基于Modbus協(xié)議之電火花控制系統(tǒng)

摘  要：提出了一套基于Modbus協(xié)議之總線控制系統(tǒng)，分析了Modbus協(xié)議之特點，介紹了Modbus協(xié)議之內(nèi)容及通信過程，給出了系統(tǒng)之軟件實現(xiàn)方法，括系統(tǒng)流程圖及部分校驗代碼。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

關(guān)鍵詞：Modbus，現(xiàn)場總線，電火花，RTU

0. 前言

　　國內(nèi)之大多數(shù)電火花設(shè)備由于實時性等方面之要求，控制系統(tǒng)均是基于dos環(huán)境設(shè)計，這種系統(tǒng)能滿足電加工之基本要求，但也大大影響了人機(jī)交互之改進(jìn)以及遠(yuǎn)程通信等現(xiàn)代控制之要求;模塊化結(jié)構(gòu)可裁減性強(qiáng)，便于滿足不同用戶之需求，是系統(tǒng)深入發(fā)展之良好基礎(chǔ);專業(yè)化之信號采集設(shè)備及檢測裝置成為系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠運行之保障;應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可做到信息處理綜合化，智能化;與此同時，VB、VC以及各種組態(tài)軟件之發(fā)展為人機(jī)界面及總線控制之發(fā)展之提供了良好之開發(fā)環(huán)境，使我們能夠設(shè)計出更為合理及人性化之系統(tǒng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：本文試圖將現(xiàn)場總線理論應(yīng)用于電火花加工機(jī)床，并 終通過使用Modbus協(xié)議實現(xiàn)各設(shè)備之間之互聯(lián)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：[4]

　　現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信之系統(tǒng)，也被稱為開放式，數(shù)字化，多點通信之底層控制網(wǎng)絡(luò)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：[5][6]在整個工廠之控制網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場總線處于重要之基礎(chǔ)地位。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

1. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)一般采用上位計算機(jī)結(jié)合下位智能儀表來實現(xiàn)控制功能。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：在本系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)之檢測裝置簡單易用，因此采用微控制器來讀取信號并 終傳輸給上位機(jī)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：一般來說，總線系統(tǒng)主要括變送器，總線和檢測站。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：在本套系統(tǒng)中，微控制器和檢測裝置成為智能儀表即變送器，它作為從機(jī)使用，但確是系統(tǒng)之核心部件，而上位機(jī)即檢測站主要完成人機(jī)交互之任務(wù)以及一些優(yōu)化、復(fù)雜計算和控制之功能。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：個性化之人機(jī)界面以及標(biāo)準(zhǔn)化之總線結(jié)構(gòu)設(shè)計，可方便之?dāng)U展系統(tǒng)之控制功能。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng) 主要括一個服務(wù)器，一臺pc機(jī)，三個微控制器及相關(guān)檢測設(shè)備。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　這幾層之工作主要括：

　　1.  底層為數(shù)據(jù)采集層，需要從現(xiàn)場采集實時之?dāng)?shù)據(jù)，比如油溫，油面高度等。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：三個微控制器作為現(xiàn)場控制層之核心器件，每個被賦予唯一之本機(jī)地址用以識別身份。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：微控制器即變送器也是整個系統(tǒng)之核心設(shè)備，其作用主要是采集間隙電壓，液位油溫，限位報警，手控盒控制等實時數(shù)據(jù)，自動實現(xiàn)伺服控制，自動滅火，風(fēng)扇開關(guān)，定時抬刀等功能，并同時將數(shù)據(jù)輸出到modbus現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡(luò)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　2. 現(xiàn)場控制層之任務(wù)是將所有之加工狀態(tài)通過雙腳電纜送至控制室之監(jiān)控計算機(jī)，組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，而在此網(wǎng)絡(luò)中，所有傳輸之信息均遵循modbus協(xié)議。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：Modbus現(xiàn)場總線將現(xiàn)場變送器和檢測站連接成一個測控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)電火花加工之監(jiān)測計量與管理。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　3. 工廠監(jiān)控層安裝人機(jī)界面軟件，負(fù)責(zé)監(jiān)視所有加工參數(shù)即電規(guī)準(zhǔn)，以及所有相關(guān)數(shù)據(jù)之顯示及鍵盤輸入信息處理等人機(jī)交互過程。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：pc機(jī)作為監(jiān)控計算機(jī)，通過以太網(wǎng)連接到遠(yuǎn)程管理中心，實現(xiàn)向上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)運行;監(jiān)控計算機(jī)可以安裝moden，通過現(xiàn)場進(jìn)行單擊操作。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　4.  上層為遠(yuǎn)程管理層，可以由以太網(wǎng)，top等局域網(wǎng)段組成，一般設(shè)服務(wù)器，pc機(jī)與服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)卡，網(wǎng)關(guān)相連，也可通過路由器連接至廣域網(wǎng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：服務(wù)器是系統(tǒng)之外擴(kuò)部分，可以選用。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　1.2 物理實現(xiàn)

　　目前，可以通過下列三種方式實現(xiàn)Modbus通信：以太網(wǎng)上之TCP/IP;各種介質(zhì)（有線：EIA/TIA-232-F、EIA-422、EIA/TIA-485-A;光纖、無線等）上之串行鏈路上傳輸;Modbus PLUS，一種高速令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：選擇何種實現(xiàn)方式主要是依據(jù)他所連接之設(shè)備所處之地位。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：一般采用標(biāo)準(zhǔn)之232口即可，但由于計算機(jī)上之rs232傳送之距離不超過30m，因此可以選用485接口。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：除此之外，422口也為標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)接口，表1列出了他們之間之主要差別。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：本套系統(tǒng)采用了隔離之RS-485通信方式來提供對Modbus之硬件支持。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

表1 有線介質(zhì)傳輸性能對比表

　　Modbus系統(tǒng)是一種主從網(wǎng)絡(luò)，容許一個計算機(jī)和一個或多個從機(jī)通信。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：當(dāng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，每個控制器都有自己之設(shè)備地址，主機(jī)識別按地址發(fā)來之消息，并決定要產(chǎn)生何種行動。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：當(dāng)在其他網(wǎng)絡(luò)上傳輸時，含了Modbus協(xié)議之消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用之幀或結(jié)構(gòu)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：陽光電子學(xué)校認(rèn)為：控制器既可以作為主設(shè)備也可以作為從設(shè)備, 但不能兩者同時兼?zhèn)洹ｊ柟怆娮訉W(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　根據(jù)各種設(shè)備之不同接口，總線上還可以串聯(lián)打印機(jī)等設(shè)備，也可以將這些設(shè)備直接連接至監(jiān)控計算機(jī)之打印機(jī)端口或USB口，實現(xiàn)通信。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　芯片要根據(jù)所接收之信息進(jìn)行選擇，如果是數(shù)字量，則 常見之單片機(jī)或pic微控制器等均可選用，如果是模擬量如間隙電壓，則要選擇帶模擬端口之芯片。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　電纜選擇可以根據(jù)所選擇之傳輸通道及距離來確定，這里選用之是帶屏蔽之雙絞電纜。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

2 Modbus協(xié)議

　　Modbus協(xié)議是OSI模型第七層上之應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)之設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：互聯(lián)網(wǎng)組中已經(jīng)保留TCP/IP系統(tǒng)端口502用以訪問Modbus，Modbus協(xié)議已經(jīng)成為一種流行之工業(yè)控制傳輸標(biāo)準(zhǔn)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　2.1 協(xié)議內(nèi)容

　　Modbus協(xié)議定義了消息與格式和內(nèi)容之公共格式，主要采用命令/應(yīng)答方式，每一種命令報文都對應(yīng)著一種應(yīng)答報文，命令報文由主站發(fā)出，當(dāng)從站收到后，就發(fā)出相應(yīng)之應(yīng)答報文進(jìn)行相應(yīng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：Modbus之信息幀括站點、字節(jié)長度、功能碼、操作地址、操作數(shù)據(jù)、CRC校驗值等。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：在Modbus系統(tǒng)中有兩種有效之傳遞模式即ASCII（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼）和RTU（遠(yuǎn)程終端裝置）模式。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：內(nèi)容格式及字符長度如下：[2]

　　由于RTU模式傳輸位數(shù)少，使用方便，本文內(nèi)容均采用RTU模式。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　2.2 通信過程

　　Modbus主從節(jié)點之間通信過程大致為：

　　（1）從節(jié)點通過特定之端口與主節(jié)點建立連接

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