基于MODBUS协议宏通信的分布式供能系统的研究和实现.pdf

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1、上海交通大学硕士学位论文基于MODBUS协议宏通信的分布式供能系统的研究和实现姓名：武亚奇申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：王景成;徐青20081128上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 I 页 基于MODBUS协议宏通信的分布式供能系统的研究和实现 基于MODBUS协议宏通信的分布式供能系统的研究和实现 摘 要 摘 要 分布式供能系统DES（Decentralised energy system）由于本身的灵活性和较高的能源利用率，得到越来越广泛的使用。然而系统中燃机与余热锅炉的通信和数据交换却由于控制器类型和采用协议的不同有时很难直接进行，这一点也直接影响了分布式供能系统的推广

2、和应用。本论文研究的是基于不同协议控制器间的数据通信，使分布式供能系统中采用该协议燃机系统和余热锅炉系统进行数据交换，实现系统中设备间的联锁控制。MODBUS是一种国际性、开放式、不依赖于设备生产商的通讯协议标准，在各领域得到广泛应用。本论文针对采用MODBUS协议的燃机和使用OMRON PLC控制器的余热锅炉系统间的数据通信交换展开研究工作。首先，结合实际阐述了分布式供能系统的工作原理和发展。其次，在充分地研究和理解MODBUS协议及RS232、RS485总线的基础上，结合一具体分布式供能系统中公用控制系统的设计，对系统的需求分析、网络及体系结构等进行了概述。重点对系统中涉及协议宏的编程、组

3、态、参数设置和调用实现数据交换进行了详细地介绍。最后，总结了采用协议宏进行数据交换时需注意的事项，还对协议上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 II 页 宏的仿真调试进行了简单说明，确保系统稳定运行。关键词：关键词：MODBUS，协议宏，分布式供能系统，通信上海交通大学工程硕士学位论文 目录 第 III 页 THE RESEARCH AND ACHIEVE OF THE DECENTRALISED ENERGY SYSTEM BASED ON MODBUS PROTOCOL COMMUNICATION ABSTRACT Distributed Energy Systems DES(Decen

4、tralized energy system)because of their flexibility and higher energy efficiency,is to be more widely used,but the system of gas and waste heat boiler of communications and data exchange is due to the type of controller and the use of different protocols is sometimes difficult to directly to proceed

5、,this has a direct impact on the function of distributed systems and to promote it application.The thesis of this study is based on a different protocol between the data communications controller,so that the system can be distributed for the use of the gas agreement and waste heat boiler system for

6、data exchange system to achieve between the chain Equipment control.MODBUS is an international,open,does not rely on equipment manufacturers of communications protocol standards,it is widely used in various fields.In this paper,using MODBUS protocol for the use of gas and OMRON PLC controller of the

7、 waste heat boiler systems to exchange data communications to start the research.First of all,in light of the actual distributed on the principle of the system function and development.Second,in the full study and understanding of the MODBUS protocol and RS232,RS485 bus on the basis of a specific co

8、mbination of distributed energy supply system in the common control system design,systems analysis and network architecture,and so on were outlined.Focus on the systems involved in the 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 第 IV 页 protocol macro programming,configuration,parameter settings and data calls for the exchang

9、e of detailed information.Finally,summed up the use of macro data exchange protocol when the attention of,and protocol on the macro simulation to debug a brief description to ensure stable operation of the system.KEY WORDS:modbus,protocol macro,DES,communication 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声

10、明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：武亚奇 日期：2008 年 11 月 28 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有

11、关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：武亚奇 指导教师签名：王景成 日期：2008 年 11 月 28 日 日期：2008 年 11 月 28 日上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 分布式供能系统的优势和现状 1.1 分布式供能系统的优势和现状 分布式能源并非新生事物，上世纪 70 年代它就已经在一些国家大行其道。但在我国，分布式能源却仍处于起步阶段。在提倡能源节约的大背景下，由于相比集中式能源

12、更加节能环保，分布式能源再一次引起了各方面的广泛关注。分布式供能系统（Decentralised energy system）1,又称分布式（冷）热电联产系统，顾名思义，分布式供能是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模(数千瓦至 50MW 的小型模块式)、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或(和)冷能的系统，同时它又可以与大电网相连接，在电力不够时从网上购买电，而在电力多余时向大电网出售电。简单的来说冷热电联产就是利用了传统的发电厂排出的废热来供热或供冷。二十世纪初以来电力行业流行的观点是，发电机组容量越大，则效率越高，单位kw 投资越低，发电成本也越低，因而随

13、着能源产业的发展，电力工业发展方向是“大机组、大电厂和大电网”。但是，在许多特殊情况下，分布式供电是集中供电不可缺少的重要补充，并且具有它自己独特的优势。热电联产实现了能源从高品位到低品位的合理梯级利用，因而高效节能。电是高品位能，而一般我们所需求的热是低品位能。一般用化石燃料的发电厂的效率只有33，而使用热电联产的有效电效率可达 5070，综合热电效率可高达 7090%，达到或接近燃煤及燃气锅炉的供热效率，然而一般用途的工业锅炉供出的只是 100200的热能，是低品位能源。因此分布式供能系统对于那些热电需求都较大较集中的企业或地区，例如化工厂、钢铁厂、药厂等或经济开发区、高科技园区等都是既经

14、济又节能的选择。分布式供能系统没有或只有很低的输配电损耗，无需建设配电站，可避免或减少输配电成本。分布式供能系统对于离发电厂较远的地区例如乡村、牧区、山区等，都是解决它们用电需求的经济手段。分布式供能系统可减轻环境污染。由于分布式供能系统的高效率和输送低能耗使上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 得在产生相同终端能量的情况下所消耗的燃料比传统的集中式供电所消耗的要少，相应地使用冷热电联产就降低了排出的污染物质和温室效应气体。分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足。各种形式的小型分布式供能系统，使大电网不再孤立和笨拙。直接安置在用户近旁的分布式供能装置与大电网配合，

15、可大大地提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下，可协助维持重要用户，例如医院等的供电。此外，分布式能源多为性能先进的中小型和微型机组，开停机方便，负荷调节灵活，用户可独立操控，一般的商业中心、居民小区、写字楼、商场等建筑物地下室均可设置，不会发生大规模大范围供应事故2。而且，燃料多用天然气、轻质油或可再生清洁能源。与燃煤火电机组相比，其二氧化硫和固体废弃物排放几乎为零，二氧化碳排放量减少 50%以上。目前，美国“分布式”能源供应站已达到 6000 多座，仅大学校园就有 200 多处采用了分布式能源供应站。英国在过去的 20 年中，已安装 1000 多个小

16、型成套“分布式供能系统”设备，遍布英国的各大饭店、休闲中心、医院、大学校区、机场、公共部门建筑、写字楼、购物商城等。而中国的分布式供能才刚起步，目前在上海的热电联产系统大多是一些热电联产发电厂，用于公共建筑的分布式供能系统只有 4 家。1.2 分布式供能系统的组成及工作原理 1.2 分布式供能系统的组成及工作原理 1.2.1 分布式供能系统的组成 1.2.1 分布式供能系统的组成 关于分布式能源的定义有不同版本，但概念大体相同：在靠近用户的地方安装小型机组，充分利用发电产生的热量，向一定区域内的用户同时提供电力、蒸气、热水和空调冷水(或风)等的能源服务系统。这套系统可以向用户直接供应，而不需要

17、大电网的输送，大大减少了中间环节的损耗，实现了对资源利用的最大化，从实践情况看，节能效果是十分明显的。分布式供能系统主要由发动机、发电机、余热锅炉和热驱动制冷机组成，有些系统还配有备用锅炉和蓄热装置。发动机带动发电机发电，同时排出废热，余热锅炉将这些废热转换成蒸汽或热水，直接供热或用于热驱动制冷机制冷。在热量需求较大的情况下，为了防止电需求降低而废热量减少，可以使用备用锅炉来补充所需的热量，上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 在这种情况下也可以用蓄热装置将废热量较多时所产生的热量或冷量储存起来，到不够时用。1.2.2 不同的发动机在分布式供能系统中的应用 1.2.2 不同的

18、发动机在分布式供能系统中的应用 如图 1-1 为以内燃机作为发动机的分布式供能系统的示意图2。一般内燃机的废热利用来自两个部分，一部分来自高温烟气，温度大约为 500600，可直接排入余热锅炉用来产生蒸汽，另一部分来自内燃机缸套冷却水，温度大约 8595和润滑油的冷却水，温度大约为 5060，可直接用来进行热交换，产生热水。图 1-1 内燃机为发动机的分布式供能系统 Fig 1-1 The internal combustion engine for the distributed energy system 图 1-2 显示了以燃气轮机作为发动机的分布式供能系统的示意图2。空气在压气透平中被

19、压缩成高温高压气体，然后进入燃烧室燃烧，产生温度极高的燃烧气体进入燃气透平带动发电机发电，同时排出高温烟气，与内燃机不同，通常高温烟气是燃气轮机唯一的废热来源，但一般燃气轮机的温度要比内燃机高，大约为 700900。上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 但微型燃气轮机烟气温度为 300400，排出的气体也可全部用于产生蒸汽。图1-2燃气轮机为发动机的分布式供能系统 Fig 1-2 The gas turbine engines for the distributed energy system 分布式供能系统的原动机可以采用燃气轮机、内燃机、热气机等机型，这三种原动机各有特点

20、：1)燃气轮机排烟量大，余热回收所产生蒸汽量比较大，适合蒸汽负荷比较大的用户，但是燃气轮机需要的燃气进气压力比较高；2)内燃机的发电效率比较高，需要的燃气进气压力比较低，但是内燃机的余热回收通常以回收热水为主，不适合使用蒸汽的用户；3)热气机需要的燃气进气压力比较低，但是热气机的余热回收也是以回收热水为主，而且目前热气机最大发电功率为 50kW。上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 1.2.3 分布式供能系统发展面临的挑战 1.2.3 分布式供能系统发展面临的挑战 在今后的十几年内，中国将需要兴建成千上万个分布式能源站，这是前所未有的机遇。当前，分布式能源正是处于这个阶段的开

21、端。如果说从现在开始，分布式能源站会以每年几百个的速度发展，就会有一系列的问题产生：除了资金来源外，更主要的是技术依托何在？索拉、宝曼、瓦锡兰、英格索兰等跨国公司看准中国发展小型全能量系统的无限商机，目前正在积极抢占我国市场。而国产分布式能源设备，虽然已有一定制造能力，也有一些工程采用，但国产设备对比进口设备在质量稳运、产品性能、维修周期、自动化水平、环保指标、噪音和外观等方面，尚有一定的差距。如果不能解决分布式供能站的技术瓶颈，一味的进口原装的的设备和控制系统，中国自己的分布式供能系统恐怕很难真正的发展起来。闵行区中心医院的分布式供能系统在运营中，就因设备自带控制系统中的问题，造成机组冷却系

22、统故障报警出现问题，导致缸套损坏。而只能等候供应商更换设备。此外，也有专家提出，分布式能源将来会更多地采用可再生能源，如太阳能的光电、光热转换；还有风能、生物质能，包括人们生活中的固体和液体垃圾转化的能源。真正做到这一点，需要集中国家、社会、学校、科研院所等各方力量，加大研究开发力度，不断给分布式能源增加更多的技术含量，期望通过更多更快的技术进步和市场开拓，使分布式能源被更多的用户接纳，取得更好的经济效益。1.3 课题的任务和研究内容 1.3 课题的任务和研究内容 1.3.1 课题的任务1.3.1 课题的任务 基于上述的发展现状和行业背景，上海普陀区同济医院在规划建设 2*250kw 分布式供

23、能系统时考虑采用国产的公用控制系统。项目来源于上海工业自动化研究所系统总部，该分布式供能系统采用燃气轮机作为发电机，配合余热锅炉实现热电联供，燃机进口英格索兰公司 MT250 系列微透平,余热锅炉则采用中船 703 研究所生产小型余热锅炉，燃机与锅炉相对独立，且配有独立的控制系统，无法实现两套系统的数据交换和设备联锁保护，因此，要求设计公用控制系统，实现燃机与锅炉的数据交换以及两套系统的联锁运行，并监控公用仪表的状态参数。上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 项目之初，我们将任务分解为以下部分：（1）确立控制系统的结构 （2）控制系统软硬件配置（3）实现与燃机及锅炉系统数据交

24、换（4）控制器编程实现联锁控制 经过初步设计沟通，余热锅炉控制系统采用两台 OMRON CS1J 系列 PLC3作为控制器，配合 IO 模块及中间继电器进行控制，通过以太网及 FINS 协议开放数据，数据相对开放；而燃机自带控制系统开放性不高，厂家只明确了数据传输经由 MODBUS协议4经 RS485 接口，至于内部控制器的结构及原理则未作说明，因此系统实现的重点放在了与燃机的通信这一环节上，为此，课题的研究内容明确如下：1.3.2 课题的研究内容 1.3.2 课题的研究内容 （1）研究 MODBUS 通信协议及数据格式（2）研究燃机及 RS485 及 RS232 总线方式（3）分析控制系统特

25、征和结构，进行系统的软硬件设计。（4）编程进行程序的设计。（5）系统的仿真、调试。1.4 论文的结构 1.4 论文的结构 第一章 主要阐述课题涉及的背景、分布式供能系统的发展和现状，简单介绍课题的任务和研究内容。第二章 主要针对课题研究内容，分析了 MODBUS 协议的分类和内容，重点研究了数据帧的格式。第三章 对系统涉及的 RS232 和 RS485 总线做了针对性的研究。第四章 主要介绍了系统的硬件和软件的结构性设计。第五章 根据系统的结构性设计，对于基于协议宏的通信的实现作了详细的说明，同时对于系统其它组成也作了简要的说明。第六章 总结 MODBUS 协议宏通信设计研究成果，并对整个控制

26、系统的推广进行了展望。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 7 页 第二章 Modbus 通信协议 第二章 Modbus 通信协议 2.1 Modbus 协议简介 2.1 Modbus 协议简介 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5。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。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及

27、怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一 Modbus 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动6。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用 Modbus 协议发出。在其它网络上，包含了 Modbus 协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。1、在 Modbus 网络上转输 标准的 Modbus 口是使用一 RS-232C 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由 Modem 组网。控制器通信使

28、用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。7 主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 8 页 从设备回应消息也由 Modbus 协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收

29、过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。2、在其它类型网络上转输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程8。在消息位，Modbus 协议仍提供了主从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。3、查询回应周期 图 2-1 查询-回应周期表 Fig 2-1 query-In resp

30、onse to the periodic table（1）查询 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 9 页 插询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码 03 是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。（2）回应 如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以

31、用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。2.2 两种传输方式 2.2 两种传输方式 控制器能设置为两种传输模式（ASCII 或 RTU）中的任何一种在标准的 Modbus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个 Modbus 网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。ASCII 模式 表 2-1 ASCII 模式数据格式 Table 2-1 ASCII mode data format:地址 功能代码 数据数量 数据 1.数据n LRC 高字节 LRC 低字节

32、 回车 换行 RTU 模式 表 2-2 RTU 模式数据格式 Table 2-2 RTU mode data format 地址 功能代码 数据数量 数据 1.数据 n CRC 低字节 CRC 高字节 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 10 页 所选的 ASCII 或 RTU 方式仅适用于标准的 Modbus 网络，它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。在其它网络上（象 MAP 和 Modbus Plus）Modbus 消息被转成与串行传输无关的帧。1、ASCII 模式 当控制器设为在 Modbus 网络上以 A

33、SCII（美国标准信息交换代码）模式通信，在消息中的每个 8Bit 字节都作为两个 ASCII 字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到 1 秒而不产生错误。代码系统 十六进制，ASCII 字符 0.9，A.F 消息中的每个 ASCII 字符都是一个十六进制字符组成 每个字节的位 1 个起始位 7 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位（有校验时），2 个 Bit（无校验时）错误检测域 LRC(纵向冗长检测)2、RTU 模式 当控制器设为在 Modbus 网络上以 RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个 8Bit 字节包含两个 4Bit

34、的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比 ASCII 方式传送更多的数据。代码系统 8 位二进制，十六进制数 0.9，A.F 消息中的每个 8 位域都是一个两个十六进制字符组成 每个字节的位 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 11 页 1 个起始位 8 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位（有校验时），2 个 Bit（无校验时）错误检测域 CRC(循环冗长检测)2.3 Modbus 消息帧 2.3 Modbus 消息帧 两种传输模式中（ASCII 或 RTU），传输设备以将 Modbus 消息转为有起点和终

35、点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一个设备被选中（广播方式则传给所有设备），判知何时信息已完成。部分的消息也能侦测到并且错误能设置为返回结果9。1、ASCII 帧 使用 ASCII 模式，消息以冒号（:）字符（ASCII 码 3AH）开始，以回车换行符结束（ASCII 码 0DH,0AH）。其它域可以使用的传输字符是十六进制的 0.9,A.F。网络上的设备不断侦测“:”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备都解码下个域（地址域）来判断是否发给自己的。消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过 1 秒，否则接收的设备将认为传输错误。一个典型消息帧如下所示：表 2-3

36、 典型 ASCII 消息帧 Table 2-3 Typical ASCII news frame 起始位 设备地址 功能代码 数据 LRC 校验结束符 1 个字符2 个字符 2 个字符 n 个字符2 个字符2 个字符 2、RTU 帧 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 12 页 使用 RTU 模式，消息发送至少要以 3.5 个字符时间的停顿间隔开始。在网络波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的(如下图的 T1-T2-T3-T4 所示)。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的 0.9,A.F。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个

37、域（地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少 3.5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过 1.5 个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于 3.5 个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的 CRC 域的值不可能是正确的。一典型的消息帧如下所示：表 2-4 典型 RTU 消息帧 Table 2-4 Typical RTU news fra

38、me 起始位 设备地址 功能代码 数据 CRC 校验 结束符 T1-T2-T3-T48Bit 8Bit n 个 8Bit 16Bit T1-T2-T3-T4 3、地址域 消息帧的地址域包含两个字符（ASCII）或 8Bit（RTU）。可能的从设备地址是0.247(十进制)。单个设备的地址范围是 1.247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。地址 0 是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。当 Modbus 协议用于更高水准的网络，广播可能不允许或以其它方式代替。4、如何

39、处理功能域 消息帧中的功能代码域包含了两个字符（ASCII）或 8Bits（RTU）。可能的代码范围是十进制的 1.255。当然，有些代码是适用于所有控制器，有此是应用于某种控制器，还有些保留以备后用。当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如去读取输入的开关状态，读一组寄存器的数据内容，读从设备的诊断状态，允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 13 页 当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应(无误)还是有某种错误发生（称作异议回应）。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应，

40、从设备返回一等同于正常代码的代码，但最重要的位置为逻辑 1。例如：一从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功能代码：0 0 0 0 0 0 1 1（十六进制 03H）对正常回应，从设备仅回应同样的功能代码。对异议回应，它返回：1 0 0 0 0 0 1 1（十六进制 83H）除功能代码因异议错误作了修改外，从设备将一独特的代码放到回应消息的数据域中，这能告诉主设备发生了什么错误。主设备应用程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发给从设备的消息并报告给操作员。下表是 Modbus 支持的功能码10：表 2-5 Modbus 支持的功能码 Table 2-5 F

41、unctions code of Modbus 功能码 名称 作用 01 读取线圈状态 取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF)02 读取输入状态 取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF)03 读取保持寄存器 在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值04 读取输入寄存器 在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值05 强置单线圈 强置一个逻辑线圈的通断状态 06 预置单寄存器 把具体二进值装入一个保持寄存器 07 读取异常状态 取得 8 个内部线圈的通断状态，这 8 个线圈的地址由控制器决定 08 回送诊断校验 把诊断校验报文送从机，以对通信处理进行评鉴09 编程（只用于 484）使主机

42、模拟编程器作用，修改 PC 从机逻辑 10 控询（只用于 484）可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信，探询该从机是否已完成其操作任务，仅在含有功能码 9 的报文发送后，本功能码才发送 11 读取事件计数 可使主机发出单询问，并随即判定操作是否成功，尤其是该命令或其他应答产生通信错误时 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 14 页 12 读取通信事件记录 可是主机检索每台从机的 ModBus 事务处理通信事件记录。如果某项事务处理完成，记录会给出有关错误 13 编程（184/384 484 584）可使主机模拟编程器功能修改 PC 从机逻辑 14 探询（184

43、/384 484 584）可使主机与正在执行任务的从机通信，定期控询该从机是否已完成其程序操作，仅在含有功能 13 的报文发送后，本功能码才得发送 15 强置多线圈 强置一串连续逻辑线圈的通断 16 预置多寄存器 把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器 17 报告从机标识 可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态 18（884 和 MICRO 84）可使主机模拟编程功能，修改 PC 状态逻辑 19 重置通信链路 发生非可修改错误后，是从机复位于已知状态，可重置顺序字节 20 读取通用参数（584L）显示扩展存储器文件中的数据信息 21 写入通用参数（584L）把通用参数写入扩展存储

44、文件，或修改之 2264 保留作扩展功能备用 6572 保留以备用户功能所用 留作用户功能的扩展编码 73119 非法功能 120127 保留 留作内部作用 128255 保留 用于异常应答 在这些功能码中较长使用的是 1、2、3、4、5、6 号功能码，使用它们即可实现对下位机的数字量和模拟量的读写操作。1、读可读写数字量寄存器（线圈状态）：计算机发送命令：设备地址 命令号 01 起始寄存器地址高 8 位 低 8 位 读取的寄存器数高 8 位 低 8 位 CRC 校验的低 8 位 CRC 校验的高 8 位 例：110100130025CRC 低CRC 高 意义如下：设备地址：在一个 485 总

45、线上可以挂接多个设备，此处的设备地址表示想和哪一个设备通讯。例子中为想和 17 号(十进制的 17 是十六进制的 11)通讯。命令号 01：读取数字量的命令号固定为 01。起始地址高 8 位、低 8 位：表示想读取的开关量的起始地址(起始地址为 0)。比如例子中的起始地址为 19。寄存器数高 8 位、低 8 位：表示从起始地址开始读多少个开关量。例子中为 37个开关量。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 15 页 CRC 校验：是从开头一直校验到此之前。在此协议的最后再作介绍。此处需要注意，CRC 校验在命令中的高低字节的顺序和其他的相反。设备响应：设备地址 命令

46、号 01 返回的字节个数数据 1数据 2.数据nCRC 校验的低 8 位 CRC 校验的高 8 位 例：110105CD6BB20E1BCRC 低CRC 高 意义如下：设备地址和命令号和上面的相同。返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据 1，2.n 中的 n 的值。数据 1.n：由于每一个数据是一个 8 位的数，所以每一个数据表示 8 个开关量的值，每一位为 0 表示对应的开关断开，为 1 表示闭合。比如例子中，表示 20 号(索引号为 19)开关闭合，21 号断开，22 闭合，23 闭合，24 断开，25 断开，26 闭合，27 闭合.如果询问的开关量不是 8 的整倍数，那么最后一个

47、字节的高位部分无意义，置为 0。CRC 校验同上。2、读只可读数字量寄存器（输入状态）：和读取线圈状态类似，只是第二个字节的命令号不再是 1 而是 2。3、写数字量（线圈状态）：计算机发送命令：设备地址 命令号 05 需下置的寄存器地址高 8 位 低 8 位 下置的数据高 8 位 低 8 位 CRC 校验的低 8 位 CRC 校验的高 8 位 例：110500ACFF00CRC 低CRC 高 意义如下：设备地址和上面的相同。命令号:写数字量的命令号固定为 05。需下置的寄存器地址高 8 位，低 8 位：表明了需要下置的开关的地址。下置的数据高 8 位，低 8 位：表明需要下置的开关量的状态。例

48、子中为把该开关闭合。注意，此处只可以是FF00表示闭合0000表示断开，其他数值非法。注意此命令一条只能下置一个开关量的状态。设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。4、读可读写模拟量寄存器（保持寄存器）：计算机发送命令：设备地址 命令号 03 起始寄存器地址高 8 位 低 8 位 读取的寄存器数高 8 位 低 8 位 CRC 校验的低 8 位 CRC 校验的高 8 位 例：1103006B0003CRC 低CRC 高 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 Modbus 通信协议 第 16 页 意义如下：设备地址和上面的相同。命令号:读模拟量的命令号固定为 03。起始地址高

49、8 位、低 8 位：表示想读取的模拟量的起始地址(起始地址为 0)。比如例子中的起始地址为 107。寄存器数高 8 位、低 8 位：表示从起始地址开始读多少个模拟量。例子中为 3 个模拟量。注意，在返回的信息中一个模拟量需要返回两个字节。设备响应：设备地址 命令号 03 返回的字节个数数据 1数据 2.数据nCRC 校验的低 8 位 CRC 校验的高 8 位 例：110306022B00000064CRC 低CRC 高 意义如下：设备地址和命令号和上面的相同。返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据 1，2.n 中的 n 的值。例子中返回了 3 个模拟量的数据，因为一个模拟量需要 2 个

50、字节所以共 6 个字节。数据 1.n：其中数据 1数据 2分别是第 1 个模拟量的高 8 位和低 8 位，数据 3数据 4是第 2 个模拟量的高 8 位和低 8 位，以此类推。例子中返回的值分别是555，0，100。CRC 校验同上。5、读只可读模拟量寄存器（输入寄存器）：和读取保存寄存器类似，只是第二个字节的命令号不再是 2 而是 4。6、写单个模拟量寄存器（保持寄存器）：计算机发送命令：设备地址 命令号 06 需下置的寄存器地址高 8 位 低 8 位 下置的数据高 8 位 低 8 位 CRC 校验的低 8 位 CRC 校验的高 8 位 例：110600010003CRC 低CRC 高 意义