基于PLC的Modbus通信協(xié)議的實現(xiàn)

1、摘要：介紹了三菱FX2N 系列PLC 在無協(xié)議通信方式下與基于DS18b20 型數(shù)字溫度傳感器的STA-D 溫度采集模塊以Modbus 協(xié)議通信, 實現(xiàn)即時讀取溫度, 并給出了相關(guān)程序。隨著3C 技術(shù)迅速發(fā)展, 網(wǎng)絡(luò)集成信息自動化正迅速應(yīng)用到現(xiàn)場設(shè)備、控制中, 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng), 其中Modbus 現(xiàn)場總線協(xié)議在基于PLC 的控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用. 在本系統(tǒng)中, 以PLC 為主機(jī)、溫度采集模塊為從機(jī), 完成對生產(chǎn)過程的自動控制、工業(yè)流程及工藝參數(shù)的顯示、修改, 根據(jù)PLC 的無協(xié)議通信功能, 用Modbus 現(xiàn)場總線協(xié)議實現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的通訊。本文基于某監(jiān)

2、控系統(tǒng)的設(shè)計, 實現(xiàn)了三菱FX2N 系列PLC 在無協(xié)議通信方式下與DS18b20型數(shù)字溫度傳感器的采集模塊以Mo dbus 協(xié)議通信, 在電爐熔化工作過程中, 對電爐、電容、冷卻水等100 多點(diǎn)的溫度實現(xiàn)巡檢。1 系統(tǒng)硬件組成溫度監(jiān)控部分系統(tǒng)的硬件由DS18b20 型數(shù)字溫度傳感器、采集模塊、FX2N 系列PLC、FX2N-485-BD、HITECH 觸摸屏組成, 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 系統(tǒng)硬件組成DS18b20 是世界上首個支持單線總線接口( 1w ire bus inter face) 的數(shù)字化溫度傳感器, 單總線接口便于構(gòu)建分布式的溫度測控網(wǎng)絡(luò), 數(shù)字化的輸出提高了信號傳輸?shù)目煽啃?/p>

3、, 而且使外圍電路大為簡化。 DS18b20 具有很高的適應(yīng)性和性價比, 其測溫范圍為- 55 125   , 測溫精度為±0. 5 , 測溫距離最大為200 m , 測溫方式使用3 線制, 本系統(tǒng)使用的傳感器排序方式為指定排序。DS18b20 內(nèi)部主要有3 個數(shù)字部件: 1 個溫度傳感器、1 個64 位的激光刻蝕ROM、9 字節(jié)高速暫存器Scratchpad RAM 和3 字節(jié)EERAM. ROM 上64 位數(shù)據(jù)是傳感器的序列號。暫存器確保數(shù)據(jù)的完整性, 數(shù)據(jù)先被寫入暫存器, 并可以被讀回. 數(shù)據(jù)經(jīng)校驗后, 可以由拷貝暫存器命令傳輸?shù)紼ERAM, 以確保更改存儲器時數(shù)據(jù)的

4、完整性。暫存器為9 個字節(jié), 第0 和第1 字節(jié)是溫度編碼的低字節(jié)和高字節(jié).第2 和第3 字節(jié)是溫度編碼的低字節(jié)和高字節(jié)的拷貝, 第4 字節(jié)是配置寄存器, 其值決定溫度轉(zhuǎn)換的分辨率。本系統(tǒng)采用的STA-D 溫度采集模塊, 是一種遠(yuǎn)程數(shù)字化溫度采集系統(tǒng), 有10 個通道, 每個通道最多可以掛接16 個DS18b20 型數(shù)字溫度傳感器,總共可以監(jiān)控160 個點(diǎn)的溫度, 以RS485 方式同上位機(jī)通訊, 通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Modbus 協(xié)議, 波特率為9 600 bps, 與上位機(jī)通信距離最大為1 200 m, 工作電源為12 24 V, 工作溫度為- 20 75 。 與FX2N?485?BD 采用兩線

5、制的485 連線方式( 圖2) ,接線要使用規(guī)范的屏蔽線。圖2 485 連接圖臺灣HITECH 公司觸摸屏PWS 系列是專為PLC 設(shè)計的互動式工作站, 用232 直接與PLC 連接, 可以直接讀取PLC 的數(shù)據(jù)寄存器, 具有良好的人機(jī)界面, 操作人員通過它可設(shè)置所有參數(shù), 控制系統(tǒng)自動運(yùn)行。并且編程簡便, 運(yùn)行穩(wěn)定, 可設(shè)置不同的管理權(quán)限, 適合于本系統(tǒng)使用。2 Modbus 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的Modbus 口是使用RS?232C 兼容串行接口, 它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗, 控制器能直接或經(jīng)由Mo dem 組網(wǎng). 控制器通信使用主! 從技術(shù), 即僅一設(shè)備( 主設(shè)備)

6、能初始化傳輸( 查詢) , 其它設(shè)備( 從設(shè)備) 根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。表1 Modbus 部分功能碼定義Modbus 通訊協(xié)議有兩種傳送方式? RT U 方式和ASCII 方式。 本系統(tǒng)使用RTU 模式, 這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是: 在同樣的波特率下, 可比ASCII 方式傳送更多的數(shù)據(jù)。使用RTU 模式時, 消息發(fā)送至少要以3. 5 個字符時間的停頓間隔開始, 如圖3 的T1- T 2- T 3- T 4 所示。 傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址, 可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制數(shù)值。 通信期間, 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線, 包括停頓間隔時間內(nèi), 當(dāng)?shù)谝粋€域( 地址域) 接收到, 每個設(shè)

7、備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。 在最后一個傳輸字符之后, 至少要有3. 5 個字符時間的停頓以標(biāo)定消息的結(jié)束, 之后可開始新的消息傳輸。典型的消息幀如圖3 所示。 使用RT U 模式, 消息包括了一個基于CRC 方法的錯誤檢測域. CRC 域檢測了整個消息的內(nèi)容。圖3 M odbus 消息幀結(jié)構(gòu)CRC 域是兩個字節(jié), 包含一個16 位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。 接收設(shè)備重新計算收到消息的CRC, 并與接收到的CRC 域中的值比較, 如果兩值不同, 則有誤, 后面將具體講述CRC 算法的實現(xiàn)。3  系統(tǒng)軟件構(gòu)成考慮到操作的方便性, 在系統(tǒng)初次安裝時, 先在PC 機(jī)

8、上用上位機(jī)軟件將所有傳感器的ID 搜索出來, 然后按實際安裝位置給每個傳感器編號, 讀溫度測試傳感器是否工作正常。在PLC 上使用Mo dbus協(xié)議通信時首先要對通信格式進(jìn)行設(shè)定, 即對D8120 寄存器進(jìn)行寫操作, 在本系統(tǒng)條件下設(shè)置為0C87 , 即數(shù)據(jù)長度為8 位, 無校驗, 無起始位與停止位, 波特率9 600 bps。 修改D8120 設(shè)置后, 確保通斷PLC 電源一次。 再用RS 指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸, 相關(guān)程序格式如圖4 所示。圖4 RS 指令程序格式按照上述程序格式, 即可在數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)寫入指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。1) 讀取溫度, 其指令格式: 設(shè)備地址 命令號 通道號 傳感器編號 讀

9、取個數(shù)高8 位 低8位 CRC 低8 位 CRC 高8 位 , 其中CRC 校驗字節(jié)以子程序形式調(diào)用. 設(shè)備響應(yīng): 設(shè)備地址 命令號 返回的字節(jié)個數(shù) 數(shù)據(jù)1 數(shù)據(jù)2 . . . 數(shù)據(jù)n CRC 低8 位 CRC 高8 位 。每個18b20 讀取溫度的返回值占用兩個字節(jié).轉(zhuǎn)換方法: 將實際溫度擴(kuò)大100 倍, 再將此數(shù)值分為兩個字節(jié)傳送出來即可. 例如, 實測出來溫度是28.65 , 擴(kuò)大100 倍即2 865, 則發(fā)送的第一個字節(jié)是2 865/ 256 即是11, 第二個字節(jié)是2 865% 256 即49, 那么傳送的兩個字節(jié)為0×0B 和0×31。需要注意的是, 由于采用

10、兩線制的485 連線方式, 會產(chǎn)生回波通信, 即接收端會先接收到自己發(fā)送出去的數(shù)據(jù), 但數(shù)據(jù)還是會正常發(fā)送給采集模塊, 此時接收端則應(yīng)該避開前面的無用數(shù)據(jù), 接收后面模塊響應(yīng)的有效數(shù)據(jù)。2) 在系統(tǒng)運(yùn)行后, 若需更換傳感器, 則需執(zhí)行以下兩條指令, 首先, 搜索ID, 01 06 0c 00 00 00 CRC 低 CRC 高 , 此指令為搜索模塊1上各個通道的所有傳感器。 然后寫編號, 例如: 01 06 09 05 00 05 CRC 低 CRC 高 , 表示將第9 通道的原來編號為05 的傳感器更換后重新設(shè)定為05, 執(zhí)行此兩條指令后, 方可重新讀取溫度。3) CRC 校驗字節(jié)的生成是比

11、較關(guān)鍵的一步,其過程比較復(fù)雜, 步驟如下:預(yù)置一個16 位CRC 寄存器為十六進(jìn)制FFFF, 即所有數(shù)位均為1。該16 位寄存器的低8 位字節(jié)與信息幀的第一個字節(jié)的低8 位進(jìn)行& 異或?運(yùn)算. 運(yùn)算結(jié)果放入這個16 位寄存器。 把這個16 寄存器向右移一位, 用0 填補(bǔ)高位。若向右( 標(biāo)記位) 移出的數(shù)位是1, 則生成多項式A001( 1010000000000001) 和這個寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算; 若向右移出的數(shù)位是0, 則返回。重復(fù) 和, 直至移出8 位。重復(fù) , 直至該報文所有字節(jié)均與16 位寄存器進(jìn)行& 異或?運(yùn)算, 并移位8 次。將得到的l6 位CRC 寄存器的高、低位字節(jié)進(jìn)行, 即2 字節(jié)CRC, 加到報文。其程序流程如圖5, 以上面的溫度讀取指令為例, 其CRC 校驗梯形圖如圖6。圖5  CRC 校驗流程圖6 CRC 校驗程序在讀取溫度時, 應(yīng)嚴(yán)格遵守DS18b20 的讀寫時序, 否則就會出現(xiàn)錯誤, 丟幀等, 若用脈沖信號定時讀取, 則間隔應(yīng)不小于100 ms. 一般出現(xiàn)錯誤幀時數(shù)據(jù)顯示為0, 此時可以進(jìn)行簡單的濾波, 例如傳回值為0 時不顯示數(shù)據(jù), 或者多組數(shù)據(jù)取平均值后再顯示, 以避免溫度顯示的大幅度跳動。 DS18b20的初始化溫度顯示為85, 若一直不變, 則此傳感器可能已經(jīng)損壞或是接線不良,