基于PLC的Modbus通信協(xié)議的實(shí)現

隨著(zhù)3C 技術(shù)迅速發(fā)展, 網(wǎng)絡(luò )集成信息自動(dòng)化正迅速應用到現場(chǎng)設備、控制中, 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統正逐步取代傳統的集散控制系統, 其中Modbus 現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議在基于PLC 的控制系統中得到了越來(lái)越廣泛的應用. 在本系統中, 以PLC 為主機、溫度采集模塊為從機, 完成對生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制、工業(yè)流程及工藝參數的顯示、修改, 根據PLC 的無(wú)協(xié)議通信功能, 用Modbus 現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議實(shí)現主機與從機的通訊。

　　本文基于某監控系統的設計, 實(shí)現了三菱FX2N 系列PLC 在無(wú)協(xié)議通信方式下與DS18b20型數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(guò)程中, 對電爐、電容、冷卻水等100 多點(diǎn)的溫度實(shí)現巡檢。

　　1 系統硬件組成

　　溫度監控部分系統的硬件由DS18b20 型數字溫度傳感器、采集模塊、FX2N 系列PLC、FX2N-485-BD、HITECH 觸摸屏組成, 其結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件組成

　　DS18b20 是世界上首個(gè)支持單線(xiàn)總線(xiàn)接口( 1w ire bus inter face) 的數字化溫度傳感器, 單總線(xiàn)接口便于構建分布式的溫度測控網(wǎng)絡(luò ), 數字化的輸出提高了信號傳輸的可靠性, 而且使外圍電路大為簡(jiǎn)化。 DS18b20 具有很高的適應性和性?xún)r(jià)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(xiàn)制, 本系統使用的傳感器排序方式為指定排序。

　　DS18b20 內部主要有3 個(gè)數字部件: 1 個(gè)溫度傳感器、1 個(gè)64 位的激光刻蝕ROM、9 字節高速暫存器Scratchpad RAM 和3 字節EERAM. ROM 上64 位數據是傳感器的序列號。暫存器確保數據的完整性, 數據先被寫(xiě)入暫存器, 并可以被讀回. 數據經(jīng)校驗后, 可以由拷貝暫存器命令傳輸到EERAM, 以確保更改存儲器時(shí)數據的完整性。暫存器為9 個(gè)字節, 第0 和第1 字節是溫度編碼的低字節和高字節.

　　第2 和第3 字節是溫度編碼的低字節和高字節的拷貝, 第4 字節是配置寄存器, 其值決定溫度轉換的分辨率。

　　本系統采用的STA-D 溫度采集模塊, 是一種遠程數字化溫度采集系統, 有10 個(gè)通道, 每個(gè)通道最多可以?huà)旖?6 個(gè)DS18b20 型數字溫度傳感器,總共可以監控160 個(gè)點(diǎn)的溫度, 以RS485 方式同上位機通訊, 通信協(xié)議為標準Modbus 協(xié)議, 波特率為9 600 bps, 與上位機通信距離最大為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(xiàn)制的485 連線(xiàn)方式( 圖2) ,接線(xiàn)要使用規范的屏蔽線(xiàn)。

圖2 485 連接圖

　　臺灣HITECH 公司觸摸屏PWS 系列是專(zhuān)為PLC 設計的互動(dòng)式工作站, 用232 直接與PLC 連接, 可以直接讀取PLC 的數據寄存器, 具有良好的人機界面, 操作人員通過(guò)它可設置所有參數, 控制系統自動(dòng)運行。并且編程簡(jiǎn)便, 運行穩定, 可設置不同的管理權限, 適合于本系統使用。

　　2 Modbus 協(xié)議

　　標準的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), 即僅一設備( 主設備) 能初始化傳輸( 查詢(xún)) , 其它設備( 從設備) 根據主設備查詢(xún)提供的數據作出相應反應。

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 方式傳送更多的數據。

　　使用RTU 模式時(shí), 消息發(fā)送至少要以3. 5 個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始, 如圖3 的T1- T 2- T 3- T 4 所示。 傳輸的第一個(gè)域是設備地址, 可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制數值。 通信期間, 網(wǎng)絡(luò )設備不斷偵測網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn), 包括停頓間隔時(shí)間內, 當第一個(gè)域( 地址域) 接收到, 每個(gè)設備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。 在最后一個(gè)傳輸字符之后, 至少要有3. 5 個(gè)字符時(shí)間的停頓以標定消息的結束, 之后可開(kāi)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(gè)基于CRC 方法的錯誤檢測域. CRC 域檢測了整個(gè)消息的內容。

圖3 M odbus 消息幀結構

　　CRC 域是兩個(gè)字節, 包含一個(gè)16 位的二進(jìn)制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。 接收設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(shí)現。