決方案，試驗(yàn)表明了它的有效性，應(yīng)用案例已證明了它在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。
Modbus可把“符號(hào)名”賦于不同的數(shù)據(jù)類型，可在應(yīng)用程序中修改數(shù)據(jù)類型，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生負(fù)面影響。Modbus盡管歷史悠久，但應(yīng)用靈活，能跟上時(shí)代的發(fā)展，滿足網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展提出的各種新要求，如SEMI（半導(dǎo)體芯片）制造行業(yè)要求一個(gè)全開(kāi)放和透明的解決方案，Modbus
TCP/IP僅采用一個(gè)新的功能代碼“91”，使用級(jí)別，實(shí)例，牲碼號(hào)改變數(shù)據(jù)。完全滿足SEMI傳感器總線有效傳輸數(shù)據(jù)的有關(guān)要求，該功能代碼“91”的定義可查閱網(wǎng)站（）
1 傳輸速率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)
以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線使用時(shí)，首先應(yīng)在性能和傳輸速率上滿足客戶的控制要求，因此施耐德按實(shí)際應(yīng)用的要求，對(duì)Modbus
TCP/IP的傳輸速率與現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸速率進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果證明10M的自適應(yīng)以太網(wǎng)的Modbus
TCP/IP的通信速率與現(xiàn)場(chǎng)總線（Interbus和Modbus+）的通信速率大致相同，見(jiàn)表1。試驗(yàn)是在一個(gè)國(guó)際快遞公司進(jìn)行的，施耐德的PLC分別連接10、20、30、40臺(tái)Momentum的遠(yuǎn)程分布式I/O塊，數(shù)據(jù)和長(zhǎng)度為輸入一個(gè)字/輸出一個(gè)字，采用基于吞吐量方式測(cè)量時(shí)間，即測(cè)量處理器處理的整個(gè)過(guò)程的時(shí)間，包括讀一個(gè)物理輸入，掃描時(shí)間，然后寫到一個(gè)物理輸出口。施耐德在酒鋼2號(hào)高爐使用了100M交換式以太網(wǎng)，4000多個(gè)I/O點(diǎn)，采用Modbus
TCP/IP,網(wǎng)絡(luò)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。
單從網(wǎng)絡(luò)的通信速率進(jìn)行比較，多少還帶有片面性，應(yīng)從以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線兩類網(wǎng)絡(luò)的不同特性，編程性能，網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備類型的可連接性，網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性，（支持設(shè)備的臺(tái)數(shù)）以及最大的傳輸距離等指標(biāo)作進(jìn)一步比較。采用Modbus
TCP/IP，既可用作控制，又可傳輸文件，兩者兼可，使傳輸文件和實(shí)現(xiàn)控制功能兩個(gè)輪子同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。如采用10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)，10M作I/O控制，100M作PLC通信，無(wú)論從運(yùn)行速度，性能和投資上看，施耐德的“透明工廠”（基于Modbus
TCP/IP）的解決方案要優(yōu)越于各類現(xiàn)場(chǎng)總線的解決方案。
2 開(kāi)發(fā)“透明工廠”應(yīng)用
“透明工廠”施耐德電氣公司的一個(gè)注冊(cè)商標(biāo)，是基于Modbus
TCP/IP實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化具有可伸縮性和高性能價(jià)格比的一種解決方案，節(jié)點(diǎn)數(shù)范圍在10~10000之間，以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的I/O網(wǎng)絡(luò)，也可以是復(fù)雜的高檔計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)自動(dòng)化使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，首先應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和投資費(fèi)用，也要考慮網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工具的方便和實(shí)用性。對(duì)于種類繁多的現(xiàn)場(chǎng)總線，客戶多少有點(diǎn)神秘感覺(jué)，而當(dāng)今，大家都已知道以太網(wǎng)和網(wǎng)卡，熟悉互聯(lián)網(wǎng)和PC機(jī)，單從這一點(diǎn)講，客戶對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)多少有親切感。因具有明顯的優(yōu)越性。
4年前，當(dāng)我們承擔(dān)一個(gè)新建的汽車制造廠的自動(dòng)化項(xiàng)目的時(shí)，非常大膽地轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)和使用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的解決方案，因?yàn)槲覀冋幱谠囼?yàn)階段，一些供應(yīng)商和客戶還對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)或多或少持有懷疑的態(tài)度，因而，在總體結(jié)構(gòu)中局部還使用Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線。然而，這個(gè)基于Modbus
TCP/IP的模塊化分布式的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案實(shí)施非常成功，并于2001年1月全部投入生產(chǎn)，這就是我們所說(shuō)的美洲豹車生產(chǎn)廠“透明工廠”（工業(yè)以太網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)）。美洲豹汽車廠“透明工廠”實(shí)施方案見(jiàn)圖1。
汽車制造廠生產(chǎn)線分類6個(gè)樓區(qū)，每一個(gè)樓區(qū)內(nèi)使用熱備冗余100M以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)，均為獨(dú)立的子網(wǎng)絡(luò)，各樓區(qū)之間需要傳輸相互聯(lián)鎖的信息。每一個(gè)樓區(qū)生產(chǎn)線的PLC和機(jī)器人焊接機(jī)分別由控制中心的內(nèi)置交換器控制。整個(gè)生產(chǎn)線與公司的廣域網(wǎng)相連（WAN）為安全起見(jiàn)，采用路由器技術(shù)進(jìn)行隔離。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)后，“透明工廠”系統(tǒng)組態(tài)結(jié)構(gòu)非常靈活，幾乎不作任何修改，即可擴(kuò)展模塊和子系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)“即插即用”，恰到好處地添加單元和設(shè)備。曾經(jīng)持懷疑態(tài)度的供應(yīng)商們，由于嘗到了矩頭，堅(jiān)定不移地要求施耐德為他們的下一個(gè)工程項(xiàng)目提供全以太網(wǎng)方式的解決方案和產(chǎn)品。模塊化以太網(wǎng)技術(shù)方案的突出優(yōu)點(diǎn)是性能價(jià)格比高，可伸縮性和靈活性。
3 “透明工廠”支持網(wǎng)頁(yè)技術(shù)
使用TCP/IP后，最大的好處是可引入網(wǎng)頁(yè)技術(shù)。即TCP/IP除了作為現(xiàn)場(chǎng)總線使用外，還可在設(shè)備中內(nèi)置網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，使以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程I/O設(shè)備具備了在網(wǎng)上瀏覽該遠(yuǎn)程I/O狀態(tài)的功能。一臺(tái)內(nèi)置網(wǎng)頁(yè)的變頻器，可在網(wǎng)上瀏覽它的工況信息和狀態(tài)參數(shù)，對(duì)一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)不僅能在網(wǎng)上知道該系統(tǒng)中的各種設(shè)備的類型，還能實(shí)時(shí)知道他們?cè)谙到y(tǒng)中的作用和體現(xiàn)的功能價(jià)值。
我們可以對(duì)一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)建立一個(gè)完整的網(wǎng)址，使PLC具備了在網(wǎng)上的診斷功能，從網(wǎng)上了解I/O狀態(tài)，系統(tǒng)工況，以及網(wǎng)絡(luò)信息的繁忙度，也可為用戶的某些特殊節(jié)點(diǎn)定義一些特殊的網(wǎng)頁(yè)，如生產(chǎn)信息，庫(kù)存狀態(tài)，維護(hù)工具等。瀏覽生產(chǎn)過(guò)程中的報(bào)警記錄，或給維護(hù)人員發(fā)送E-mail信息等。
下面為美國(guó)密西根Holland市日處理3850萬(wàn)加侖城市用水處理廠的一個(gè)案例，見(jiàn)圖2。該工程采用施耐德Quantum產(chǎn)品組成以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水廠生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。Quantum的以太網(wǎng)模塊中內(nèi)置有網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，水廠人員可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器快速訪問(wèn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，了解各控制器及遠(yuǎn)程I/O的狀態(tài)及配置，被授權(quán)人員可以通過(guò)撥號(hào)軟件和編程軟件對(duì)控制器進(jìn)行編程，10M以太網(wǎng)已能滿足水廠（即使I/O點(diǎn)數(shù)增加至1002點(diǎn)）控制系統(tǒng)通信速率的要求，工作站刷新周期僅為1~1.5s，滿足了通信的要求。
水廠配置了4臺(tái)Windows NT PC電腦，分別作為操作、管理、維護(hù)及實(shí)驗(yàn)室分析等用途的人機(jī)界面設(shè)備，在以太網(wǎng)上它們是獨(dú)立對(duì)等節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)和DDE驅(qū)動(dòng)是分開(kāi)的。4臺(tái)PC電腦裝入了不同的實(shí)用軟件。PC電腦之間唯一可交換的信息是報(bào)警信息，若一臺(tái)PC電腦出現(xiàn)故障，即可在其他3臺(tái)電腦上顯示出來(lái)。操作和實(shí)驗(yàn)室用的電腦，功能基本相似，均裝有撥號(hào)軟件，通過(guò)SCADA運(yùn)行版軟件對(duì)水廠進(jìn)行控制和操作。用于實(shí)驗(yàn)室的電腦可開(kāi)發(fā)SCADA程序。用于管理和維護(hù)的兩臺(tái)電腦功能也基本相同，但只裝入SCADA只讀版軟件，4臺(tái)PC電腦和5套可編程控制器、RTU以及通信設(shè)備均由UPS供電。UPS電源系統(tǒng)具有抗電涌保護(hù)功能。
內(nèi)置網(wǎng)頁(yè)技術(shù)給用戶帶來(lái)了極大的好處，水廠現(xiàn)場(chǎng)工程師在我們的指點(diǎn)下，獨(dú)自開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的網(wǎng)址，把操作手冊(cè)和維護(hù)手冊(cè)用超文本“HTML”文件的格式保存（而不是文本）文件，因此可利用該網(wǎng)址下載“HTML”文件，包括操作指南、接線圖、PLC
I/O清單、以及備用I/O等，并把這臺(tái)PLC放在公司的互聯(lián)網(wǎng)上供大家訪問(wèn)。使用這種技術(shù)后，有關(guān)人員均可同時(shí)訪問(wèn)相同數(shù)據(jù)。從理論上講，最多可有32個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)網(wǎng)址。我們做試驗(yàn)時(shí)，只安排5位用戶同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)網(wǎng)址，測(cè)試表明同時(shí)訪問(wèn)對(duì)性能毫無(wú)影響，缺少配置時(shí)，網(wǎng)址上的數(shù)據(jù)為只讀方式，但可以通過(guò)密碼控制也可配置寫入功能代碼。使用寫入功能代碼后，用戶可作用于處理數(shù)據(jù)。即可改變整定值，起動(dòng)和停止順序，以及可視數(shù)據(jù)和參數(shù)等。用戶還可定義系統(tǒng)支持企業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，快速創(chuàng)建和起動(dòng)預(yù)配置的診斷服務(wù)和在線工具等。
使用微軟的Front Page或其它商用的軟件包工具，可為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)建立網(wǎng)址、網(wǎng)頁(yè)，而使用開(kāi)放式的Java技術(shù)也可創(chuàng)建用戶的網(wǎng)址和網(wǎng)頁(yè)。專用的Java
applets程序可調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的工具庫(kù)（圖形符號(hào)等）來(lái)開(kāi)發(fā)滿足用戶需要的界面，使網(wǎng)頁(yè)生動(dòng)活潑，反映實(shí)時(shí)工況，滿足生產(chǎn)工藝的要求。由于以太網(wǎng)已得到廣泛地應(yīng)用，技術(shù)成熟，有現(xiàn)成的零配件、電纜及接插件提供，因此組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)具有投資省，成本低的優(yōu)點(diǎn)。一些工業(yè)級(jí)產(chǎn)品如電纜、集線器、交換器、路由器、介質(zhì)轉(zhuǎn)換器、PC網(wǎng)卡等均可在市場(chǎng)上買到，可用來(lái)組建新的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
4 “透明工廠”e網(wǎng)到底
一個(gè)大型制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，包含有制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)（APC）。制造設(shè)備通常集成有傳感器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)處理，控制工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量。這類以智能傳感器為基礎(chǔ)的解決方案，必須能ms級(jí)的實(shí)時(shí)控制功能，必要時(shí)能獨(dú)立于MES和APC，并能干預(yù)制造過(guò)程。智能傳感器采集和分析的數(shù)據(jù)必須與MES融為一體?；谝蕴W(wǎng)和TCP/IP的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可一網(wǎng)到底，向下延伸到（智能）傳感器層。該項(xiàng)重大成果主要反映在Modbus
TCP/IP為基礎(chǔ)的SEMI（半導(dǎo)體）傳感器總線上。而向?qū)ο蟮腗odbus
TCP/IP傳感器總線符合SEMI.E54.9標(biāo)準(zhǔn)，被認(rèn)為是一個(gè)里程碑。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見(jiàn)圖3。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括設(shè)備層、控制層和信息層，彼此相互連接，獨(dú)立運(yùn)行。設(shè)備層有一臺(tái)Momentum
MIE控制器，通過(guò)10/100M以太網(wǎng)切換器，把傳感器連接到以太網(wǎng)。MIE內(nèi)置的以太網(wǎng)端口執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，不定期可執(zhí)行實(shí)時(shí)控制功能；中間控制層采用Quantum
PLC，它具有586 CPU的處理能力，高速處理和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并管理設(shè)備層的傳感器，按請(qǐng)求向信息層輸送數(shù)據(jù)。最高信息層駐留有APC，MES和CIM（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)），通過(guò)切換器和路由器隔離現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)和其他控制網(wǎng)絡(luò)。使用了Modbus
TCP/IP后，能從辦公室環(huán)境瀏覽連接到網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備和智能傳感器。可在以太網(wǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)或智能設(shè)備的升級(jí)，極大地簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的更新改造。在一個(gè)工廠環(huán)境中集成有APC構(gòu)架和智能設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)，見(jiàn)圖4。使用Modbus
TCP/IP SEMI傳感器總線后能方便實(shí)施經(jīng)濟(jì)有效地傳感器技術(shù)方案，把傳感器采集和處理的數(shù)據(jù)川流不息和透明地傳送到高層MEC和APC。應(yīng)該指出APC應(yīng)用與傳感器總線之間無(wú)直接的連接。采用以太網(wǎng)技術(shù)和SEMI傳感器總線技術(shù)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能兼容其它傳感器層的異種現(xiàn)場(chǎng)總線，因而綜合利用用戶帶來(lái)的好處是不言而喻的。
5 結(jié)束語(yǔ)
文章中談到的應(yīng)用案例僅僅涉及了“透明工廠”開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一些情況，通過(guò)4年的努力，“透明工廠”的概念已被廣大用戶接受，應(yīng)用案例遍及全球，應(yīng)用領(lǐng)域包括制造業(yè)、電力、水電、冶金、礦山、交通、基礎(chǔ)設(shè)施等。從發(fā)展角度看，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均可內(nèi)置微型網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，不必通過(guò)操縱和編程，可直接使用。在一個(gè)多業(yè)主的運(yùn)行環(huán)境中，每一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表均可與企業(yè)廣域網(wǎng)相連。因此可預(yù)料在TCP/IP上將會(huì)看到有更多的功能和掀起性出現(xiàn)。Modbus協(xié)議是免費(fèi)提供的，大家都知道的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。嵌入在TCP/IP上的Modbus開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的新起點(diǎn)。扮演了一個(gè)十分重要的角色。
（摘自）
（轉(zhuǎn)載）
