一、引言

现场总线 （Fieldbus ） 是 20 世纪 80 年代末、90 年代初国际上发展形成的，用于现场总线技术过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术的产品开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点。具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

二、常见现场总线及其特点

目前国际上有 40 多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为 3 类：传感器总线 （ Sensor Bus ），属于位传输；设备总线 （Device Bus ），属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。

（一 ） 基金会现场总线 （ FF，Fieldbus Founda-tion ） 以 ISO/OSI 开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链层、应用层为 FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括 FF 通信协议、用于完成开放互联模式中第 2- 7 层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的 DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

（二 ） LonWorks 是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信系统。它采用了ISO/OSI 模型的全部七层通讯协议，可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全符合环境保护要求、造价低廉、维护成本低是现场总线的特点，完全替代 4mA－20mA 模拟信号，实现传输信号数字化，从而易于现场布线，且降低了电缆安装和保养费用，增加了可靠性。支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。

（ 三 ） Profibus与其他现场总线系统相比，Profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准 EN50170 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。采用了 OSI 模型，DP 型隐去了 3 层～7 层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS 型只隐去第 3 层～6 层，采用了应用层。Porfibus 支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127 个站点。

（四 ） CAN（ Control Area Network ），最早由德国 某公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。不过，其模型结构只有 3 层 （ 物理层、数据链路层和应用层 ）。其信号传输介质为双绞线，可挂接设备最多可达 110 个。CAN 支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收 / 发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。

（五） HART（Highway Addressable RemoteTransduer ） 最早由 某 公司开发并得到 80 多家著名仪表公司的支持，于 1993 年成立了 HART通信基金会。HART 通信模型由 3 层组成 ：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用 FSK(Fre-quency Shift Keying ） 技术在 4mA～20mA 模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用 Bell202 国际标准；数据传输速率为 1200bps，逻辑 0 的信号频率为 2200Hz，逻辑 1 的信号传输频率为 1200Hz。但由于这种模拟数字混信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。

（六 ） Modbus 是某公司在 1979 年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。为更好地普及和推动 Modbus 在基于以太网上的分布式应用，目前某公司已将 Modbus 协议的所有权移交给 IDA（分布式自动化接口，Interface forDistributed Automation ） 组 织 ， 并 成 立 了 Mod-bus- IDA 组织，为 Modbus 今后的发展奠定了基础 。 在 中 国 ， Modbus 已 经 成 为 国 家 标 准GB/T19582- 2008。据不完全统计：截止到 2007年，Modbus 的节点安装数量已经超过了 1000 万个。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络 （ 例如以太网 ） 和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

Modbus 具有以下几个特点： （1 ） 标准、开放，用户可以免费、放心地使用 Modbus 协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权； （2 ）Modbus 可以支持多种 电 气 接 口 ， 如 RS- 232、RS- 485 等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等； （ 3 ） Modbus 的帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

三、Modbus 总线在 XK3201 （F701B/D ） 仪表中的典型应用

XK3201 （ F701 ） 称重控制仪表是某自控设备有限公司 （ 以下简称“称某公司” ） 在 2007 年开发的一款高速、高精度称重仪表，该产品重量采集模块采用 某公司 24 位高速 ADC 芯片，采用光电隔离输入，继电器输出，采用全金属外壳保证其良好的电磁兼容性 （EMC，Electro Magnetic Compatibility ），率先通过国家 CMC 认证。软件方面，该产品自带多种工艺流程工作模式，应用在单机设备中无需 PLC 等第三方逻辑控制设备即可完成全部生产工艺，有效降低设备厂商生产成本及终端操作人员使用难度。

在网络通讯方面，XK3201 （ F701 ） 采用标准RS485 （ 可选 RS232 ） 物理接口作为 Modbus 总线传输介质，由于采用高性能 1/4 总线负载的 RS485 接口芯片，在同一标准 RS485 总线上最多允许挂载127 台 XK3201 （ F701 ） 仪表。鉴于 Modbus 通讯的轮巡周期，推荐同一总线上不应超过 32 台仪表。

XK3201 （F701 ） 支持 Modbus 协议的 RTU 格式，目前支持 03H、06H 和 10H 功能，更多的功能在不断的扩展中，XK3201 （ F701 ） 仪表在 Modbus网络中属于智能从站设备，能够直接与支持 RTU格式的各种主站系统通讯。鉴于目前国内市场上90%以上的各种组态软件、触摸屏、PLC 等均支持Modbus 协议，软件开发人员在不需要详细了解具体 通 讯 指 令 的 情 况 下 ， 几 乎 可 以 让 XK3201（ F701B/D ） 仪表与目前市场上所有上位机系统进行通讯，大大提高 XK3201 （ F701 ） 仪表的应用范围。

以下以 XK3201 （F701 ） 与支持 Modbus 协议的台达触摸屏通讯为例详细介绍该款仪表在 Mod-bus 网络中的应用。

（一 ） 建立触摸屏与仪表的硬件连接

本案例中触摸屏与仪表间采用两线制 RS485接口，触摸屏与仪表两端均采用 DB9 航空插头接口，按照说明书焊接好插头分别插到仪表和触摸屏的接口上，然后将触摸屏和仪表分别接入DC24V 和 AC220V 电源，硬件连接到此告一段落。
 

（二 ） 配置触摸屏硬件组态

本例使用触摸屏的 COM2 端口与仪表相连，基于 RS485 接口，仪表在 Modbus 网络中的地址为1，触摸屏做为主站设备，地址无意义可以任意设置 ， 只 要符 合 系 统 规 则 即 可 。 目 前 XK3201（ F701 ） 支持 1200、2400、4800 和 9600 几种波特率，校验统一采用 8、N、1 （8 位数据位，无校验，1 位停止位 ） 格式。    

       在设置完以上参数后，即可进入画面编辑状态，以下分别就 03H、06H 和 10H 功能的具体应用分别做介绍。

（1 ） 03H 功能 （ 寄存器读 ）

首先添加一个数值显示控件 ，然后再对该控件的属性进行设置，其中需要说明的是由于触摸屏系统自身原因，在设置地址时应在实际地址基础上加 1 偏移量，例如读仪表 40198地址，在组态时地址应填写 40199。
  

到此，组态设置结束，对软件进行编译并下载到触摸屏中即可将仪表中 40198 系统参数显示在触摸屏上，如果要读其他参数，按照上述方法重复即可。然而在批量读取数据的时候，对各个数据分别读取每个数据就显然浪费通讯周期，降低了数据的刷新频率，此时可以利用宏指令功能，将仪表内数据批量读到触摸屏内存中，然后分项显示，由于触摸屏显示的是已存在内存中的数据，而触摸屏只用同一指令读仪表，效率大大提高，并且少量增减读取寄存器数量对通讯周期没有明显影响，下面将以宏指令读取仪表为例作简要描述：
  

1 ） 在 Clock 宏 中 添 加 “ BMOV (400，(1@W40199)，18)”指令，即将仪表从 40198 （加1 偏移量 ） 开始的 18 个单元寄存器读取到触摸屏从 400 开始的内存单元中

2 ） 若需要在触摸屏上显示某个数据，只需要将该数据对应的触摸屏映射地址显示出来即可，例如要显示仪表 40198 地址数据，触摸屏上只要设置显示 400 地址数据即可，大大增加编程的灵活性。

（2 ） 06H 功能 （ 单寄存器写 ）

一般而言，推荐使用宏指令去执行 06H 功能，需要执行时只需要触发写 W40001 即可，例如现在需要将 1 写入 4000 地址，只需要在宏指令中执行一次“(1@W40001)=01H”即可。

（3 ） 10H 功能 （ 寄存器写 ）

本功能执行时可参考 06H 功能，在需要写某个寄存器时通过宏指令触发即可，例如现在向40100 （ 目标量 ） 写入 100，只需要在宏指令中执行一次“(1@W40101)=100(DW)”即可。

（三 ） XK3201（ F701B/D ） 在 Profibus 总线上的应用

XK3201 （F701 ） 除了能在 Modbus 网络中灵活应用，通过借助第三方网关设备也能够快速加入到由其他总线组件的网络中，例如通过 Profibus转 Modbus 网关，XK3201 （ F701 ） 仪表能够被映射成一个 Profibus- DP 从站，无需编程 Profibus 主站设备就可以读写 XK3201 （ F701B/D ） 的相关参数，大大简化程序员的工作量，提高系统的灵活性。
 

自从 XK3201 （F701 ） 在 Modbus 网络中的批量应用，该仪表借助总线通讯优势也从同类型仪表中脱颖而出，分布式的网络结构，对仪表的安装位置不再有严格要求，用户可以根据现场实际情况灵活布置设备安装。集中式的数据管理让操作人员在中控室就可以对工厂内不同位置仪表进行统一管理，通过 Modbus 网络将现场实时的生产数据传输到控制室进行管理，避免人为因素对生产数据的更改，保证生产数据的可靠性，提高企业的生产效率。

四、结束语

随着工业信息化进程的快速发展，工厂自动化的程度越来越高，以及最近的产品质量溯源跟踪概念，这些都要求工业称重仪表要具有完善的网络管理能力，通过上位机系统对称重计量的每一批物料质量进行存储备案，管理人员可以通过网络远程实时了解生产情况，现场操作人员也无需在现场即可灵活调整称重参数，提高产品质量及工作效率。XK3201 （F701 ） 正是顺应这一主流趋势，其自带的 Modbus 总线功能经过四年多的现场考验，稳定的通讯质量和良好的用户反馈说明Modbus 总线技术在 XK3201 （F701 ） 上应用非常成功。目前该公司的 XK3201 系列其他仪表也都逐渐支持 Modbus 功能，例如在近年 XK3201（F701P/PD ） 配料仪表增加了对 Modbus 的支持，该配料仪表所有参数均支持通过 Modbus 协议进行读写，优秀的称重性能以及良好的用户体验让该公司的 XK3201 系列仪表越来越受到用户欢迎。

参考文献：

[1] 周渡海,何此昂.现场总线控制技术开发[M].中国电力出版社.2010.

[2] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].清华大学出版社.2008.

[3] 朱小囊.Modbus通信协议及编程[M].电子工程师.2005.

[4] 百度百科 · 现场总线技术 （http://baike.baidu.com/view/262570.htm ） [OL].

[5] 无锡市某自控设备有限公司 . XK3201 （F701 ） 称重控制器技术手册[Z] .

 

 

 

 

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