摘要：介绍了通过5G网络实现工控系统中Modbus RTU/TCP设备数据采集传输原理， 将Modbus RTU转换成TCP/IP协议，实现5G范围内RTU设备数据稳定传输，用5G替代基于工业以太网协议的控制网络，使得不受制于某个具体的工业通讯协议。
关键词：5G；Modbus RTU/TCP；工控系统
0． 引言
近年来，随着工业自动化领域的发展，工业现场对网络的可靠性及远距离传输的稳定性新的要求[1]。传统基于串口的工业网关难以满足工业现场的应用。大型企业的生产场景中，经常涉及到跨工厂、跨地域设备维护，远程问题定位等场景，作为新一代移动通信技术，5G技术切合了传统制造企业智能制造转型对无线网络的应用需求，能满足工业环境下设备互联和远程交互应用需求。本文提出一种基于 5G网络设计Modbus RTU/TCP工业应用，可以满足现场总线可靠性和远距离传输的要求。
Modbus是一种串行通信协议，是 Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979 年开发的一项通信协议，在过去几十年已被大量地应用于工业控制领域的开放的、标准的、免费的网络通信协议，是工控领域常用的方式之一[2]。
在工控数据采集传输系统中，网关负责云端与工业设备间的通信。在这个通信采集的过程当中，“网关”分为两个角色，在云端与网关的通信当中，网关充当Modbus Tcp 协议中的从端，而在网关与工业设备的通信当中充当 Modbus RTU 协议中的主端。
1. Modbus TCP与Modbus RTU
Modbus是工业设备之间通信的标准协议。在仪器、仪表上用得更为普遍。不同的设备在遵守Modbus标准之后可以互相通信的目的。串行链路的Modbus分为ASCII和RTU，其中RTU的传输效率高，应用比较广泛。
Modbus RTU由于其采用二进制表现形式以及紧凑数据结构，通信效率较高。而Modbus ASCII由于采用ASCII码传输，并且利用特殊字符作为其字节的开始与结束标识，其传输效率要远远低于Modbus RTU协议，一般只有在通信数据量较小的情况下才考虑使用Modbus ASCII通信协议，在工业现场一般都是采用Modbus RTU协议，一般而言，大家说的基于串口通信的Modbus通信协议都是指Modbus RTU通信协议，而Modbus TCP协议则是在RTU协议上加一个MBAP报文头，由于TCP是基于可靠连接的服务，RTU协议中的CRC校验码就不再需要，所以在Modbus TCP协议中是没有CRC校验码，用一句比较通俗的话说就是：Modbus TCP协议就是Modbus RTU协议在前面加上五个0以及一个6，然后去掉两个CRC校验码字节。
2.5G+ModbusRTU/TCP
随着Modbus TCP和Mobus RTU两协议的普及，设备越来越多，要实现Modbus TCP访问Modbus RTU设备的需求日益增加。Modbus TCP具有自身的优势，因为其可以利用现有的网络、internet等设施，而大批量的Modbus RTU设备已经存在。用一个统一的Modbus TCP客户端软件去访问所有的Modbus设备，统一、集中式管理将大大提高系统的集成度。
Modbus RTU的帧中包含有：地址帧、功能码、数据、CRC校验。而Modbus TCP数据包包含有：MBAP报文头、功能码、数据。必须实现这两种格式的转化。
这里选择MGate?EIP3170为需要连接提供协议转换的网关，将PLC连接到EtherNet / IP网络。 MGate?EIP3000系列产品最多支持8个EtherNet / IP客户端和8个同时EtherNet / IP服务器。 每个客户最多可以发送16个一次提出要求。
硬件连接上：将MGate?EIP3170的串口和Modbus RTU设备连接，网口连接入5G网络。此后Modbus TCP软件即可通过访问RTU的IP地址（一般端口为502）来访问Modbus RTU设备。
在软件上：使用MGate Manager软件，搜索并找到该设备后，进行设备编辑。确认“该设备支持功能”中的Modbus TCP转RTU左边的勾已经选上，表示该设备支持Modbus TCP转RTU。
3. 系统架构
本文以粉尘控制器可以实时采集现场粉尘浓度的值为例,具备一个RS-485（RS-232）通讯口如下图所示，能满足小型粉尘监控系统的要求[3]。粉尘控制器通信协议采用MODBUS RTU协议,本协议规定了应用系统中主机与粉尘控制器之间，在应用层的通信协议。
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物理接口：连接上位机的主通信口，信息传输方式为异步方式，起始位1位，数据位8位，停止位1位，无校验。数据传输缺省速率为9600b/s。
基于5G网络架构如下图所示，其中左边为PLC读取端，配置网关RTU转TCP网关两个，通过CPE发送接收5G信号，经5G核心网实现数据传输。
4. 结论
基础自动化的角度看5G最大的难点是与PLC相关的通讯，受制于专有的工业通讯协议，用5G替代基于工业以太网协议的控制网络，使得不受制于某个具体的工业通讯协议，具有很高的应用价值。
参考文献：
[1]孟碧波.μ4FRTU远动通信规约剖析 [J]. 华中电力. 1995 (04)
[2]李立梅,罗诚.移动通信网络优化系统 [J]. 科技情报开发与经济. 2003 (04)
[3] 董雪．面向5G通信网络传输承载方案探究[J]．黑龙江:黑龙江科学,2019（02）．