现场总线控制系统（FCS）系列：Schneider Electric Modbus for Gas Processing_（8）.基于Modbus的气体处理系统设计原则.docx

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基于Modbus的气体处理系统设计原则

1.Modbus协议概述

Modbus协议是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，由Modicon公司在1979年推出。它最初是为PLC（可编程逻辑控制器）之间的通信设计的，但因其简单、可靠和开放性，逐渐被应用于各种工业设备和系统中。Modbus协议支持多种通信方式，包括串行通信（如RS-232、RS-485）和以太网通信（如ModbusTCP）。

1.1Modbus协议的基本结构

Modbus协议的基本结构包括两部分：请求（Request）和响应（Response）。每条请求和响应都包含一个报头（Header）和一个报文（Message）。

1.1.1报头（Header）

报头包含以下字段：

设备地址（DeviceAddress）：1字节，用于标识通信中的设备。

功能码（FunctionCode）：1字节，用于指定请求或响应的类型。

数据字段（DataField）：可变长度，包含具体的数据内容。

校验字段（Checksum）：2字节，用于校验数据的完整性。

1.1.2报文（Message）

报文包含以下类型：

读取输入寄存器（ReadInputRegisters）

读取保持寄存器（ReadHoldingRegisters）

写入单个寄存器（WriteSingleRegister）

写入多个寄存器（WriteMultipleRegisters）

读取线圈状态（ReadCoils）

写入单个线圈（WriteSingleCoil）

写入多个线圈（WriteMultipleCoils）

1.2Modbus协议的通信模式

Modbus协议支持两种通信模式：

RTU模式：采用二进制编码，通信效率高，适用于串行通信。

ASCII模式：采用文本编码，通信效率较低，但易于调试，适用于串行通信。

1.2.1RTU模式

RTU模式的报文结构如下：

设备地址：1字节

功能码：1字节

数据：可变长度

CRC校验：2字节

1.2.2ASCII模式

ASCII模式的报文结构如下：

冒号（:）：1字节，报文的起始标志

设备地址：2字节，用ASCII字符表示

功能码：2字节，用ASCII字符表示

数据：可变长度，用ASCII字符表示

LRC校验：2字节，用ASCII字符表示

回车（CR）和换行（LF）：各1字节，报文的结束标志

1.3Modbus协议的功能码

Modbus协议定义了多种功能码，用于不同的通信操作。以下是一些常用的功能码：

01（0x01）：读取线圈状态

02（0x02）：读取输入状态

03（0x03）：读取保持寄存器

04（0x04）：读取输入寄存器

05（0x05）：写入单个线圈

06（0x06）：写入单个寄存器

15（0x0F）：写入多个线圈

16（0x10）：写入多个寄存器

1.4Modbus协议的校验方式

Modbus协议支持两种校验方式：

CRC校验：用于RTU模式，通过计算报文的循环冗余校验码来验证数据的完整性。

LRC校验：用于ASCII模式，通过计算报文的纵向冗余校验码来验证数据的完整性。

2.基于Modbus的气体处理系统设计

在气体处理系统中，Modbus协议被广泛用于设备之间的通信，以实现数据采集、控制和监控功能。设计基于Modbus的气体处理系统时，需要考虑以下关键因素：

2.1设备地址分配

设备地址分配是Modbus通信的基础。每个设备在通信网络中都有一个唯一的地址，通常为1-247之间的整数。设备地址的分配需要确保每个设备的地址不重复，以便在通信中正确识别。

2.2功能码选择

根据系统的具体需求选择合适的Modbus功能码。例如，如果需要读取传感器的温度数据，可以使用功能码03（读取保持寄存器）；如果需要控制阀门的开关状态，可以使用功能码05（写入单个线圈）。

2.3数据寄存器映射

数据寄存器映射是指将设备的内部数据映射到Modbus寄存器上。每个寄存器都有一个固定的地址，用于存储特定的数据。例如，温度传感器的数据可以存储在寄存器40001上，阀门的状态可以存储在寄存器10001上。

2.4通信参数设置

通信参数设置包括波特率、数据位、停止位和校验方式等。这些参数需要在所有通信设备之间保持一致，以确保数据的正确传输。常用的通信参数设置如下：

波特率：9600bps

数据位：8位

停止位：1位

校验方式：无校验或奇偶校验

2.5代码示例

以下是一个使用Python和pymodbus库实现的ModbusRTU通信示例，用于读取气体处理系统的温度数据。

2.5.1安装pymodbus库

首先，需要安装pymodbus库。可以使用以下命令进行安装：

pipinstall