MODBUS—RS485总线通讯效率解决方案

【摘 要】在同一个RS485总线上如果有多台设备，每台设备需要采集多个不同的量，那么每个量的单次刷新时间会受到很大的影响。特别是在做控制时，控制命令下发后其控制结果的返回一般需要检测DI的变化，但是如果链路上数量较多，其刷新会有较大延迟，但是控制系统需要及时的返回动作结果以进行下一步相关动作，因此这个矛盾就更加突出。通过MODBUS通讯规约的深入研究，结合现场实际情况，我们对主站端和客户端做了部分改进，并且在现场得到了良好的应用，现就其实现方法做一下简单的说明。

【关键词】MODBUS 控制

随着科技的不断进步，工业控制领域向的集成度、时时性和可靠性越来越高。目前工业控制设备与控制系统的连接主要有以太网、Profibus总线、DevisNET总线、RS485总线等。RS485总线由于其价格低廉，接线方便等优势，被广泛运用于现场数据量较小的设备上；同时Modbus规约作为一种简单、易用的设备通讯语言，在工业控制领域也得到广泛的运用。因此在工业现场出现了大量的支持RS485带Modbus规约的设备，这些设备在现场运用过程中能快速的连接和调试，深受现场工程师和用户的好评。

一、Modbus总线的工作方式

Modbus总线采用问答式交换数据，总线上设置一个主机和多个从机，理论上最多可以253个从机（地址00和FF保留）。工作时主机下发查询或写入报文，其报文中包含从机地址信息，从机收到报文后检查报文中的地址是否为本机地址，如果是本机地址，则执行相对应的操作然后回复与之对应的报文，如果不是本机地址，则将报文丢弃。

在Modbus报文中其地址为一个字节，因此单个总线上从机最多为253个，但是鉴于通讯数度和通讯通道电气负载的影响，一般建议每条总线不超过32个从机。

二、Modbus总线通讯的效率

根据Modbus协议的规定，主机对从机数据的读取可以是单个BIT位的读取（功能码01，02），也可以是单个寄存器的读取（功能码03，04）。根据它的特性，在产品的实际研发中，通常将设备模拟量输入用于单个寄存器的读取，开关量输入使用单个BIT位的读取。这样每次完全访问一个设备至少需要两条报文，如果在地址不连续的状态下，其报文数量可能还会更多。

以上海致维的L7低压马达保护为例，其开关量使用02功能码，放在0010H～001bH中；模拟量使用03功能码放在0097H～00b1H，电度放在0004H～0009H里面。其地址不连续，功能码也不一样，要将其数据全部读取至少需要下发3条报文，返回3条报文，经过实际测试在9600波特率的情况下整个过程大概在360ms左右，即主机每下发一条报文至从机返回结束大概时间为120ms左右。

三、Modbus总线在现场碰到的问题及改进

（一）实际运用中的问题

在浙江医药有限公司昌海项目中，每个生产车间都配备了上海致维的低压马达保护，单个车间配置最多的达到260台。在设计时在每个车间配置了一台带16个RS485通讯口的通讯管理机用于采集马达保护数据转发到DCS和电力监控系统。在调试过程中发现数据刷新平均时间在6S左右，有的甚至超过了30S，这个刷新频率对于工业控制系统和电力监控系统都是无法接受的。

（二）问题分析

1. 转发数据时采用TCP/IP的以太网Modbus和IEC104规约，由于这两个的传输介质是以太网，其通讯基本没有延迟，因此数据刷新慢的问题不是由数据转发造成的。

2. 车间的马达保护260台、16个串口的情况下，每条RS485的链路上大约有16台马达保护，根据我们之前的测试，可以算出正常情况下数据的刷新频率为：16×3×120=5760ms，这个时间和我们现场实际测试的时间大致相同。造成这个问题的原因主要有两个：一个是链路上的设备数量多；另一个原因是由于功能码不一致和寄存器地址的不连续。

3. 调试过程中还发现，在低压系统中，由于有些设备是备用，马达保护由于没有辅助电源而处于关机状态，主机在下发查询指令后由于马达保护都处于关机状态，所以没有任何数据返回，主机就会延时1S，由此造成通讯延时非常严重。比如链路上只有1台设备正常工作，其余处于备用状态，那么这一台设备的刷新频率为：1×3×120+15×3×1000=45360ms。因此我们在现场调试时发现有设备的刷新频率在30S左右。

（三）改进方案

1. 增加马达保护Modbus通讯点表自定义

在马达保护中开辟出一个新的地址段0200H～0300H用于自定义，该地址段使用03功能码进行读取，将需要使用的模拟量数据以整个寄存器的方式映射到该地址段里面；将开关量以位的方式映射到该地址段中，自定义地址段中每个寄存器可以映射16个开关量位置，上位机采集后再做相应解析即可。

2. 增加通讯降级处理

所谓的通讯降级，是指判断某从机离线（从机断电或故障）后，降低对从机的访问频率，以减少通讯等待的时间，提高正常设备的访问数度。比如，判断某设备离线后，降低为5分钟查询一次，如果查询到该设备正常后，将该设备访问频率重新调整为正常频率。这样有效避免了因为设备离线造成的通讯延迟而影响数据刷新频率。这样可以大大减小由于设备离线造成的通讯延迟。

（四）现场运用效果

在完成以上改进方案后，项目现场实测数据刷新频率在2s左右，较以前有很大的提高，而且没有出现过之前需要好几十秒才刷新的情况。如果将链路上的设备关掉15台，只保留一台的极端情况下，其长时间刷新频率在200ms左右，由于每隔5分钟要查询一次不在线设备偶尔会在3s左右，但是大多数时间其刷新频率反而有了提高。

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