毕业设计论文基于Modbus的上位机通讯.doc
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1、第一章 绪论1第二章 基于Modbus总线控制的上位机通信的总体框架2第三章 基于Modbus总线控制的上位机通信的硬件设计33.1 气动回路图33.2 主控制电路图43.3 PLC控制电路图53.4 上位机与PLC的连接图63.5 PLC与变频器的网络接线6第四章 基于Modbus总线控制的上位机通信的软件设计74.1 Modbus通信74.1.1 Modbus通信协议介绍74.1.2 变频器的Modbus RUT通信84.1.2.1 Modbus通信协议描述84.1.2.2 变频器的Modbus RTU通信的实现124.2 三菱FX系列PLC编程口通信协议174.2.1 编程口RS-422
2、接口的介绍174.2.2 基于三菱Fx PLC编程口的通信174.3 上位机的VB监控系统的设计224.3.1 VB介绍224.3.2 制作流254.3.3 监控系统的界面设计264.3.4 监控系统的代码设计29总结35参考文献36致谢3737第一章 绪论PLC足专为工业控制而设计的专用计算机,其体积小,具有高可靠性和很强的抗干扰能力,配置灵活和完善的功能,因此在工业控制系统中得到了广泛的使用。随着工业自动化程度的提高,对PLC的应用提出了更高的要求:更快的处理速度,更高的可靠性,控制与管理功能一体化,控制与管理一体化也就足将计算机信息处理技术,网络通信技术应用于PLC,使用用下位分散控制,
3、用计算机提供图形显示界面,同时对下拉机进行监控。所以通常采用计算机PC与PLC组成一个完整的监控系统。随着工业自动化技术的不断发展,在工业控制中,交流电机的拖动越来越多地采用变频器完成,而变频器也不仅仅作为一个单独的执行机构,而是随着其不断的智能化,可以同主机之间通过一定的通信方式结合成一个有机的整体。 虽然变频器广泛用于各行各业,但因其显示面板简单,且在对数据的处理、计算、保存等方面存在弱点,在一定程度上影响了变频器在复杂控制系统中的应用,不过通信技术与变频器相结合可以弥补这些缺点,可以利用PLC与变频器之间的通讯功能实现远程控制,采用RS485通信接口,使用MODBUS协议实现,对交流电机
4、的拖动进行控制,这是一种低成本的联接方案,可以极大地减少线路联接的复杂性,避免现场可能的各种电磁干扰对控制设备的影响。同时增强了变频器对数据处理,故障报警等方面的功能。第二章 基于Modbus总线控制的上位机通信的总体框架计算机通过三菱Fx系列PLC的程序下载线连接至PLC,PLC上 的485通信板连接到变频器的PU接头,这样,计算机与PLC,PLC与变频器就得以通信。 PLC和变频器通过输出给外部设备进而控制外部设备的运行。如图2-1图2-1第三章 基于Modbus总线控制的上位机通信的硬件设计硬件结构包括了气动回路、主控制电路、PLC控制电路、上位机与PLC的接线图。3.1 气动回路图气动
5、回路:为送料缸,推料缸,龙门机械手提供动力能源。如图3-1所示。图 3-13.2 主控制电路图主电路:为整流变压模块,变频器,异步电动机,PLC等提供工作电源。如图3.2所示。图3-23.3 PLC控制电路图 即PLC的IO接线,接收外部信号,并将信息经过CPU处理运算后经由输出口控制电磁换向阀,指示灯,变频器。如图3-3所示。图 3-33.4 上位机与PLC的连接图 计算机与PLC连接时是用计算机的9针串口,而PLC编程是8针圆头的接口,这里就需要做一个转换。其接线图如3-4图:图3-43.5 PLC与变频器的网络接线PLC与变频器的网络通信,PLC端是用485通信板,而变频器端则是PU接口
6、,接线图3.5:图 3-5第四章 基于Modbus总线控制的上位机通信的软件设计4.1 Modbus通信Modbus应用层协议由美国Modicon公司(现为施耐德电气旗下品牌)于1979年开发的,用于实现其PLC产品与上位机的通信。由于其简单易用,得到了广大工业自动化仪器仪表企业的采纳与支持,实际上已成为了业界标准,我国标准化委员会已将Modbus协议作为我国工业自动化的行业标准,分别制定了GB/Z19582.1-2004(Modbus应用层协议),GB/Z19582.2-2004(串行链路上的Modbus)和GB/Z19582.3-2004(Modbus-TCP)三个标准。Modbus应用层
7、协议位于OSI模型中的第七层,将它嵌入到不同的低层协议中形成了三种具体的通信方式:Modbus串行链路、Modbus-Plus和Modbus-TCP,三种通信网络上的设备可以通过网关来达到数据交换的目的。这些年来以太网的繁荣壮大使得将Modbus协议嵌入到TCP/IP协议中实现Modbus设备间的通信非常必要,鉴于此,1999年施奈德电气发布了Modbus-TCP协议,使得以太网上的Modbus设备可以通过502端口进行通信。 4.1.1 Modbus通信协议介绍Modbus是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议,它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。Modbus协议
8、是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通讯。它己经成为一通用工业标准。Modbus协议是一种在工业领域被广为应用的真正开放、标准的网络通讯协议,被大部分SCADA(Supervisor Control And Data Acquisition数据采集与监视控制系统)HMI(Human Machine Interface人机界面)软件支持,所以它实际上己经成为一种通用的工业标准。有了它不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通讯的。它描述了
9、一控制器请求访问其它设备的过程,如果回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一Modbus网络上通讯时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包的结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。Modbus有两种传输模式,一种是ASCII模式,另一种是RTU模式。当控制器设为在Modbus网络上以ASCI工(美国标准信息交换代码)模式通讯,在消息
10、中的每个s字节都作为两个ASCI工字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。本文以RUT模式为例说明。4.1.2 变频器的Modbus RUT通信这里所使用的变频器是三菱公司的FR-D700系列,4.1.2.1 Modbus通信协议描述1、Modbus通信协议 Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU)。特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元(ADU)上引入一些附加域。 图图4-1启动Modbus事务处理的客户机创建Modbus应用单元。功能码向服务指示将执行哪各操作。 Modbus协议建立了客户机启动的请求格式。 用
11、一个字节编码Modbus数据单元功能码域。有效的码字范围是十进制1-255(128255为异常响应保留)。当从客户机向服务器设备发送报文时,功能码域通知服务器执行哪种操作。 向一些功能码加入子功能码来定义多项操作。 从客户机向服务器设备发送的报文数据域包括附加信息,服务器使用这个信息执行功能码定义的操作。这个域还包括离散项目和寄存器地址、处理项目数量以及域中的实际数据字节数。 在某种请求中,数据域可是不存在的(0长度),在此情况下服务器不需要任何附加信息。功能码仅说明操作。 如果在一个正确接收的Modbus ADU中,不出现与请求Modbus功能有关的差错,那么服务器至客户机的响应数据域包括请
12、求数据。如果出现与请求Modbus功能有关的差错,那么域包括一个异常码。服务器应用能够使用这个域确定下一个执行的操作。 例如。客户机能够读一组离散量输出或输入的开/关状态,或者客户机能够读/写一组寄存器的数据内容。 当服务器对客户响应时,它使用功能码域来指示正常(无差错)响应或者出现某种差错(称为异常响应)。对于一个正常响应来说,服务器仅原始功能码响应。图4-2Modbus事务处理(无差错)对于异常响应,服务器返回一个与原始功能码等同的码,设置该原始功能码的最高有效位为逻辑1.图4-3 Modbus事务处理(异常响应)2、Modbus主站/从站协议原理 Modbus串行链路协议是一个主从协议。
13、在同一时刻,只有一个主节点连接于总线,一个或多个子节点(最大编号为247)连接于同一个串行总线。Modbus通信总是由主节点发起。子节点在没有收到来主节点的请求时,从不会发送数据,子节点之间从不会互相通信。主节点在同一时刻 只会发起一个Modbus事务处理。主节点以两但种模式对子节点发出Modbus请求: 在单播模式,主节点以特定地址访问某子节点,子节点接到并处理完请求后,子节点向主节点返回一个报文(一个应答)。 在这个模式,一个Modbus事务处理包含2个报文:一个来自主节点的请求,一个来自子节点的应答。每个子节点必须有唯一的地址(1到247),这样才能区别于其它节点被猪瘟独立的寻址。 在广
14、播模式,主节点向所有子节点以送请求。 对于主节点广播的请求没有应答返回,广播请求一般用于写命令。所有设备必须接受广播模式的写功能。地址0是专门用于表示广播数据的。本文以单播模式为例。图4-4 单播模式图4-5广播模式3、 CRC16校验 在RTU 模式包含一个对全部报文内容执行的,基于循环冗余校验 (CRC - Cyclical RedundancyChecking) 算法的错误检验域。CRC 域检验整个报文的内容。不管报文有无奇偶校验,均执行此检验。 CRC 包含由两个8 位字节组成的一个16 位值。 CRC 域作为报文的最后的域附加在报文之后。计算后,首先附加低字节,然后是高字节。CRC高
15、字节为报文发送的最后一个子节。 附加在报文后面的CRC 的值由发送设备计算。接收设备在接收报文时重新计算CRC 的值,并将计算结果于实际接收到的CRC 值相比较。如果两个值不相等,则为错误。 CRC 的计算, 开始对一个16 位寄存器预装全1。然后将报文中的连续的8 位子节对其进行后续的计算。只有字符中的8个数据位参与生成CRC 的运算,起始位,停止位和校验位不参与CRC计算。 CRC 的生成过程中, 每个 8位字符与寄存器中的值异或。然后结果向最低有效位(LSB)方向移动(Shift) 1位,而最高有效位(MSB)位置充零。然后提取并检查LSB:如果LSB 为1, 则寄存器中的值与一个固定的
16、预置值异或;如果LSB 为 0, 则不进行异或操作。 这个过程将重复直到执行完8 次移位。完成最后一次(第8 次)移位及相关操作后,下一个8位字节与寄存器的当前值异或,然后又同上面描述过的一样重复8 次。当所有报文中子节都运算之后得到的寄存器忠的最终值,就是CRC。 当 CRC 附加在报文之后时,首先附加低字节,然后是高字节。4.1.2.2 变频器的Modbus RTU通信的实现1 关于协议l 通信方法 基本的通讯方法是主设备发送Query message (查询),然后从设备回复Response message (应答)。正常通讯时会原样复制Device Address和Function C
17、ode,异常通讯(功能代码、数据代码错误)时将FunctionCode的第7位(80 h)设置为ON,Data Bytes设置为错误代码。图4-6信息帧由上表所示的4个信息区域构成。通过在信息数据的前后附加3.5个字符的无数据时间(T1:起始完成),从设备会识别为1个信息。2 信息格式类型l 保持寄存器的数据读取(H03或03) 查询信息(Query message) 从设备地址 功能代码起始地址 读取个数 CRC 检验(8bit) H03 (8bit) H(8bit) L(8bit) H(8bit) L(8bit) L(8bit) H(8bit)正常应答(Response message)从
18、设备地址功能代码 读取个数*2 读取数据 CRC 校验(8bit)H03(8bit)(8bit)(8bit)(8bit)(n16bit)(8bit)(8bit)l 保持寄存器的数据写入(H06或06) 查询信息(Query message)从设备地址 功能代码寄存器地址写入数据 CRC 检验(8bit) H03 (8bit) H(8bit) L(8bit) H(8bit) L(8bit) L(8bit) H(8bit)正常应答(Response message)从设备地址 功能代码寄存器地址写入数据 CRC 检验(8bit) H03 (8bit) H(8bit) L(8bit) H(8bit)
19、 L(8bit) L(8bit) H(8bit)注:由于广播通讯时即使执行了查询也不会有应答,所以在进行下一个查询时,必须在执行完前一个查询后,等待变频器进行处理所需的时间后再进行。l 地址 H03功能代码 寄存器内 容单位读取/写入40201 输出频率转速 0.01Hz1读取40202输出电流 0.01A读取40203 输出电压0.1V读取H06功能代码寄存器内 容单位读取/写入40205 频率设定值转速设定值 0.01Hz0.001写入40015运行频率(EEPROM值)H00 停止H02 正转H04 反转写入注:请求PDU说明了起始寄存器地址和寄存器数量。从零开始寻址寄存器。因此,寻址寄
20、存器1-16 为0-15。变频器参数设置参数编号名 称设定值设定范围内 容79运行模式选择60外部PU切换模式1固定为PU运行模式2可以在外部、网络模式间切换运行3外部PU组合运行模式14外部PU组合运行模式26网络模式7外部运行模式(PU运行互锁)117PU通讯站号10广播通讯1247变频器站号指定1台控制器连接多台变频器时要设定变频器的站号。118PU通讯速率19248、96、192、348通讯速率设定值100为通讯速率。例)设定为96时通讯速率为9600bps119PU通讯停止位长10停止位数据长度1Bit8Bit12Bit101Bit7Bit112Bit120 PU通讯奇偶校验20无奇
21、偶校验1奇校验2偶校验121PU通讯再试次数9999010发生数据接收错误时的再试次数容许值。连续发生错误次数超过容许值时,变频器将跳闸9999即使发生通讯错误变频器也不会跳闸122U通讯校验时间间隔99990可进行RS-485通讯。但,有操作权的运行模式启动的瞬间将发生通讯错误(E.PUE)0.1999.8通讯校验(断线检测)时间的间隔无通讯状态超过容许时间以上时,变频器将跳闸。(根据Pr.502 的设定)。9999不进行通讯校验(断线检测)123PU通讯等待时间设定99990150ms设定向变频器发出数据后信息返回的等待时间9999用通讯数据进行设定124PU通讯有无CR/LF选择00无C
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