【摘 要】 本文介绍了在工业控制系统中广泛使用的ModBus通信协议。以ModBus的ASCII方式为例，剖析了ModBus的指令结构，着重说明基于ModBus通信协议的设备之间如何进行数据通信、如何使用ModBus通信协议把衡器接入PLC系统，并简单介绍了PLC系统与局域网的互联。
【关键词】 ModBus通信协议；PLC可编程控制器；衡器
在衡器行业中，但凡涉及串行通信时，工程师们都会有一种无奈，就是通信协议问题。由于我国衡器厂众多，各自采用自己的通信协议，使得通信协议五花八门，互不兼容。由于是自成一体，也为后续与其他系统联网、维修、仪表配件互换等留有后遗问题。若采用一种工业控制领域的主流协议，各衡器厂的通信协议都与这个主流协议兼容，那么上述问题自然迎刃而解。这个主流协议*ModBus。
一、什么是ModBus
ModBus是一种通信协议，是由Modicon公司发表于1979年，主要用于PLC（可编程逻辑控制器）系统。目前，在工业自动化设备通信连接中，ModBus已是相当常见的一种连接方式。
二、ModBus与其他通信协议比较
1、物理层简单、价廉：ModBus可以在常用且廉价的RS232、RS485等物理媒介上运行，不像CanBus、ProfiBus、BitBus等需昂贵的芯片支持。
2、免费：ModBus是一种公开的，可以无偿使用的协议。而使用ProfiBus则需要向有关组织登记缴费。
3、使用普及：ModBus是当前工业控制中使用zui广的一种通信协议，基于这点，具有ModBus的设备接入工控系统相对容易。
4、维护方便：由于接入ModBus总线相对其他工控总线而言，比较简单。一般具有RS232、RS485等串行口的PC机都可以接入，使用PC机自带的超级终端软件或其他串行控制软件，就能观察ModBus通信过程，可以很方便地查出故障站点。
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称重科技 三、ModBus的主要型式
ModBus主要有四种型式：ASCII、RTU、TCP/IP和Plus。
1、ASCII型式：采用ASCII码进行数据交换，使用纵向冗余校验的校验和（LRC）进行数据校验。
2、RTU型式：采用二进制码进行数据交换，使用循环冗余校验的校验和（CRC）进行数据校验。
3、TCP/IP型式：主要用于以太网，不使用校验和进行数据校验。
4、Plus型式：该型式为Modicon公司专有，采用专门的协处理器进行数据处理。
目前，使用zui广泛的型式是ASCII和RTU，主要采用RS232、RS422、RS485进行物理连接，其中RS485使用zui多。
四、ModBus的结构
ModBus协议是一个master（主）/slave（从）架构的协议。有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。每一个slave设备都有一个*的地址。ModBus的通信比较简单，由master发通信指令，指令中含有欲于之通信的slave站号。当master发指令时，所有slave都处于收听状态，一旦slave收听到与自己地址相同的站号时，立刻执行指令的内容，并回传执行的结果。
五、ASCII型式的ModBus通信协议的格式
在ModBus上通信时，各站点的通信参数必须一致，如：波特率、奇偶校验。
通信时，一个信息字节中的每8位分为两个ASCII字符进行传输，允许字符传输间隔在1秒之内。
1、ASCII型式每一字节的格式
16进制编码，ASCII字符（0-9、A-F），即：0x30-0x39、0x41-0x46。
1位开始位、7位数据位（先低后高）、1位奇偶校验（无奇偶校验时为0）、1位停止位。
2、数据错误校验采用纵向冗余校验（LRC）
3、通信帧格式（ModBus命令格式）
开始
地址（站号）
功能
数据
校验（LRC）
结束
：（0x3a）
xx
xx
x...
xx
CR、LF（0x0d、0x0a）
1字符
2字符
2字符
N字符
2字符
2字符
一个基本的ModBus命令，除了开始、校验、结束字符外，还必须有地址项及功能项。地址——也就是站号，想要被操作的对象（slave站号）；功能——想要被操作的对象完成的任务。ModBus命令可以没有数据项。
被操作的对象，在完成所要求的操作后，必须回传一帧信息，传递操作结果。回传信息的格式
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2012.5·南京
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自 动 衡 器 篇
与命令格式相同，只是数据内容为操作的结果。
六、利用ModBus，实现PLC与电子称重设备的通信
为了使大家对Modbus有更进一步的了解，下面用例子方式说明如何把电子称重设备接入PLC控制系统的Modbus总线网络。例子中的称重仪表为上海彩信电子科技有限公司生产的XK311增强型仪表。本例中，1台PLC作为主机（master），10台电子秤作为从机（slave），使用XK311增强型仪表作为电子秤显示仪表，从机地址为70、71、72、....79。通过RS485连接PLC和各仪表，采用ModBus ASCII通信协议。PLC可以对各台仪表进行置零、去皮、读取重量等多项操作。称重系统示意图如图1所示，图中的计算机是在系统调试时接入RS485总线的，用以观察RS485中传输的数据，正常工作时是移除的。
图1 称重系统示意图
上述系统可实现以下功能：
1、正常工作时，PLC每隔10秒轮询一次，获取每台秤的重量。
2、当秤台上重量异常时，PLC会发出警告信息，提示控制室人员注意。
3、控制人员可以通过PLC，对某台秤发出置零、去皮等操作指令。
4、PLC可对各台秤的称量，进行各项统计，生成必要的统计报表。
七、ModBus与局域网互连
现在，很多PLC都具有局域网接口，通过该接口，就可以远程控制称重系统了。当然，也可以通过接在Modbus总线上的PC机，利用PC机的软、硬件资源，编制相应的软件，将重量信号传送到局域网上。若局域网通过路由器接入因特网，很显然重量数据就可以在因特网上传输了。本系统是通过PLC的DH+网络接入局域网的。当然，网络部分使用的协议，*TCP/IP、NetBEUI。Modbus也有相关的TCP/IP型式，这里就不再赘述了，大家可以参考相关的书籍。
上述的称重系统只是PLC的一个子系统，是后期改造的一个项目。其整个PLC系统（见图2）是采用美国ROCKWELL公司的PLC，共有5台PLC机箱（采用PLC5系列）、4台工控机和2台服务器、若干台PC组成的。PLC采用ROCKWELL公司的DH+网络连接，使用DF1协议；其中1
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称重科技 台PLC与称重系统采用RS485连接，使用Modbus协议；DH+网络通过1台作为连接桥的工控机，连入局域网。工控机上的监控软件是RSVIEW32，操作人员通过该软件的人机界面，观察各项数据，发出各项指令，当然也包括称重数据及指令。另外，局域网上的PC机也安装了RSVIEW32软件，只不过取消了操作指令，但可以通过该软件观察各项数据，便于其他相关人员关注设备运行情况。
图2 PLC系统图
八、结束语
本文简单介绍了ModBus通信协议，例举了电子秤采用RS485串行接口接入PLC系统，用ModBus通信协议，实现与PLC的实时通信。由于水平有限，如有错误的地方，望谅解。
PLC程序采用的是梯形图，其中有对串行口进行操作的梯形图，设置图中的相关属性，如波特率、奇偶校验，把相关的Modbus操作命令写入其中即可。有关PLC的编程请参阅ROCKWELL公司的《PLC5指令系统与使用说明》。
关于XK311增强型仪表的ModBus协议及指令举例，请看附录。
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自 动 衡 器 篇
附录：
XK311增强型仪表的ModBus协议格式
说明
报头
站号
功能码
首址
数据量
数据值
校验码
报尾
指令
：
xx
xx
xxxx
xxxx
xxxx
LRC
\CR\ LF
回传
：
xx
xx
xx
xxxx
LRC
\CR
\ LF
出错回传
：
xx
xx
zui高位置1
xx
错误码
LRC
\CR
\ LF
报头、报尾：所有指令均以冒号（：）开始，以回车符、换行符结束。
站号：2个ASCII码，范围为01-90（16进制：0x01-0x）。
功能码：2个ASCII码。
02：读继电器输出状态；
04：读称量状态（显示值、皮重等）；
05：置零操作；
06：皮重操作；
07：通信测试；
08：读定值；
09：写定值。
首址：4个ASCII码，读写数据的位置。
数据量：4个ASCII码，读写数据的数量。
数据值：读写的数据。
校验码：2个ASCII码，采用LRC校验。
LRC校验码运算：报头（：）不参与运算，LRC在数据之后，在\CR\LF之前。参加运算的是报头之后，LRC之前的所有数据。LRC为参加运算的数据之和的补码，舍去进位。
当仪表执行指令出错时，会回传错误码，并将功能码的zui高位置1。
错误码：
00--接收到的功能码出错；
01--数据地址错；
02--数据数量错；
03--数据值错，如：预置皮重大于zui大称量FS；
04--称量为负时去皮；
05--不在称重状态时置零；
06--称量不稳定时置零；
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称重科技

07--称量>2%FS时置零；
08--称量<-2%FS时置零。
接下来以地址为78（16进制为4E）号的仪表为例，详述每条指令。PLC作为master，发送指令；电子秤仪表作为slave，接收指令，并回传执行结果。
读取重量数据（功能码：04）
说明
报头
站号
功能码
首址
数据量
数据值
校验码
报尾
指令
：
4E
04
0000
0007
A7
\CR\ LF
回传
：
4E
04
07
120003E70000CA
E1
\CR\ LF
例中：站号4E，即78号；功能码04表示要读取重量数据；仪表的重量数据专门放置在重量数据单元，其地址从0000到0006，共7个字节。其中0000：状态数据；0001-0003：显示值；0004-0006：皮重值。读取重量数据时，可以单独读，也可以2个一起读或全部读。首址0000表示从重量数据的0000地址开始读取；数据量0007表示共要读取7字节数据；校验码A7表示校验和LRC=A7。
当PC发出指令后，每个从站仪表都会接收，只有与指令中的站号相同的仪表，才会响应，回传所需信息。
78号地址的仪表，收到上述指令后，会回传“：4E0407120003E70000CAE1\CR\LF”
其中“120003E70000CA”是PC想得到的78号站的重量信息。
12--状态数据，表示当前显示为正、重量稳定、显示值是净重，当前数据包含2位小数；
0003E7--显示值，同状态数据结合考虑，即：当前的显示是净重9.99kg；
0000CA--皮重值，即：当前的皮重是2.02kg。
数据校验：所有被参与校验的数据+校验码=0（舍去进位）。
0x4E+0x04+0x00+0x00+0x00+0x07+0xA7=0x100，舍去进位1后，等于0，表示数据检验正确。
状态数据：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0：正
1：负
0：不在零位
1：在零位
0：稳定
1：动态
0：毛重
1：净重
恒为0
000：无小数；001：1位小数;
010：2位小数；011：3位小数
如要单独读显示值，可发指令“：4E0400030003A8\CR\LF”
78号仪表回传“：4E04030003E7C1\CR\LF”
如要同时读显示值及皮重，可发指令“：4E0400030006A5\CR\LF”
78号仪表回传“：4E04060003E70000CAF4\CR\LF”
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置零操作（功能码：05）
报头
站号
功能码
首址
数据量
数据值
校验码
报尾
指令
：
4E
05
AD
\CR\LF
回传
：
4E
05
AD
\CR\LF
说明
置零成功
回传
：
4E
85
07
26
\CR\LF
说明
置零失败，重量>2%FS
去皮操作（功能码：06）
报头
站号
功能码
首址
数据量
数据值
校验码
报尾
指令
：
4E
06
0004
0003
000064
41
\CR\LF
回传
：
4E
06
03
000064
45
\CR\LF
说明
设置皮重=100，显示净重
指令
：
4E
06
0004
0000
A8
\CR\LF
回传
：
4E
06
03
0000C9
E0
\CR\LF
说明
操作前为毛重状态，操作后，把毛量作为皮重，皮重=201，显示净重为0
指令
：
4E
06
0004
0000
A8
\CR\LF
回传
：
4E
06
03
000000
A9
\CR\LF
说明
操作前为净重状态，操作后，恢复毛量显示，皮重=0
去皮操作正确执行后，回传的数据为去皮操作后的皮重值。
读取定值（功能码：08）
报头
站号
功能码
首址
数据量
数据值
校验码
报尾
指令
：
4E
08
0001
0004
A5
\CR\LF
回传
：
4E
08
04
00006400
45
\CR\LF
说明
首址：0001--1#定值、0005--2#定值、0009--3#定值、000D--4#定值、0011--5#、0015--6#定值；
数据中，前3字节表示定值，例中：000064表示1#定值=100
后1字节厂家保留，这里不用。
指令
：
4E
08
0005
0004
A1
\CR\LF
回传
：
4E
08
04
00012C00
79
\CR\LF
说明
2#定值=300
指令
：
4E
08
000D
0004
99
\CR\LF
回传
：
4E
08
04
0003E800
BB
\CR\LF
说明
4#定值=1000
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