1、引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化的重要技術(shù)。許多自動(dòng)化公司都開(kāi)發(fā)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，例如Profibus，LonWorks，Modbus等，Profibus，LonWorks總線功能強(qiáng)，可靠性高，但同時(shí)價(jià)格也比較昂貴，比較適用于大中型控制系統(tǒng)。而基于RS485接口的Modbus通訊協(xié)議較適用于小型控制系統(tǒng)或單機(jī)控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)低成本，高性能的主從式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控提供了可能。

Modbus協(xié)議是MODICON公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，它符合OSI標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議集中數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議，但做了簡(jiǎn)化處理。由于其功能比較完善而且使用簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)易于處理，協(xié)議開(kāi)放，因而在各種智能設(shè)備中被廣泛采用。

2、應(yīng)用背景

圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在紙張抄造的過(guò)程中，成紙的均勻度取決于纖維在流漿箱中的分散程度和流漿箱唇板開(kāi)口的均勻度。在車速超過(guò)250米／分的紙機(jī)上，必須配備氣墊式流漿箱，其主要控制參數(shù)是總壓、漿位和漿速/網(wǎng)速比。控制總壓的目的是為了使從流漿箱流送到網(wǎng)上的紙漿流量和流速均勻穩(wěn)定，控制漿位的目的是為了獲得適當(dāng)?shù)募垵{流域，以減少橫流和濃度的變化。產(chǎn)生和保持可控的喘流以限制纖維的絮聚。由于流漿箱控制系統(tǒng)為強(qiáng)耦合系統(tǒng)，在總壓調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)影響漿位，而在漿位調(diào)節(jié)時(shí)又會(huì)影響總壓，若處理不當(dāng)會(huì)引起振蕩，或持續(xù)性的波動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響抄紙質(zhì)量，故需要解耦控制。

流漿箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中控制器選用ABBAC3150系列PLC，由于解耦控制算法在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)流漿箱控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性有一定要求，這樣就需要高性能，低成本的通訊總線來(lái)完成上位機(jī)與PLC的快速數(shù)據(jù)交換。

ABBAC3150系列PLC具有兩個(gè)串行通訊端口COM1和COM2。COM1具有Modbus、ASCII和Programming三種模式，通常診斷和下載程序用COM1；COM2具有CS31和Modbus兩種模式，現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)與PLC通訊時(shí)使用COM2的Modbus模式，其最高通訊速度可達(dá)187.5K，實(shí)際使用時(shí)采用了57.6K的通訊速度。

3、Modbus通訊協(xié)議介紹

作為現(xiàn)代自控系統(tǒng)中常用的協(xié)議之一，Modbus采用主從應(yīng)答方式，即只有一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)能主動(dòng)發(fā)送詢問(wèn)信息，其它設(shè)備都是作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)的命令或?qū)⑺璧男畔⒎祷刂林鳈C(jī)。該協(xié)議支持在串行總線上有一個(gè)主機(jī)和247個(gè)從機(jī)，每個(gè)從機(jī)具有唯一的地址。讀取或?qū)懭胄畔⒊髲臋C(jī)地址外，還需要數(shù)據(jù)寄存器的地址。Modbus協(xié)議可使用兩種模式進(jìn)行通訊：ASCII和RTU，這兩種模式在報(bào)文結(jié)構(gòu)、功能命令上是相同的，僅幀信息的表示方法不同而已。它們的區(qū)別是：采用RTU模式通訊時(shí)，信息是以8位二進(jìn)制方式傳輸?shù)模捎肁SCII時(shí)，信息是以字符為基本單位傳輸?shù)模總€(gè)字符都用ASCII碼表示。ASCII的優(yōu)點(diǎn)是通用性好，讀取容易。但在相同傳輸速率下，RTU模式比ASCII模式傳輸效率提高一倍。本文將介紹RTU模式通訊的實(shí)現(xiàn)方法。

Modbus幀格式由地址、功能碼、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)碼組成，數(shù)據(jù)段內(nèi)容根據(jù)主－從或從－主關(guān)系可包括寄存器起始地址、寄存器數(shù)、數(shù)據(jù)位，格式如下：

每一幀數(shù)據(jù)以至少3.5個(gè)字符的間隔時(shí)間（T1-T2-T3-T4）標(biāo)志開(kāi)始和結(jié)束，整個(gè)信息幀必須以連續(xù)的信息流進(jìn)行傳輸，從而保證CRC校驗(yàn)的正確。其中：

地址為8位，從機(jī)的有效地址范圍是0-247，其中0是廣播地址。

功能碼為8位，有效編碼為1-255。

數(shù)據(jù)段可由多組數(shù)據(jù)組成，主要包括從機(jī)要完成功能碼功能所需的附加信息。

CRC為此幀數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，用于保證整幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

4、上位機(jī)與PLC通訊的具體實(shí)現(xiàn)

圖2定時(shí)器程序流程

作為Modbus主機(jī)的上位機(jī)通過(guò)Modbus通信協(xié)議可以訪問(wèn)從機(jī)ABBAC3150系列PLC里所有類型的輸入、輸出、內(nèi)部及常量數(shù)據(jù)。但是為使上位機(jī)更高效地讀取PLC中的數(shù)據(jù)，需要將要讀取的數(shù)據(jù)合理安排，這里我們將上位機(jī)需要訪問(wèn)的所有輸入、輸出、內(nèi)部字或位數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換都在PLC中以一定順序按地址連續(xù)地存放在內(nèi)部字存儲(chǔ)區(qū)中，以便上位機(jī)每次只用一條讀請(qǐng)求命令讀取此塊內(nèi)部字存儲(chǔ)區(qū)，即可獲取所需的全部PLC數(shù)據(jù)。這樣可以顯著的提高通訊效率，同時(shí)簡(jiǎn)化上位機(jī)程序。我們將讀請(qǐng)求命令存在QueryData數(shù)組中，如下：

［next］

DimQueryData（1to8）AsByte

QueryData（1）=（&H1）‘PLC地址為1

QueryData（2）=（&H3）‘功能碼為3，讀取n個(gè)數(shù)據(jù)

QueryData（3）=（&H2E）‘?dāng)?shù)據(jù)地址為2E60

QueryData（4）=（&H60）

QueryData（5）=（&H0）‘?dāng)?shù)據(jù)個(gè)數(shù)為81個(gè)

QueryData（6）=（&H51）

QueryData（7）=（&H8D）‘校驗(yàn)碼

QueryData（8）=（&H0）

將QueryData數(shù)組通過(guò)MSComm控件發(fā)送給PLC，這樣PLC就會(huì)將其所需的全部數(shù)據(jù)（從PLC地址2E60開(kāi)始到2EB0結(jié)束的81個(gè)地址連續(xù)的數(shù)據(jù)）一次返回給上位機(jī)。

由于Modbus協(xié)議采用主從應(yīng)答方式，即上位機(jī)程序中需要定時(shí)或循環(huán)發(fā)送讀取PLC數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)請(qǐng)求命令，而PLC對(duì)收到的每一條請(qǐng)求命令按協(xié)議規(guī)則進(jìn)行回應(yīng)。如此一應(yīng)一答循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制命令的發(fā)送。同時(shí)為了避免讀寫(xiě)沖突，要控制每?jī)蓷l請(qǐng)求命令發(fā)送的時(shí)間間隔。下面這段程序簡(jiǎn)單的說(shuō)明了讀、寫(xiě)命令發(fā)送是如何控制的：

While（1）

DoEvents

IfbNeedToWriteNewDataThen

‘寫(xiě)命令

MSComm1.Output=SetData

TimeDelay（100）‘延時(shí)100毫秒

ReceiveData=MSComm1.Input

bNeedSendNewData=False

Else

‘讀命令

MSComm1.Output=QueryData

TimeDelay（100）‘延時(shí)100毫秒

ReceiveData=MSComm1.Input

buf=ReceiveData

‘處理、轉(zhuǎn)換

CallPrecessPLCData（buf）

EndIf

Wend

實(shí)際應(yīng)用中采用定時(shí)讀寫(xiě)的方式，流程如圖2所示。上位機(jī)將處理、轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并以動(dòng)態(tài)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)的形式顯示出來(lái)，同時(shí)提供報(bào)警指示。所有關(guān)鍵參數(shù)都要獲得相應(yīng)權(quán)限后方可從上位機(jī)寫(xiě)入PLC。

上位機(jī)使用Windows2000操作系統(tǒng)，監(jiān)控程序用VB6.0編寫(xiě)，這樣可以保證上位機(jī)穩(wěn)定的運(yùn)行，監(jiān)控程序通過(guò)串口從ABBAC31PLC可獲得各現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程值和參數(shù)，也可隨時(shí)根據(jù)工藝要求對(duì)PLC中的參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)置，從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施有效控制，在更改車速時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更改總壓設(shè)定值，使?jié){網(wǎng)速比滿足條件。同時(shí)對(duì)各種可能出現(xiàn)的故障給出了在線幫助和排查方法，極大的方便了操作工的使用和維護(hù)。

5、總結(jié)

本控制系統(tǒng)在某紙廠五萬(wàn)噸生產(chǎn)線中已成功使用，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，壓力、液位曲線非常平穩(wěn)，控制效果和通訊速度方面令人滿意，已順利通過(guò)驗(yàn)收，也為抄造高品質(zhì)的紙張?zhí)峁┝擞辛Φ谋Ｕ稀odbus通訊協(xié)議以其格式簡(jiǎn)單、編程容易、傳輸距離遠(yuǎn)、通訊可靠、通訊速率高、設(shè)備間連接成本低等優(yōu)點(diǎn)使得它將能得到更廣泛的應(yīng)用。

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