一、關于Modbus組織
· 我們的使命
Modbus組織是一個由獨立用戶和自動化設備供應商組成的組織，旨在推動Modbus通訊協(xié)議族的采用和推進分布式自動化系統(tǒng)架構(gòu)跨躍多個市場領域。Modbus組織還將提供基礎設施來獲取和分享協(xié)議、應用和認證的信息，為用戶簡化實施，降低成本。
· 組織
Modbus組織是一個會員制的行業(yè)協(xié)會，注冊為“Modbus組織，公司”。符合馬薩諸塞州、美國的聯(lián)邦法律，并由美國國稅局認可的一個非營利性組織。捐贈組織不能作為慈善捐款獲得減免稅收，但可以抵扣營業(yè)費。Modbus組織的年度國稅局表格990可在我們的聯(lián)系頁面請求獲得，請?zhí)峁┥暾垎挝换騻€人的全名、地址和電子郵件地址。
· 我們的會員標志和會員標志圖形
我們的會員標志象征了一個圓桌會議，這意味著我們邀請所有的會員參加我們組織的技術和教育活動。
Modbus組織邀請所有的供應商(無論大與小)，系統(tǒng)集成商，最終用戶，開源開發(fā)者，教育工作者和其他有興趣的各方，參與討論Modbus協(xié)議的未來。
· 我們的活動
Modbus組織從事各種有關Modbus協(xié)議維護和發(fā)展的活動。一些活動包括：
o 參與全球標準的活動;
o Modbus協(xié)議及其變化的領先進化;
o 鼓勵和協(xié)助Modbus跨物理層和傳輸介質(zhì)的使用;
o 維護和開展一致性測試項目，確保Modbus設備更好的互操作性;
o 給用戶和供應商提供信息，幫助他們在自己的產(chǎn)品中成功地使用Modbus;
o 從事教育和宣傳工作，包括貿(mào)易展覽、簡報、網(wǎng)站和其他宣傳活動。
· 我們的邀請
我們的邀請是請你，作為Modbus用戶或供應商，參與到我們的活動中，分享Modbus組織成員應有的收益，并幫助我們把Modbus帶向未來。我們致力于把Modbus保持為全球領先、適用于工業(yè)自動化的協(xié)議，并邀請你在我們的圓桌會議上有你的一席之地。
有關的Modbus組織成員的詳細信息，請參閱我們的會員傳單和會員申請表。請參考我們網(wǎng)頁中的聯(lián)系方式并且聯(lián)系我們--我們會很高興收到你的來信!
二、 Modbus協(xié)議
Modbus是一個應用層消息協(xié)議，定位在OSI模型的第7層。它提供了在不同類型總線或網(wǎng)絡連接的設備之間客戶機/服務器的通信。
自1979年以來，Modbus是事實上的工業(yè)串行標準，Modbus繼續(xù)使數(shù)以百萬計的自動化設備進行通信。今天，Modbus簡約大方的結(jié)構(gòu)支持不斷的增長。互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)可以在TCP協(xié)議保留的系統(tǒng)端口502上訪問Modbus。
Modbus是一個請求/應答協(xié)議，由功能代碼指定提供的服務。 Modbus功能碼是Modbus請求/應答協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的元素。該協(xié)議規(guī)范文檔描述了Modbus交易框架內(nèi)使用的功能代碼。
· 兩種串行傳輸模式
定義了兩種串行傳輸模式：RTU模式和ASCII模式。
定義了鏈路上串行傳送報文字段的位內(nèi)容。它確定了信息如何打包為報文字段和如何解碼。
在Modbus串行鏈路上，所有設備的傳輸模式(及串行口參數(shù))必須相同。
盡管在某些特定應用中要求ASCII模式，但只有每個設備都有相同的模式才能進行Modbus設備之間的互操作：所有設備必須實現(xiàn)RTU模式。ASCII傳輸模式是一個選項。
用戶應該將設備設置成所期望的模式：RTU或ASCII模式。默認設置必須為RTU模式。
o RTU傳輸模式
當設備在Modbus串行鏈路上使用RTU(遠程終端單元)模式通信時，報文中每個8位字節(jié)含有兩個4位十六進制字符。這種模式的主要優(yōu)點是有較高的字符密度，在相同的波特率下，比ASCII模式有更高的數(shù)據(jù)吞吐量。必須以連續(xù)的字符流傳輸每個報文。
RTU模式中每個字節(jié)(11位)的格式為：
編碼系統(tǒng)：8位二進制
每個字節(jié)的位：1個起始位
8個數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低有效位
1個奇偶校驗位
1個停止位
偶校驗是要求的。也可以使用其它模式(奇校驗、無校驗)。為了保證與其它產(chǎn)品的最大兼容性，建議還支持無校驗模式。默認校驗模式必須是偶校驗。
使用無校驗時要求2個停止位。
如何串行地傳送字符：
發(fā)送每個字符或字節(jié)的順序是從左到右(見圖1)：
最低有效位(LSB) . . . 最高有效位(MSB)
圖1 RTU模式中的位序列
通過配置，設備可以接受奇校驗、偶校驗或無校驗。如果無校驗，那么傳送一個附加的停止位來填充字符幀使其成為完整的11位異步字符(見圖2，圖3)：
圖2RTU模式中的位序列(無校驗的特殊情況)
幀校驗字段：循環(huán)冗余校驗(CRC)
幀描述：
圖3 RTU報文幀
最大Modbus RTU的幀為256個字節(jié)。
o ASCII 傳輸模式
當使用ASCII(美國信息交換標準代碼)模式設置設備在Modbus串行鏈路上通信時，用兩個ASCII字符發(fā)送報文中的一個8位字節(jié)。當通信鏈路或者設備不能滿足RTU模式的定時管理要求時，使用該模式。
由于每個字節(jié)需要兩個字符發(fā)送，所以這種模式比RTU模式效率低。
實例：將字節(jié)0X5B編碼為兩個字符：0x35和0x42(用ASCII表示的0x35 =“5”，0x42 = “B”)。
ASCII模式中每個字節(jié)(10位)的格式為：
編碼系統(tǒng)： 十六進制，ASCII字符0-9、A-F
報文中每個ASCII字符含有1個十六進制字符
每個字節(jié)的位：1個起始位
8個數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低有效位
1個奇偶校驗位
1個停止位
偶校驗是要求的。也可以使用其它模式(奇校驗、無校驗)。為了保證與其它產(chǎn)品的最大兼容性，建議還支持無校驗模式。默認校驗模式必須是偶校驗。
使用無校驗時要求2個停止位。
如何串行地傳送字符：
發(fā)送每個字符或字節(jié)的順序是從左到右(見圖4)：
最低有效位(LSB) . . . 最高有效位(MSB)
圖4 ASCII模式中的位序列
通過配置，設備可以接受奇校驗、偶校驗或無校驗。如果無校驗，那么傳送一個附加的停止位來填充字符幀(見圖5)：
圖5 ASCII模式中的位序列(無校驗的特殊情況)
幀校驗字段：縱向冗余校驗(LRC)。
· Modbus公共功能碼定義，見下表。
· MODBUS TCP/IP
該Modbus通信實施指南版本1.0b由施耐德自動化提供。這個文件的目的是為軟件開發(fā)人員實現(xiàn)Modbus通信服務提供參考信息。這個文件給出了一個Modbus通訊服務實現(xiàn)的準確、全面的描述。它的目的是為了使用Modbus通訊服務實現(xiàn)設備之間的互操作性。所有的Modbus功能代碼的編碼見上表。
該Modbus通訊實施指南包含三個部分：
o 基于TCP / IP的MODBUS概述;
o MODBUS客戶端、服務器和網(wǎng)關實現(xiàn)的功能描述;
o 建議對象模型的Modbus實現(xiàn)示例;
o Modbus TCP協(xié)議的對象消息規(guī)范;
o 用Modbus TCP的一個對象消息協(xié)議，用作半導體設備與材料協(xié)會(SEMI)傳感器總線網(wǎng)絡通信標準(NCS)的一個組件。
· 基于TCP/IP的Modbus應用數(shù)據(jù)單元
圖6描述了Modbus TCP/IP網(wǎng)絡上進行的Modbus請求或響應的封裝。
圖6 TCP/IP上的Modbus的請求/響應
在TCP/IP上使用一種專用報文頭來識別Modbus應用數(shù)據(jù)單元。將這種報文頭稱為MBAP報文頭(Modbus應用協(xié)議報文頭)。
與串行鏈路上使用的Modbus RTU應用數(shù)據(jù)單元相比，這種報文頭有一些區(qū)別：
· 用MBAP報文頭中的單字節(jié)“單元標識符”取代Modbus串行鏈路上通常使用的Modbus從站地址字段。這個“單元標識符”用于經(jīng)由如網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關等設備的通信，這些設備使用單個IP地址支持多個獨立Modbus終端單元。
· 用接收方可以驗證報文結(jié)束的方式設計所有的Modbus請求和響應。對于Modbus PDU有固定長度的功能碼來說，僅功能碼就足夠了。對于在請求或響應中傳輸一個可變數(shù)據(jù)量的功能碼來說，數(shù)據(jù)字段包括字節(jié)數(shù)。
· 當通過TCP傳輸Modbus協(xié)議時，即使將報文分成多個信息包來傳輸，需在MBAP報文頭上傳輸附加長度信息，以便接收者能識別報文邊界。顯式和隱式長度規(guī)則的存在以及CRC-32差錯校驗碼的使用(在以太網(wǎng)上)，使未檢出的請求或響應報文的差錯降至極低。
三、應用案例
1.基于Modbus的SCADA
一家主要的美國釀酒公司需要把多個生產(chǎn)工藝連接在一起，并能夠在溫度超過60℃時操作不會失效。多臺控制器和生產(chǎn)機器需要進行無縫連接，且要工作得很好。經(jīng)過廣泛的研究和測試后，該公司選擇了控制公司(Comtrol)的DeviceMaster-UP。
DeviceMaster UP的Modbus TCP版本為啤酒廠提供了一種靈活易用和高度可靠的解決方案。混合了Modbus TCP、Modbus RTU和Modbus ASCII，控制器和生產(chǎn)機器需要彼此進行通信。DeviceMaster UP無縫連接了所有這些系統(tǒng)，實現(xiàn)了一起工作。
在生產(chǎn)過程中，每個瓶、罐和桶按照嚴格的規(guī)范進行灌裝、標記和編碼，有一個序列號和制造日期。然后把他們用碼垛機和包裝機進行封裝。
每個生產(chǎn)機器的通信統(tǒng)計和診斷由DeviceMaster UP提供的嵌入式網(wǎng)頁進行監(jiān)視，確?？煽康墓S正常運行時間和效率?？刂乒镜腄eviceMaster UP能夠提供優(yōu)越的接口、靈活性，并實現(xiàn)啤酒廠生產(chǎn)廠需要的功能。
啤酒廠使用DeviceMaster-UP產(chǎn)品實現(xiàn)了生產(chǎn)協(xié)調(diào)。本應用案例提供了一種具有高性價比解決方案，為客戶解決了實際工作中遇到的具體問題。
2.帝國大廈項目使用了Modbus RTU和Modbus TCP
江森控制公司與帝國大廈公司簽訂了合同：在世界最著名的辦公大樓執(zhí)行5億美元的升級計劃。這一綜合性節(jié)能改造項目的完成，可以作為世界各地商務辦公樓改造的一個范例。該項目包含了主要基礎設施的改善，窗戶翻新，提高冷卻設備和Metasys樓宇管理系統(tǒng)的效率，該系統(tǒng)包括為每個租戶的一個在線儀表板，幫助他們跟蹤和管理他們的能源使用情況。帝國大廈所有的租戶都有分戶計量，這種反饋/報告工具告知了租戶自己能源的使用情況。
作為該項目的一部分，江森控制來到現(xiàn)場服務技術公司(FieldServer Technologies)尋求幫助，尋找一種鏈接設備來連接他們的Metasys樓宇管理系統(tǒng)，作為他們的租戶能源管理項目第一階段的一部分。許多FieldServer 3510系列網(wǎng)關用于接口，連接BFM136多路客戶端功率計，使用Modbus RTU連接Metasys前端。FieldServer是一個值得信賴的、經(jīng)過驗證的接口，這款產(chǎn)品與江森控制的合作超過了十年。
3510是一個多端口設備，使江森控制的許多Modbus RTURS-485串行線接到一個網(wǎng)關，再通過Modbus TCP連接到Metasys系統(tǒng)。因此，在這種情況下，他們只需要14 臺FS-B3510網(wǎng)關就連接200多臺功率計。這為整個建筑的眾多租戶提供了具有高性價比的解決方案。
帝國大廈改造完成的一年后，據(jù)報道，每年能源的使用減少了38%，如果按照能效進行排名，它可以位列所有美國辦公樓的前25%。
網(wǎng)絡用于醫(yī)院水處理
為了監(jiān)測醫(yī)院水處理罐的水位，6臺SmartScan50連成一條RS485 Modbus網(wǎng)絡。
· 挑戰(zhàn)
客戶需要測量水位，并確定在處理過程中或之后什么時候?qū)γ總€罐進行填充或清空。
? 存在輕的泡沫;
? 要求進行網(wǎng)絡通信。
· 解決方案
所以選擇SmartScan50用于項目，原因如下：
? SmartScan50是專為惡劣環(huán)境而設計，并能輕松克服輕泡沫問題。
? SmartScan50支持最多為247臺的Modbus通信網(wǎng)絡。
6臺SmartScan50通過RS485 Modbus連接到監(jiān)控軟件。操作員可以使用觸摸屏面板查看水位的條形圖，啟動或停止填充或清空過程，并能看到告警。每臺SmartScan50能激活兩個或三個繼電器報警，這取決于罐指示的高或低水位。
· 小結(jié)
SmartScan50是罐區(qū)液位測量的完美解決方案，基于它的Modbus功能，它可成功地運行在惡劣的工業(yè)條件下。
4.填埋場的廢水管理
在今天行業(yè)和政府不斷增加監(jiān)管標準的環(huán)境下，監(jiān)視和精確測量廢水水位的任務，對任何設施規(guī)范運作都是至關重要的。
有效測量和收集數(shù)據(jù)的能力是一個問題，不僅在資源管理，還要合規(guī)和問責。
這使運營商面臨著一種選擇-- 他們必須找到一種方法滿足監(jiān)管標準，或者被迫關閉，直到他們能夠合規(guī)。
問題
1.監(jiān)視分布在441平方英里填充地中多個井里的液體含量。
2.液位測量必須在地面以下125英尺出獲得。
3.操作時，站點必須滿足所有許可要求，并保持它的預算范圍內(nèi)。
4.土方機械干擾陸基線路。線路功率不能選擇。
5.監(jiān)視系統(tǒng)必須具有內(nèi)置認可的數(shù)據(jù)記錄能力。
6.在遠程的數(shù)據(jù)必須本地可用，本地的工作人員可派遣泵車到現(xiàn)場保持液體在要求的水平之內(nèi)。
設備成本
地表以下125英尺到填埋地山頂不同方案的比較：
· 遠程供電無線調(diào)制解調(diào)器方案
太陽能電池板 220美元×2
電池 200美元×2
充電控制器 180美元×2
I / O模塊 350美元×2
IP67外殼 100美元×2
裝配 200美元×2
模擬液位傳感器1200美元
井位無線調(diào)制解調(diào)器400美元
山上無線調(diào)制解調(diào)器400美元
安裝和部署 1600美元
總價 =6100美元
· 邦納無線解決方案
DX80網(wǎng)關 719美元
DX80節(jié)點 719美元
DX81 FlexPower?電池電源145美元
QT50U-75390 626美元
數(shù)據(jù)無線電 495美元×2
安裝和部署 800美元
總價 =3999美元
邦納在傳感器的開發(fā)、電池供電無線系統(tǒng)的經(jīng)驗和知識創(chuàng)建了一種簡單的交鑰匙解決方案。
在仔細考慮了幾個系統(tǒng)之后，填埋場運營商確定邦納的無線系統(tǒng)是能夠滿足所有標準的唯一解決方案，并能與站點已有的其他設備無縫共存。
在集成商的幫助下，他們創(chuàng)建了一個系統(tǒng)，可以從地下地獲取數(shù)據(jù)，并可使最終用戶在辦公桌上訪問他們。
解決方案
1.在每口井頂一個電池供電的節(jié)點為無線電和超聲波模擬液位傳感器供電。
2.每個節(jié)點配備了由邦納開發(fā)的專用低功耗4-20mA模擬液位傳感器。
3.一個10-30V DC電源為網(wǎng)關控制系統(tǒng)供電。
4.數(shù)據(jù)無線電和Modbus主控制器模塊提高了數(shù)據(jù)的便攜性。
5.紅獅的G3 HMI配有以太網(wǎng)接口可供多個用戶晝夜訪問。
6.全向天線擴展了網(wǎng)關節(jié)點的通信，可跨越小山覆蓋整個填埋場。
優(yōu)勢
1.沒必要制造盤柜。兩個螺絲即可固定邦納的無線設備。
2.高超的電源管理能力和內(nèi)部電池消除了長距離布線。
3.大大降低了安裝成本。
4.所有邦納的無線設備是防水的，密封性符合IP67等級。
5.在必要時，可進行簡單的拆卸和/或重新連接。
6.邦納的無線設備使用標準的Modbus通訊協(xié)議，可實現(xiàn)簡單的互操作性。
7.邦納的無線設備在一個盒子里結(jié)合了無線電和所有I / O，最小化部件和維修成本。
8.邦納的無線設備都有內(nèi)置的診斷屬性，發(fā)出報警之前就能完成關機，最大限度地減少停機時間。
9.邦納的SureCross無線系統(tǒng)具有完全可擴展性，能適應運營商填充和創(chuàng)造新井。
