一、引言

現(xiàn)場總線 （Fieldbus ） 是 20 世紀(jì) 80 年代末、90 年代初上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場總線技術(shù)過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間與更高控制管理層次之間的。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。上許多有實力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)?，F(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點。具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

二、常見現(xiàn)場總線及其特點

目前上有 40 多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為 3 類：傳感器總線 （ Sensor Bus ），屬于位傳輸；設(shè)備總線 （Device Bus ），屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。

（一 ） 基金會現(xiàn)場總線 （ FF，Fieldbus Founda-tion ） 以 ISO/OSI 開放系統(tǒng)互聯(lián)模式為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。基金會現(xiàn)場總線的主要技術(shù)內(nèi)容包括 FF 通信協(xié)議、用于完成開放互聯(lián)模式中第 2- 7 層通信協(xié)議的通信棧、用于描述設(shè)備特性、參數(shù)、屬性及操作接口的 DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典、用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等功能的功能塊、實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。

（二 ） LonWorks 是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信系統(tǒng)。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七層通訊協(xié)議，可靠性高、穩(wěn)定性好、抗*力強(qiáng)、通信速率快、系統(tǒng)安全符合環(huán)境保護(hù)要求、造價低廉、維護(hù)成本低是現(xiàn)場總線的特點，*替代 4mA－20mA 模擬信號，實現(xiàn)傳輸信號數(shù)字化，從而易于現(xiàn)場布線，且降低了電纜安裝和保養(yǎng)費用，增加了可靠性。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

（ 三 ） Profibus與其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，Profibus的zui大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn) EN50170 作保證，并經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造、過程控制和自動化等。采用了 OSI 模型，DP 型隱去了 3 層～7 層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，FMS 型只隱去第 3 層～6 層，采用了應(yīng)用層。Porfibus 支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，zui多可掛接 127 個站點。

（四 ） CAN（ Control Area Network ），zui早由德國 BOSCH 公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。CAN 協(xié)議也是建立在標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的。不過，其模型結(jié)構(gòu)只有 3 層 （ 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層 ）。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，可掛接設(shè)備zui多可達(dá) 110 個。CAN 支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收 / 發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。

（五） HART（Highway Addressable RemoteTransduer ） zui早由 Rosemout 公司開發(fā)并得到 80 多家儀表公司的支持，于 1993 年成立了 HART通信基金會。HART 通信模型由 3 層組成 ：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用 FSK(Fre-quency Shift Keying ） 技術(shù)在 4mA～20mA 模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用 Bell202 標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)傳輸速率為 1200bps，邏輯 0 的信號頻率為 2200Hz，邏輯 1 的信號傳輸頻率為 1200Hz。但由于這種模擬數(shù)字混信號制，導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。

（六 ） Modbus 是施耐德公司在 1979 年發(fā)明的，是*個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。為更好地普及和推動 Modbus 在基于以太網(wǎng)上的分布式應(yīng)用，目前施耐德公司已將 Modbus 協(xié)議的所有權(quán)移交給 IDA（分布式自動化接口，Interface forDistributed Automation ） 組 織 ， 并 成 立 了 Mod-bus- IDA 組織，為 Modbus 今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 。 在 中 國 ， Modbus 已 經(jīng) 成 為 國 家 標(biāo) 準(zhǔn)GB/T19582- 2008。據(jù)不*統(tǒng)計：截止到 2007年，Modbus 的節(jié)點安裝數(shù)量已經(jīng)超過了 1000 萬個。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò) （ 例如以太網(wǎng) ） 和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。

Modbus 具有以下幾個特點： （1 ） 標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費、放心地使用 Modbus 協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)； （2 ）Modbus 可 以支持多種 電 氣 接 口 ， 如 RS- 232、RS- 485 等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等； （ 3 ） Modbus 的幀格式簡單、緊湊、通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

三、Modbus 總線在 XK3201 （F701B/D ） 儀表中的典型應(yīng)用

XK3201 （ F701 ） 稱重控制儀表是某自控設(shè)備有限公司 （ 以下簡稱“稱某公司” ） 在 2007 年開發(fā)的一款高速、高精度稱重儀表，該產(chǎn)品重量采集模塊采用 AD公司 24 位高速 ADC 芯片，采用光電隔離輸入，繼電器輸出，采用全金屬外殼保證其良好的電磁兼容性 （EMC，Electro Magnetic Compatibility ），通過國家 CMC 認(rèn)證。軟件方面，該產(chǎn)品自帶多種工藝流程工作模式，應(yīng)用在單機(jī)設(shè)備中無需 PLC 等第三方邏輯控制設(shè)備即可完成全部生產(chǎn)工藝，有效降低設(shè)備廠商生產(chǎn)成本及終端操作人員使用難度。

在網(wǎng)絡(luò)通訊方面，XK3201 （ F701 ） 采用標(biāo)準(zhǔn)RS485 （ 可選 RS232 ） 物理接口作為 Modbus 總線傳輸介質(zhì)，由于采用高性能 1/4 總線負(fù)載的 RS485 接口芯片，在同一標(biāo)準(zhǔn) RS485 總線上zui多允許掛載127 臺 XK3201 （ F701 ） 儀表。鑒于 Modbus 通訊的輪巡周期，推薦同一總線上不應(yīng)超過 32 臺儀表。

XK3201 （F701 ） 支持 Modbus 協(xié)議的 RTU 格式，目前支持 03H、06H 和 10H 功能，更多的功能在不斷的擴(kuò)展中，XK3201 （ F701 ） 儀表在 Modbus網(wǎng)絡(luò)中屬于智能從站設(shè)備，能夠直接與支持 RTU格式的各種主站系統(tǒng)通訊。鑒于目前國內(nèi)市場上90%以上的各種組態(tài)軟件、觸摸屏、PLC 等均支持Modbus 協(xié)議，軟件開發(fā)人員在不需要詳細(xì)了解具體 通 訊 指 令 的 情 況 下 ， 幾 乎 可 以 讓 XK3201（ F701B/D ） 儀表與目前市場上所有上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，大大提高 XK3201 （ F701 ） 儀表的應(yīng)用范圍。

以下以 XK3201 （F701 ） 與支持 Modbus 協(xié)議的臺達(dá)觸摸屏通訊為例詳細(xì)介紹該款儀表在 Mod-bus 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

（一 ） 建立觸摸屏與儀表的硬件連接

本案例中觸摸屏與儀表間采用兩線制 RS485接口，觸摸屏與儀表兩端均采用 插頭接口，按照說明書焊接好插頭分別插到儀表和觸摸屏的接口上，然后將觸摸屏和儀表分別接入DC24V 和 AC220V 電源，硬件連接到此告一段落，硬件連接如圖 1 所示。
  

（二 ） 配置觸摸屏硬件組態(tài)

本例使用觸摸屏的 COM2 端口與儀表相連，基于 RS485 接口，儀表在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)中的地址為1，觸摸屏做為主站設(shè)備，地址無意義可以任意設(shè)置 ， 只 要 符 合 系 統(tǒng) 規(guī) 則 即 可 。 目 前 XK3201（ F701 ） 支持 1200、2400、4800 和 9600 幾種波特率，校驗統(tǒng)一采用 8、N、1 （8 位數(shù)據(jù)位，無校驗，1 位停止位 ） 格式，具體的設(shè)置方法如圖 2 至圖 5 所示。
    

       在設(shè)置完以上參數(shù)后，即可進(jìn)入畫面編輯狀態(tài)，以下分別就 03H、06H 和 10H 功能的具體應(yīng)用分別做介紹。

（1 ） 03H 功能 （ 寄存器讀 ）

首先添加一個數(shù)值顯示控件 （ 如圖 6 所示 ），然后再對該控件的屬性進(jìn)行設(shè)置，其中需要說明的是由于觸摸屏系統(tǒng)自身原因，在設(shè)置地址時應(yīng)在實際地址基礎(chǔ)上加 1 偏移量，例如讀儀表 40198地址，在組態(tài)時地址應(yīng)填寫 40199 （ 如圖 7 所示 ）。
  

到此，組態(tài)設(shè)置結(jié)束，對軟件進(jìn)行編譯并下載到觸摸屏中即可將儀表中 40198 系統(tǒng)參數(shù)顯示在觸摸屏上，如果要讀其他參數(shù)，按照上述方法重復(fù)即可。然而在批量讀取數(shù)據(jù)的時候，對各個數(shù)據(jù)分別讀取每個數(shù)據(jù)就顯然浪費通訊周期，降低了數(shù)據(jù)的刷新頻率，此時可以利用宏指令功能，將儀表內(nèi)數(shù)據(jù)批量讀到觸摸屏內(nèi)存中，然后分項顯示，由于觸摸屏顯示的是已存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，而觸摸屏只用同一指令讀儀表，效率大大提高，并且少量增減讀取寄存器數(shù)量對通訊周期沒有明顯影響，下面將以宏指令讀取儀表為例作簡要描述：
  

1 ） 在 Clock 宏 中 添 加 “ BMOV (400，(1@W40199)，18)”指令，即將儀表從 40198 （加1 偏移量 ） 開始的 18 個單元寄存器讀取到觸摸屏從 400 開始的內(nèi)存單元中

2 ） 若需要在觸摸屏上顯示某個數(shù)據(jù)，只需要將該數(shù)據(jù)對應(yīng)的觸摸屏映射地址顯示出來即可，例如要顯示儀表 40198 地址數(shù)據(jù)，觸摸屏上只要設(shè)置顯示 400 地址數(shù)據(jù)即可，大大增加編程的靈活性。

（2 ） 06H 功能 （ 單寄存器寫 ）

一般而言，推薦使用宏指令去執(zhí)行 06H 功能，需要執(zhí)行時只需要觸發(fā)寫 W40001 即可，例如現(xiàn)在需要將 1 寫入 4000 地址，只需要在宏指令中執(zhí)行一次“(1@W40001)=01H”即可。

（3 ） 10H 功能 （ 寄存器寫 ）

本功能執(zhí)行時可參考 06H 功能，在需要寫某個寄存器時通過宏指令觸發(fā)即可，例如現(xiàn)在向40100 （ 目標(biāo)量 ） 寫入 100，只需要在宏指令中執(zhí)行一次“(1@W40101)=100(DW)”即可。

（三 ） XK3201（ F701B/D ） 在 Profibus 總線上的應(yīng)用

XK3201 （F701 ） 除了能在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)中靈活應(yīng)用，通過借助第三方網(wǎng)關(guān)設(shè)備也能夠快速加入到由其他總線組件的網(wǎng)絡(luò)中，例如通過 Profibus轉(zhuǎn) Modbus 網(wǎng)關(guān)，XK3201 （ F701 ） 儀表能夠被映射成一個 Profibus- DP 從站，無需編程 Profibus 主站設(shè)備就可以讀寫 XK3201 （ F701B/D ） 的相關(guān)參數(shù)，大大簡化程序員的工作量，提高系統(tǒng)的靈活性，如圖 9 所示。
  

自從 XK3201 （F701 ） 在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)中的批量應(yīng)用，該儀表借助總線通訊優(yōu)勢也從同類型儀表中脫穎而出，分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對儀表的安裝位置不再有嚴(yán)格要求，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況靈活布置設(shè)備安裝。集中式的數(shù)據(jù)管理讓操作人員在中控室就可以對工廠內(nèi)不同位置儀表進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過 Modbus 網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖疫M(jìn)行管理，避免人為因素對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的更改，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可靠性，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

四、結(jié)束語

隨著工業(yè)信息化進(jìn)程的快速發(fā)展，工廠自動化的程度越來越高，以及zui近的產(chǎn)品質(zhì)量溯源跟蹤概念，這些都要求工業(yè)稱重儀表要具有完善的網(wǎng)絡(luò)管理能力，通過上位機(jī)系統(tǒng)對稱重計量的每一批物料質(zhì)量進(jìn)行存儲備案，管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實時了解生產(chǎn)情況，現(xiàn)場操作人員也無需在現(xiàn)場即可靈活調(diào)整稱重參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量及工作效率。XK3201 （F701 ） 正是順應(yīng)這一主流趨勢，其自帶的 Modbus 總線功能經(jīng)過四年多的現(xiàn)場考驗，穩(wěn)定的通訊質(zhì)量和良好的用戶反饋說明 Modbus 總線技術(shù)在 XK3201 （F701 ） 上應(yīng)用非常成功。目前該公司的 XK3201 系列其他儀表也都逐漸支持 Modbus 功能，例如在近年 XK3201（F701P/PD ） 配料儀表增加了對 Modbus 的支持，該配料儀表所有參數(shù)均支持通過 Modbus 協(xié)議進(jìn)行讀寫，的稱重性能以及良好的用戶體驗讓該公司的 XK3201 系列儀表越來越受到用戶歡迎。

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作者簡介：胡強(qiáng)， 江蘇省計量科學(xué)研究院力學(xué)與交通計量研究所所長， 工程師， 長期從事衡器產(chǎn)品檢測與管理工作， 實際工作經(jīng)驗豐富。現(xiàn)擔(dān)任全國衡器計量技術(shù)委員會副主任委員、 全國衡器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、 《衡器》 期刊編委會副主任委員、 中國衡器協(xié)會專家技術(shù)委員會副主任委員、江蘇省質(zhì)量密度計量專業(yè)技術(shù)委員會主任委員、 《衡器》期刊理事會常務(wù)理事； JJG 2053- 2006《質(zhì)量檢定系統(tǒng)》 、JJF1246－2010《制造計量器具許可考核通用規(guī)范》編寫人；《具有可控雙液壓加載機(jī)構(gòu)的計重設(shè)備檢測裝置》 和 《液壓加/ 卸載檢測系統(tǒng)分離式稱重信號取樣、 校準(zhǔn)裝置》 兩項衡器發(fā)明人； 主持研制的 《檢衡車靜態(tài)液壓加載系統(tǒng)的研制》 科研項目獲得 2010 年度江蘇省質(zhì)監(jiān)系統(tǒng) “科技進(jìn)步獎”二等獎和 2011 年度國家質(zhì)檢總局 “科技興檢獎” 二等獎； 取得中國合格評定國家認(rèn)可委員會技術(shù)評審員、 中國質(zhì)量認(rèn)證中心強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證 （3C） 工廠檢查員、 *計量標(biāo)準(zhǔn)考核考評員、 國家法定計量檢定機(jī)構(gòu)考評員、 國家實驗室資質(zhì)認(rèn)定評審員、 國家制造計量器具許可證考評員等技術(shù)考評資質(zhì)， 并承擔(dān)相關(guān)的技術(shù)評審和考核工作。

（ 作者通訊地址：江蘇省南京華光東街 3 號

郵 政 編 碼：210007

收 稿 日 期：2012- 05- 22 ）

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