Modbus總線(xiàn)控制在智慧工廠中的應(yīng)用

卓曉怡++應(yīng)秋紅++李方園

摘 要：智慧工廠的體系架構(gòu)中，總線(xiàn)控制是其中最常用的一種，該文介紹的Modbus協(xié)議是應(yīng)用于各種工廠控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)闡述Modbus通訊的硬件基礎(chǔ)、變頻器參數(shù)設(shè)置、PLC編程過(guò)程和Commix串口調(diào)試工具，進(jìn)一步細(xì)化了工廠傳動(dòng)控制的數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：智慧工廠 總線(xiàn)控制 Modbus 串口調(diào)試軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（b）-0011-02

智慧工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，它是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)；清楚掌握產(chǎn)銷(xiāo)流程、提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性、減少生產(chǎn)線(xiàn)上人工的干預(yù)、即時(shí)正確地采集生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)計(jì)畫(huà)編排與生產(chǎn)進(jìn)度。

智慧工廠的體系架構(gòu)中，總線(xiàn)控制是其中最常用的一種，該文介紹的Modbus協(xié)議是應(yīng)用于各種工廠控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信，該協(xié)議最早由施耐德公司最先提出，并最終演變?yōu)橐环N國(guó)際通用的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

Modbus協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括變頻器、PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。

Modbus協(xié)議能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種，用戶(hù)選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。ASCII模式，是指以ASCII（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)都作為一個(gè)ASCII碼（兩個(gè)十六進(jìn)制字符）發(fā)送。而RTU模式，則是以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。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)。

1 智慧工廠傳動(dòng)控制的Modbus總線(xiàn)應(yīng)用

1.1 Modbus通訊的硬件基礎(chǔ)

智慧工廠的傳動(dòng)控制，一般是指控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)量的增加、產(chǎn)品質(zhì)量的提高、降低成本、改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度及合理利用能源。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前主要以變頻器為主，這里以V20變頻器與S7-200之間的Modbus RTU通訊為例進(jìn)行說(shuō)明。

對(duì)于要實(shí)現(xiàn)V20變頻器與S7-200之間的Modbus RTU通訊，必須要具備PC/PPI電纜、S7-200、電源模塊、通信電纜、V20驅(qū)動(dòng)裝置和一臺(tái)PC機(jī)。其接線(xiàn)方法如圖1所示。

1.2 變頻器參數(shù)設(shè)置

V20可以通過(guò)選擇連接宏Cn011實(shí)現(xiàn)Modbus RTU控制，也可以通過(guò)直接更改變頻器參數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1.3 PLC編程過(guò)程

首先確認(rèn)S7-200的Modbus Master庫(kù)文件已經(jīng)安裝，同時(shí)了解V20的Mobus協(xié)議中的主要寄存器地址，如表2所示。

在編譯程序之前，選擇“程序塊”->“庫(kù)”右鍵，選擇“庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)”；在點(diǎn)擊“建議地址”選擇V存儲(chǔ)區(qū)的地址后點(diǎn)擊“OK”退出。最后調(diào)用指令進(jìn)行初始化Modbus Master端口。

調(diào)用Modbus RTU主站讀寫(xiě)功能塊MBUS_MSG，發(fā)送一個(gè)Modbus請(qǐng)求。比如寫(xiě)入控制字1和速度實(shí)際值，如圖2所示。

MBUS_MSG_P1指令的參數(shù)說(shuō)明如下：

（1）EN使能：同一時(shí)刻只能有一個(gè)讀寫(xiě)功能（即MBUS_MSG）使能。V20對(duì)于寫(xiě)指令同一時(shí)刻只運(yùn)行對(duì)一個(gè)保持寄存器操作；讀指令同一時(shí)刻最大允許操作125個(gè)保持寄存器。

（2）First讀寫(xiě)請(qǐng)求位：每一個(gè)新的讀寫(xiě)請(qǐng)求必須使用脈沖觸發(fā)。

（3）Slave從站地址：可選擇的范圍1～247。

（4）RW請(qǐng)求方式：0=讀，1=寫(xiě)。

（5）Count數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)通訊的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（位或字的個(gè)數(shù)）。Modbus主站可讀/寫(xiě)的最大數(shù)據(jù)量為120個(gè)字（是指每一個(gè)MBUS_MSG 指令）。

（6）DataPtr數(shù)據(jù)指針：如果是讀指令，讀回的數(shù)據(jù)放到這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中；如果是寫(xiě)指令，要寫(xiě)出的數(shù)據(jù)放到這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中。

（7）Done完成位：讀寫(xiě)功能完成位。

（8）Error錯(cuò)誤代碼：只有在Done位為1時(shí)，錯(cuò)誤代碼才有效。

常用的控制字包括047E（運(yùn)行準(zhǔn)備）、047F（正轉(zhuǎn)啟動(dòng)）、0C7F（反轉(zhuǎn)啟動(dòng)）、04FE（故障確認(rèn)）。

其他更多指令調(diào)用請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

1.4 Commix串口調(diào)試工具

Commix是為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的串口設(shè)備調(diào)試工具，已被很多工控行業(yè)人員使用它能根據(jù)設(shè)備的通訊協(xié)議，方便地生成多種冗余校驗(yàn)如Modbus，并加上結(jié)束符，適用于大多數(shù)串口通訊的工業(yè)設(shè)備。

打開(kāi)串口調(diào)試軟件Commix（此處為中文版1.3），設(shè)置好相應(yīng)通訊數(shù)據(jù)發(fā)送指令觀察反饋信息（如圖3所示）。

發(fā)送和反饋?zhàn)止?jié)說(shuō)明如下：

（1）發(fā)送部分。

02 即從站地址，P2021=2；

03 讀取從站信息；

000a 讀取地址，是16進(jìn)制數(shù)，P1120對(duì)應(yīng)的地址為40011，40011-40001=10轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制數(shù)位000a；

0002讀取位數(shù)為兩位，即讀000a和000b的內(nèi)容，即P1120和P1121參數(shù)的內(nèi)容。

（2）反饋部分。

02 即從站地址，P2021=2；

03 讀取從站信息；

04 讀到4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；

01F4即P1120內(nèi)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制為500，表格內(nèi)比例為100，即變頻器實(shí)際數(shù)字值為5 s。

03E8即P1121內(nèi)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制為1000，即實(shí)際減速時(shí)間為10 s。

由此可見(jiàn)，通過(guò)modbus通訊協(xié)議，能準(zhǔn)確快速讀取變頻器內(nèi)的參數(shù)值。

2 結(jié)語(yǔ)

智慧工廠的發(fā)展，是智能工業(yè)發(fā)展的新方向，其特征體現(xiàn)在制造生產(chǎn)上，最主要的就是可采集與理解外界及自身的資訊，并以之分析判斷及規(guī)劃自身行為，從而使得系統(tǒng)具有自主能力。該文通過(guò)應(yīng)用Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)對(duì)工廠的傳動(dòng)控制如何進(jìn)行硬件架構(gòu)、參數(shù)設(shè)置、軟件編程和調(diào)試進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

參考文獻(xiàn)

[1] 李方園.變頻器控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 李方園.圖解變頻器控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[3] 張宗桐.變頻器應(yīng)用與配套技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.endprint