ModbusTCP/IP在工业自动化中的应用

一、前言
Modbus是一种全开放，免费提供，非常容易理解和实施的协议，从70年代诞生以来，一直在不同的工作领域中得到广泛应用，是一种事实上工业标准。其主机/从机通信机理能很好地满足确定性的要求，这恰好与互联网的客户机/服务器的通信机理相对应。它与以太网TCP/IP结合，在TCP帖中嵌入Modbus信息帧，成为Modbus TCP/IP，在工业自动化领域中，具有很高的性能价格比，是一种真正开放的理想解决方案，试验表明了它的有效性，应用案例已证明了它在实际应用中的价值。
Modbus可把“符号名”赋于不同的数据类型，可在应用程序中修改数据类型，而且几乎不产生负面影响。Modbus尽管历史悠久，但应用灵活，能跟上时代的发展，满足网络通信发展提出的各种新要求，如SEMI（半导体芯片）制造行业要求一个全开放和透明的解决方案，Modbus TCP/IP仅采用一个新的功能代码“91”，使用级别，实例，牲码号改变数据。完全满足SEMI传感器总线有效传输数据的有关要求，该功能代码“91”的定义可查阅网站（http://www.modicon.com）
二、传输速率进行对比试验
以太网作为现场总线使用时，首先应在性能和传输速率上满足客户的控制要求，因此施耐德按实际应用的要求，对Modbus TCP/IP的传输速率与现场总线的传输速率进行了对比试验；试验结果证明10M的自适应以太网的Modbus TCP/IP的通信速率与现场总线（Interbus和Modbus+）的通信速率大致相同，见表1。试验是在一个国际快递公司进行的，施耐德的PLC分别连接10、20、30、40台Momentum的远程分布式I/O块，数据和长度为输入一个字/输出一个字，采用基于吞吐量方式测量时间，即测量处理器处理的整个过程的时间，包括读一个物理输入，扫描时间，然后写到一个物理输出口。施耐德在酒钢2号高炉使用了100M交换式以太网，4000多个I/O点，采用Modbus TCP/IP,网络速度远远高于传统的现场总线系统。
单从网络的通信速率进行比较，多少还带有片面性，应从以太网和现场总线两类网络的不同特性，编程性能，网络对设备类型的可连接性，网络的可伸缩性，（支持设备的台数）以及最大的传输距离等指标作进一步比较。采用Modbus TCP/IP，既可用作控制，又可传输文件，两者兼可，使传输文件和实现控制功能两个轮子同时运转。如采用10/100M自适应以太网，10M作I/O控制，100M作PLC通信，无论从运行速度，性能和投资上看，施耐德的“透明工厂”（基于Modbus TCP/IP）的解决方案要优越于各类现场总线的解决方案。



三、开发“透明工厂”应用
“透明工厂”施耐德电气公司的一个注册商标，是基于Modbus TCP/IP实现工业自动化具有可伸缩性和高性能价格比的一种解决方案，节点数范围在10~10000之间，以太网的结构可以是一个简单的I/O网络，也可以是复杂的高档计算机网络。工业自动化使用网络技术时，首先应考虑网络的规模和投资费用，也要考虑网络维护工具的方便和实用性。对于种类繁多的现场总线，客户多少有点神秘感觉，而当今，大家都已知道以太网和网卡，熟悉互联网和PC机，单从这一点讲，客户对工业以太网多少有亲切感。因具有明显的优越性。
4年前，当我们承担一个新建的汽车制造厂的自动化项目的时，非常大胆地转向开发和使用工业以太网技术的解决方案，因为我们正处于试验阶段，一些供应商和客户还对工业以太网或多或少持有怀疑的态度，因而，在总体结构中局部还使用Interbus现场总线。然而，这个基于Modbus TCP/IP的模块化分布式的工业以太网解决方案实施非常成功，并于2001年1月全部投入生产，这就是我们所说的美洲豹车生产厂“透明工厂”（工业以太网自动化系统）。美洲豹汽车厂“透明工厂”实施方案见图1。


汽车制造厂生产线分类6个楼区，每一个楼区内使用热备冗余100M以太网光纤环网，均为独立的子网络，各楼区之间需要传输相互联锁的信息。每一个楼区生产线的PLC和机器人焊接机分别由控制中心的内置交换器控制。整个生产线与公司的广域网相连（WAN）为安全起见，采用路由器技术进行隔离。通过模块化设计后，“透明工厂”系统组态结构非常灵活，几乎不作任何修改，即可扩展模块和子系统，能实现“即插即用”，恰到好处地添加单元和设备。曾经持怀疑态度的供应商们，由于尝到了矩头，坚定不移地要求施耐德为他们的下一个工程项目提供全以太网方式的解决方案和产品。模块化以太网技术方案的突出优点是性能价格比高，可伸缩性和灵活性。

四、“透明工厂”支持网页技术
使用TCP/IP后，最大的好处是可引入网页技术。即TCP/IP除了作为现场总线使用外，还可在设备中内置网页服务器，使以太网的远程I/O设备具备了在网上浏览该远程I/O状态的功能。一台内置网页的变频器，可在网上浏览它的工况信息和状态参数，对一个自动化系统来说，这是一个非常重要的优点，通过网页不仅能在网上知道该系统中的各种设备的类型，还能实时知道他们在系统中的作用和体现的功能价值。
我们可以对一个工业以太网自动化系统建立一个完整的网址，使PLC具备了在网上的诊断功能，从网上了解I/O状态，系统工况，以及网络信息的繁忙度，也可为用户的某些特殊节点定义一些特殊的网页，如生产信息，库存状态，维护工具等。浏览生产过程中的报警记录，或给维护人员发送E-mail信息等。
下面为美国密西根Holland市日处理3850万加仑城市用水处理厂的一个案例，见图2。该工程采用施耐德Quantum产品组成以太网，实现整个水厂生产过程的自动化。Quantum的以太网模块中内置有网页服务器，水厂人员可通过互联网和标准浏览器快速访问和统计数据，了解各控制器及远程I/O的状态及配置，被授权人员可以通过拨号软件和编程软件对控制器进行编程，10M以太网已能满足水厂（即使I/O点数增加至1002点）控制系统通信速率的要求，工作站刷新周期仅为1~1.5s，满足了通信的要求。

水厂配置了4台Windows NT PC电脑，分别作为操作、管理、维护及实验室分析等用途的人机界面设备，在以太网上它们是独立对等节点。数据库和DDE驱动是分开的。4台PC电脑装入了不同的实用软件。PC电脑之间唯一可交换的信息是报警信息，若一台PC电脑出现故障，即可在其他3台电脑上显示出来。操作和实验室用的电脑，功能基本相似，均装有拨号软件，通过SCADA运行版软件对水厂进行控制和操作。用于实验室的电脑可开发SCADA程序。用于管理和维护的两台电脑功能也基本相同，但只装入SCADA只读版软件，4台PC电脑和5套可编程控制器、RTU以及通信设备均由UPS供电。UPS电源系统具有抗电涌保护功能。
内置网页技术给用户带来了极大的好处，水厂现场工程师在我们的指点下，独自开发了系统的网址，把操作手册和维护手册用超文本“HTML”文件的格式保存（而不是文本）文件，因此可利用该网址下载“HTML”文件，包括操作指南、接线图、PLC I/O清单、以及备用I/O等，并把这台PLC放在公司的互联网上供大家访问。使用这种技术后，有关人员均可同时访问相同数据。从理论上讲，最多可有32个用户同时访问同一个网址。我们做试验时，只安排5位用户同时访问同一个网址，测试表明同时访问对性能毫无影响，缺少配置时，网址上的数据为只读方式，但可以通过密码控制也可配置写入功能代码。使用写入功能代码后，用户可作用于处理数据。即可改变整定值，起动和停止顺序，以及可视数据和参数等。用户还可定义系统支持企业使用的标准的网页浏览器，快速创建和起动预配置的诊断服务和在线工具等。
使用微软的Front Page或其它商用的软件包工具，可为工业自动化系统建立网址、网页，而使用开放式的Java技术也可创建用户的网址和网页。专用的Java applets程序可调用标准的工具库（图形符号等）来开发满足用户需要的界面，使网页生动活泼，反映实时工况，满足生产工艺的要求。由于以太网已得到广泛地应用，技术成熟，有现成的零配件、电缆及接插件提供，因此组建一个网络时具有投资省，成本低的优点。一些工业级产品如电缆、集线器、交换器、路由器、介质转换器、PC网卡等均可在市场上买到，可用来组建新的工业以太网网络。
五、“透明工厂”e网到底
一个大型制造业自动化系统中，包含有制造执行系统（MES）和先进过程控制系统（APC）。制造设备通常集成有传感器，用于实时检测生产过程中出现的问题，及时处理，控制工艺流程，提高产品质量。这类以智能传感器为基础的解决方案，必须能ms级的实时控制功能，必要时能独立于MES和APC，并能干预制造过程。智能传感器采集和分析的数据必须与MES融为一体。基于以太网和TCP/IP的联网技术可一网到底，向下延伸到（智能）传感器层。该项重大成果主要反映在Modbus TCP/IP为基础的SEMI（半导体）传感器总线上。而向对象的Modbus TCP/IP传感器总线符合SEMI.E54.9标准，被认为是一个里程碑。数据采集系统见图3。该数据采集系统包括设备层、控制层和信息层，彼此相互连接，独立运行。设备层有一台Momentum MIE控制器，通过10/100M以太网切换器，把传感器连接到以太网。MIE内置的以太网端口执行数据采集，不定期可执行实时控制功能；中间控制层采用Quantum PLC，它具有586 CPU的处理能力，高速处理和储存数据，并管理设备层的传感器，按请求向信息层输送数据。最高信息层驻留有APC，MES和CIM（计算机集成制造系统），通过切换器和路由器隔离现场局域网和其他控制网络。使用了Modbus TCP/IP后，能从办公室环境浏览连接到网络的所有设备和智能传感器。可在以太网环境中实现自动化系统或智能设备的升级，极大地简化了控制系统的更新改造。在一个工厂环境中集成有APC构架和智能设备的自动化系统，见图4。使用Modbus TCP/IP SEMI传感器总线后能方便实施经济有效地传感器技术方案，把传感器采集和处理的数据川流不息和透明地传送到高层MEC和APC。应该指出APC应用与传感器总线之间无直接的连接。采用以太网技术和SEMI传感器总线技术的另外一个优点是能兼容其它传感器层的异种现场总线，因而综合利用用户带来的好处是不言而喻的。


六、结束语
文章中谈到的应用案例仅仅涉及了“透明工厂”开发过程中的一些情况，通过4年的努力，“透明工厂”的概念已被广大用户接受，应用案例遍及全球，应用领域包括制造业、电力、水电、冶金、矿山、交通、基础设施等。从发展角度看，所有现场设备均可内置微型网页服务器，不必通过操纵和编程，可直接使用。在一个多业主的运行环境中，每一台现场仪表均可与企业广域网相连。因此可预料在TCP/IP上将会看到有更多的功能和掀起性出现。Modbus协议是免费提供的，大家都知道的一种工业标准。嵌入在TCP/IP上的Modbus开创了我国工业自动化的新起点。扮演了一个十分重要的角色。