毕业论文 基于modbus的plc与上位机的通信

【专家解说】：1  引言 随着微电子技术和计算机技术的进步,可编程控制器以其可靠性高、抗干扰强、开发周期短，已经成为一种较为普及的、适应多种应用环境的工业控制器。现已从最初的简单顺序控制、逻辑控制发展到可进行模拟量控制、位置控制，特别是PLC与PLC、PLC与计算机通信功能的实现，可组成多级控制系统，形成工厂自动化网络。PLC可以多种方式如直接采用现有的组态监控软件与上位监控机通信，但针对小规模的控制系统，找到一种高性价比的通信方法，具有积极的实际意义。本文就是讨论如何利用Modbus通信协议来实现施耐德电器公司的NanoPLC与上位监控PC机的通信。2  硬件描述及串口设置 2.1 接口电路设计 PLC与PC间实现通信，可使二者互补功能上的不足，PLC用于控制方面既方便又可靠，而PC机在图形显示、数据处理、打印报表以及中文显示等方面有很强的功能。因此，各PLC制造厂家纷纷开发了适用于本公司的各种型号PLC机通信的接口模块，不同的通信方式，有着不同的成本价格和不同的适用范围。NanoPLC的CPU单元本身带有1个RS-485扩展口,可不配备专用通讯模块，而通过此接口与上位机进行串行通信。在此介绍一种通过PLC的RS485扩展口与PC机的RS-232串行口进行通信的方法。 由于NanoPLC的扩展口采用RS-485标准，RS485是RS422的变型。RS422为全双工，可同时发送与接收;RS485则为半双工，在某一时刻，1个发送另1个接收。RS485是一种多发送器的电路标准，允许双导线上1个发送器驱动32个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器。而计算机的串行口采用RS-232标准。因此，作为实现PLC与计算机通信的接口电路，必须将RS-485标准转换成RS-232标准。我们利用SC-485转换器实现RS485与RS232之间的转换。转换电路如图1所示。图1   RS485与RS232转换电路图2.2  PLC串行口设置 施耐德的NanoPLC对通信参数的设置通过设置扩展口来实现，系统采用PC 机作为Modbus通信网络主站，NanoPLC作为从站。通信格式设置如下:波特率4800bps，图2   PLC串行口设置8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。如图2所示。 2.3 PC机的串口初始化 在微机数据通信中,经常使用大规模集成串行接口电路芯片,它们的种类和型号很多,如UART、USRT、USART等。能完成异步通信的硬件电路称为UART。作为可编程的异步串行通信芯片UART，应根据协议的要求对其初始化。可编程串行异步通信控制器8250是IBM PC串行通信控制器I/O接口电路的核心，通过对8250的编程，可以控制串行数据传送格式和速度。PC机有2个串行通信接口COM1和COM2。若选COM1，则8250各寄存器地址为3F8H~3FEH;选COM2，则8250各寄存器地址为2F8H~2FEH。这里介绍用Tubro C直接对PC机中的UART 8250中各寄存器进行初始化。本例采用COM2口,初始化如下: outportb(0x2fb,0x80);   outportb(0x2f8,0x18); outportb(0x2f9,0x0); outportb(0x2fb,0x1b);   outportb(0x2f9,0x0); outportb(0x2fc,0x3);3  软件描述 3.1系统通信协议 NanoPLC采用Modbus通信协议。任何根据此通信协议进行通信的主、从机之间进行数据信息交换时，信息格式都必须遵守通信协议所规定的格式。Modbus的数据交换模式有2种，1种为ASCII编码制，1种为RTU编码制。本例采用RTU码传输模式，它包括一些特殊标志码、PLC站号、呼叫字和校验码等，其数据帧格式如附表。(1) 帧开始:数据帧以至少3.5个字符间隔时间(T1-T2-T3-T4)标志开始和结束。整个信息帧必须以连续的信号进行传输，从而保证CRC的校验正确。 (2) 从站地址:1个字节。各从站识别码，站号取值范围01H-F7H，共有247种不同站。但Nano系列PLC通讯网络最多允许32个从站。 (3) 功能号:1个字节。表示主站对从站的各种操作工作，主机发功能号给从机，如果从机响应正常，则回送相同的功能码;如有错误发生，则将原功能码符号位置“1”后回送，并将错误代码写入数据区回送。各功能号具体功能如下: 01或02:读n个内部位%Mi 03或04:读n个内部字%Mwi 05:写1个内部位%Mi 06:写1个内部字%Mwi 15:写n个内部位% Mi 16:写n个内部字%Mwi (4) 数据区:数据区由一串2位16进制数据组成，从00-FFH。如果通信正确，数据区存放PLC回应上位机的信息;如发送数据有误，则返回异常代码。 NanoPLC处理的2种异常代码: *01:功能未知(PLC不支持的请求) 如发送: 01H 16H 00H 00H FFH 00H 09H F9H   返回: 01H 96H 01H 8EH 60H *03:无效数据(位或字的数据错误，如写位时数据既非16#FF00，又非16#0000) 如发送:01H 05H 00H 00H 03H 06H 4DH 38H   返回:01H 85H 03H 02H 91H (5) 校验码:2个字节。采用CRC循环冗余码。它的基本原理是将一段信息看成一个很长的二进制数，然后用一个特定的数(如11021H)去除它，最后将余数作为校验码附在信息代码之后一起传送(或存储)，在进行接收(或读出)时进行同样的处理，如有差错就可发现。需特别注意的是，如果发送信息中的CRC校验码计算错误，则通信不能成功。3  按通信协议编程 根据Modbus通信协议，主、从机之间的通信过程应为:先由PC机(主站)按协议格式发出命令帧，PLC(从站)用响应帧应答，PC机接收响应帧并对其内容作出判断、处理。 3.1 命令帧的形成 (1) 读PLC1个内部位(以％M7０为例)3.2 通信过程 采用Tubro C编写主机与PLC的通信程序。首先必须对COM2口进行初始化，前面已经述及。PC机通过串行接口与PLC进行通信时，首先由PC机发出命令帧给PLC(发送过程)，然后PLC将立即作出响应，PC机同时接收响应帧(接收过程)，所有的通信均由PC机来启动和接收，PLC方无需编制通信程序。所以在PC机的通信应用程序中，在需要与PLC交换数据时，先调用发送命令帧子程序，随后调用接收响应帧子程序，并对响应帧进行处理。将8250各寄存器初始化后，就可以通过读取并判断状态寄存器(2FDH)中的D5位(发送保持寄存器空)是否为1，来决定是否将要发送的数据写入发送保持寄存器(2F8H)，发送数据的子程序流程图如图3所示，为了避免PC机出现死循环，在进入循环之前，先读取一个时间T1，进入循环后，每循环一次读一次当时的时间T2，并判断此T2与T1两时间的差，如超过2s，则不再读取状态，而显示超时出错并退出。在接收数据子程序中，通过读取并判断状态寄存器(2FDH)中的D0位(接收数据就绪)是否为1，来决定是否从接收数据寄存器(2F8H)读取一帧接收的数据。同样，为了避免出现死循环，设置了超时出错处理，接收数据子程序的流程图如图4所示。图3   发送数据子程序的流程图    图4   接收数据子程序的流程图PC机发送1帧数据的C语言子程序(子函数)如下: unsigned char fasong(char data )   {     T1=time(NULL);       While(1)         {T2=time(NULL);         if(difftime(T2-T1)>=2.00)            {              printf("over time in fasong( ) ");              exit(0);             }          st=inportb(0x2fd);          if((st&0x20)!=0)            {              outportb(0x2f8,data);              break;             }          else continue;         }    }   PC机接收1帧数据C语言子程序(子函数)如下:     unsigned char jieshou(char data )   {     T1=time(NULL);       While(1)         {T2=time(NULL);         if(difftime(T2-T1)>=2.00)            {              printf("over time in jieshou( ) ");              exit(0);             }          st=inportb(0x2fd);          if((st&0x01)!=0)            {              head=inportb(0x2f8);              break;             }          }      return(head);    }                  4  结束语 用以上方法设计的通信软件在现场控制系统已经得到了可靠运行，显示出较好的实用性。