（信号与信息处理专业论文）基于plc的modbus协议的研究与应用.pdf

卫墼一 摘要 m o d b 髑协议是当今工业领域应用最为广泛的现场总线协议之一，各种类型 的设备( p l c ，控制面板，驱动器，i o 设备等) ，都可以使用m o d b u s 协议进行远程操作。一些网关使几种类型的总线或网络间的m o d b u s 协议通讯变 为可能。随着m o d b u s 协议不断拓展，已经将w e bs e v 钉、t c p 口、工业以太网 等重要技术引入到m o d b u s 应用协议解决方案中。基于m o d b 潞协议的研究，对 于实现第三方通信、系统集成互连和集中监控，具有实际意义。 本文首先分析了p l c 网络数据通信的相关概念，p l c 硬件软件、数据传输 方式、差错控制、p l c 网络常用通信方式，然后解读了m o d b u s 应用层协议及 其在串行链路协议上的实现，主要从字节模式、代码机制、帧格式、校验方式、 功能代码等方面对协议的内容进行分析。 在理解p l c 软硬件和m o d b u s 协议的基础上，本文重点描述了在s i m e n s s 7 3 0 0p l c 上实现m o d b 惦l u um a s t 酬s l a v e 协议的过程。装载c p 3 4 l 点对点通 信模块后，在p l c 中实现m o d b 懈s l a v e 协议，p l c 作m o d b 瑚从机与d c s 通讯， 传递要监控的数据，执行主机d c s 命令；在p l c 中实现m o d b 邯m a s t 盯协议， p l c 作m o d b u s 主机与现场仪表通讯，采集现场数据。在实际工控项目某包装系 统中，实现了m o d b u s 协议后的p l c 与现场设备和监控设备d c s 连成工业网络 进行数据通讯，通讯的可靠有效地保证了整个控制系统的运行。 关键词lm o d b 惦r t u 协议 s i 伍n sp l cc p 3 4 l网络通信 a b s t r a c t a b s t r a c t m o d b 啪p r o t o c o li so mo ft l l em o s t 嘶d e l yu s e df i e l d b u sp r o t o c o l smi l l d u s t 巧 f i e l d e v e r yt y p eo fd e v i c e s ( p l c ，h m i ，c o n 呐lp a n e l ，d r i v 豇，l ，od e v i c ee t c ) c 觚 l l s e m o d b 吣p r o t o c o lt 0谳t i a t e ar e m o t eo p e r a t i o n s o i mg a t e 、a y sa l l o w c 0 m m u l l i c a t i o n sb 娟e ns e v e r a lt y p e so f b u s e s0 rn e 咖d 【su s i i l gm o d b u sp r o t o c 0 1 w i 也也e 咖n do fm o d b 髑p r o t o c o l ，i i i l p o r t a n tt e c h n o l o 西e ss u c h 蠲w e bs e v e r ， t c p pa n de 也e m e ta 咒a d d e di i l t 0 圯s o l u t i o no fm o d b 峭p r o t o c o la p p l i c a t i o n n 圮 r e s e 砌lo fm o d b u sp r o t o c o lh 嬲p m c t i c a lm e 锄j i l gf o rn 埭恤r dp a r t yc o m m u i l i c 撕o n ， s y s t e ：n ni n t e i 驴t i o n 强dc o n c e 曲a t e dm o i l i t o 曲g a t 也eb e g i 珈 血g ，m ec o n c e p t sa b o u tp l cn 咖o r kc 0 删n l l i l i c a t i o nw e 他 p r e s e n t e 也s u c h 嬲s i m e n sp l ch a r d w 玳i s o f h 硼r e ，c o n l m u n i c a t i o nm e 吐l o d s ， 血s t a k ec o n 打o le t c t h e nm o d b u sa p p l i c a ：t i o np i ? o t o c o l 锄di t s 陀a l i z a t i o no ns e r i a l l i i l ew e 他删y s e d ，m 2 l i i l l yi nb y t em o d e ，c o d em e c h a i l i s m ，e 鼬m 姗，c h e c k c o d e ，劬c t i o nc o d e b 弱e d c o m p r e h e i o no fs n n sp l ch a r d w 缸“s o n w 玳锄dm o d b 瑚 p r o t o c o l ，t h e 蒯i z a t i o no fm o d b u sl u um 嬲t 酬s l a v ep r o t o c o l0 ns 三n ss 7 3 0 0 p l cw 弱f o c 髑l yd e s c r i b e d a & rl o a d i i l gc p 3 41p o i l 缸一t 0 - p o i 】吡c o m m u i l i c a t i o n p r o c e s s o r ，谢t ht l 他m o d b 憾s l a v ep r o t o c o l ，p l cc 0 舢m u 血c a t i e d 谢t l ld c s 弱s l a v e p e r f 0 m 血gt l l eo r d e r so fd c s 锄d 缸弛s m i t t i i l gd a t 嬲t 0d c s ，谢t l lt h em o d b u sm a s t 盱 p r o t o c 0 l ，p l cw o r k e d 嬲m a s t e r 谢也l o c a li i l s 饥姐e n tg e t t i i l gl o c a ld a t 鹪i na p r t i c a li n d 岫，c o 咖r o lp r o j e c t _ 0 鹏p a c l ( a g i i l gc o n n - 0 ls y s t c 弛p l c 、 ，i mm o d b u s i u um a s t e f s l a v ep r o t o c o lw 嬲c o 姐e 鼬c dt 0l o c a li n s 仉明e n t sa n dd c s ，d a t a s 、e r e t r a 璐耐t t e d 埘t hm o d b u sp r o t o c o l ，t l 圮陀l i a b i l 埘o fc 0 i n m u i l i c 撕o ne 毹c t i v e l y e 璐i m e dm e 川l m i i l go f 也ew h o l e n 仃o l l i i l gs y s t e m k e y w o r d slm o d b u sl h up r o t o c o l ；s i m e n sp l c ；c p 3 41 ；n 们0 r k c o n 皿u l l i c a t i o n ； 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，计算机控制已被迅速推广和普及，相当多的企业已经在大量使用各 式各样的可编程设备，工业控制计算机、p l c 、变频器、机器人等，有的企业已 实现了全车间或全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的可编程设备连接在单层 或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。通信和网络 已经成为控制系统不可缺少的重要组成部分，也是控制系统的设计和维护的重点 之一。 m o d b 璐协议是一个开放式现场总线的通信协议，最初是m o d i c o n 公司为 自己的p l c 产品通信开发的，通过此协议，控制器相互之间、控制器与其它设 备之间可以串行通信。m o d b 峭协议现已发展成为一种在工业领域广为应用的真 正开放、标准的网络通信协议，支持该协议的产品门类丰富，基本涵盖了工业控 制的各个领域，集散控制系统一般尽可能选择m o d b 邺协议，多数智能仪表已利 用该协议向用户提供通信接口。m o d b 吣通信采用主从方式，在同一个网络中有 一个主设备及最多达2 5 5 台从设备，从设备的地址编码l 一2 5 5 。通常情况下， 主设备只与1 台从设备通信，但当主设备发出的地址码为o 即采用广播方式时， 可以将消息发送给所有的从设备。m o d b u s 通信可使用r s 2 3 2 、r s 4 2 2 和r s 4 8 5 接口，以帧为单位，一次通信发送和接收的数据包由若干帧组成，协议正是定义 了这些帧的意义，控制器只要按照协议解释接收和发送的帧数据，就能与在同一 网络中采用同样协议的控制器实现通信。技术发展至今，通过m o d b 峭协议可以 接入以太网设备，各种形式的m o d b u s 网关，m o d b 惦s e e r 也屡见不鲜，应用 领域已超出了原来串行通信协议的范畴。 集散控制系统是以多台微处理器为核心，采用控制功能分散、显示操作集中， 兼顾分而自治和综合协调原则设计出来的仪表控制系统。集散控制系统一般提供 外设接口，允许外部设备通过r s 2 3 2 4 8 5 传输媒介，用特定的通讯协议加数据联 入控制系统中参与系统的实时控制和监测，大部分情况下，集散控制系统一般尽 可能选择m o d b u s 协议，一方面因为它开放简单，另一方面由于它支持多从设备， 便于以后扩展新的接口。个别情况下，即使设备本身不支持m o d b u s 协议，但适 第1 章绪论 配其他供货商的标准m o d b u s 接口卡或通过s c a d a 软件进行协议转换后，也能 进行m o d b u s 通信。h o n e ，e ut p s 型d c s 融合了分散控制和集中监视的优势， 是工业控制领域一个强有力的工具，以其开放性、可靠性、可组性以及性价比高 等优势，在我国各行业得到了广泛的应用。 某厂扩建4 5 万吨年p t a 配套工程包装系统中采用了h o n e ”怡nt p s 型 d c s ，料仓包装系统控制采用s i l 诳n ss 7 3 0 0p l c 来实现。料仓p l c 监控系统 为监视管理、数据采集和过程控制系统，采集系统中六台控制包装机的数据，并 将数据传至d c s 进行集中监控，d c s 控制站h p m l l 上有i 塔- 4 8 5 接口。 1 2 主要研究内容 本课题完成m o d b 髑协议的研究及其在某厂扩建4 5 万吨年p t a 配套工程 p l c 控制系统开发项目中的应用。主要进行下面几方面的研究：p l c 控制系统 开发、组网通信；m o d b u s 串行链路协议：s t e p 7 环境中l 、s 1 1 l 语言运用； m o d b 潞消息地址与s i m e n s 内存空间的对应；消息传输c r c 1 6 校验码实现； m o d b 憾叫主、从协议在p l c 中的实现。 为与d c s 系统通讯，一般尽可能选择m o d b u s 协议。s 刀佃团n s 公司s 7 3 0 0 是模块化的p l c ，没有集成点对点串口功能的s 7 3 0 0c p u 模块，用通信处理器 c p 3 4 1 实现点对点通信。c p 3 4 l 是功能强大的串行通信处理器模块，有一个通信 接口，不同型号的模块支持不同的传输接口r s 2 3 2 c r s 4 2 2 瓜s 4 8 5 ，支持以下协 议：a s c “v e r ，3 9 6 4 ( r ) ，r k 5 1 2 协议和可装载的驱动程序，包括m o d b 吣 主站协议，m o d b 邯从站协议，da _ t ah i g l l 、v a y ( d f l 协议) 。通过装载单独购买的 s i 删s 公司的m o d b 吣m 删s l a v e 驱动程序，p l c 可以使用r ，r u 格式的 m o d b 邺协议，但费用较高，也可以选择自己编程在p l c 中实现m o d b 吣r 1 m m 嬲t e r s l a v e 协议。s i m e n ss 7 3 0 0p l c 的s t e p 7 开发环境集成l a d 、s t l 、f b d 等语言，s 1 1 l 类似汇编语言，可以实现m o d b u s 协议。在p l c 中实现m o d b 邺r t u 协议后，p l c 在m o d b u s 网络中可以作主站或从站，通过屏蔽双绞线或光纤，与 d c s 和包装机通信。 使用s t e p7 环境中的s t l 语言，在p l c 上分别实现m o d b u sl u u 主从协 议。实现m o d b u s 主机协议的p l c ，通信时作为m o d b 惦主机，而实现m o d b 璐 从机协议的p l c ，通信时作为m o d b 吣从机。 2 硕士学位论文 在p l c 中实现m o d b i l ss l a v e 协议，是为了建立和执行作为m o d b u s 从机的 p l c 和m o d b l l s 主机系统( 如h o 船”e ut d c3 0 0 0 ) 之间的数据连接。p l c 中实 现从机协议后，主机请求消息中的m o d b u s 地址被p l c 以特定的方式解析，指向 对应的s i m a t i c 内存空间，主机即可以读写s 7c p u 中的内存位、输出、数据 块、输入、定时器、计数器。p l c 作从机时，按位操作的功能码实现时，需要指 定传输消息中m o d b u s 地址对应的s i m a t i c 何种空间区域及其起始位，可读写 内存位、输出、定时器、计数器。按字操作的功能码实现时，需要解析m o d b u s 消息里的s t a r tr e g i s t e r 获得目标d b 块号，可读写数据块d b 。m o d b 潞s l a v e 协议 实现包括一组程序，用来初始化m o d b u ss l a v er 1 哪程序，处理m o d b u s 请求和 传送响应，处理m o d b 憾各功能，计算c r c 等。 在p l c 中实现m o d b 潞m a s t e r 协议，是为了建立和执行m o d b u sp l c 主机和 从机( 如现场设备或其他p l c ) 之间的数据连接。p l c 作为主机给所有从机发 送主机命令可以采用一个源数据块s o u r c ed b 块来执行，根据不同要求修改源 数据块中相应的设备地址、功能码、数据起始地址、数据数量和c r c 校验码。 根据i u u 协议中的从机应答数据帧结构，主机成功接收到从机应答的数据后， 需要将数据放至目的数据块d e s t i n a t i o nd b 保存。 1 3 本文的组织结构 论文共分为六章，其各部分内容安排如下： 第一章绪论，介绍了课题背景和主要研究内容。 第二章介绍s i m e n ss 7 3 0 0p l c 及p l c 网络数据通信中相关概念。 第三章m o d b 吣协议，深入研究了m o d b u s 相关族协议，作为一种应用层协议， 可以用a s c 或l 删传输模式在串行链路中应用。 第四章m o d b 岫协议在p l c 上的实现，s t e p 7 开发环境下，以s t l 语言在p l c 上实现m o d b 璐i 玎um 弱t e r 和m o d b 惦l 删s l a v e 协议，使p l c 分别作为主机或 从机以m o d b u s 协议通信。 第五章m o d b u s 协议在某化工厂包装系统中的应用。一个在p l c 上实现m o d b u s m a s t e r 和m o d b u ss l a v e 协议后的系统通信应用。 第六章全文的总结和研究的展望。 第2 章p i c 网络数据通信 第2 章p l c 网络数据通信 2 1s i m e n ss 7 3 0 0p l c 2 1 1s 7 - 3 0 0p l c 硬件 s 眦n ss 7 3 0 0 是模块化的中小型p l c ，由机架和各种模块组成。用户可 以根据需要选择合适的模块，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。 s 7 3 0 0 组成部件包含： 中央处理单元( c p u ) ：各种c p u 有各种不同的性能，有的c p u 上集成 有输入输出点，有的c p u 上集成有p r o f i b u s d p 通讯接口。 信号模块( s m ) ：数字量和模拟量输输出模块总称，使不同的过程信号 电压或电流与p l c 内部的信号电平匹配。 通讯处理器( c p ) ：用于p l c 之间、p l c 与计算机和其他智能设备之间通 信，可以将p l c 连接p r o f i b u s d p 、工业以太网或实现点对点通信等。 功能模块( f m ) ：用于实时性和存储容量要求高的控制任务，如高速计数， 定位操作( 开环或闭环定位) 和闭环控制。 负载电源模块( p s ) ：用于将a c 2 2 0 v 电源转换成d c 2 4 v 电源，供c p u 和i o 模块使用。额定输出电流有2 a 、5 a 、1 0 a 三种。 接口模块( m ) ：用于多机架配置时连接主机架( c r ) 和扩展机架( e r ) 。 s 7 3 0 0 通过分布式的主机架和3 个扩展机架，可以配置多达3 2 个模块。 2 1 2s 7 3 0 0p l c 软件 s t e p7 是用于s 讧e n ss 7 3 0 0 4 0 0p l c 编程的标准软件，编程语言有多种， 常用的有梯形图l 、语句表s t l 、功能块图f b d 、顺序功能图s f c 、结构文 本s c l 。c p u 中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理p l c 的启 动、刷新输入输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和 通信等任务。用户程序由用户生成，用来实现要求的自动化任务。s t e p7 采用 结构化的编程方法，用户程序是以“块”的形式实现的。“块”包括组织块o b 、功 能块f b 、功能f c 、数据块d b 等。s t e p 7 将用户编写的程序和所需数据放在? 块” 中，功能功能块( f c f b ) 相当于用户编的子程序，系统功能功能块( s f c s f b ) 相当于系统提供给用户的标准子程序。p l c 采用循环执行用户程序的扫描工作方 4 硕士学位论文 式，o b l 是用于循环处理的组织块，相当于用户程序的主程序，是必需的，它 可以调用其他功能功能块或被中断程序( s 7 3 0 0 中组织块o b ) 中断。 1 数据类型 s t e p 7 有三种数据类型，基本数据类型位、字节、字、双字、1 6 3 2 位整数、 常数，复合数据类型数组、结构、字符串等，参数类型定时器、块等。 基本数据类型中，1 个字节由8 位二进制数组成，1 个字由相邻的2 个字节 组成，如m w l o o 由1 0 0 和船1 0 l 组成，1 个双字由相邻的2 个字组成，即 由相邻4 个字节组成，如加1 0 0 是由l o o m b l 0 3 组成。字和双字表示无 符号数。 匦圃匦墅皿卫圃 m s b3 l 最童声效字节 最低有教芝节l s bo lm b l o olm b l 0 1lm b l 0 2l 毋1 0 3i 图2 1 基本数据类型之间的关系 f i g 2 - li k l a t i o n s l l i po f b 弱i cd a l a 嘴 2 存储区寻址 系统存储区是c p u 为用户程序提供的存储区组件，被划分为若干个地址区 域，输入过程映像l 、输出过程映像q 、位存储器m 、定时器t 、计数器c 、共享 数据块d b 等，每个区域可以用位、字节、字、双字来指定确切的大小。定时器t 、 计数器c 仅用位来衡量。使用指令可以在相应的地址内对数据寻址。立即寻址直 接给出操作数，直接寻址直接给出寻址的区域长度位置。寄存器间接寻址通过地 址寄存器寻址。 存储器间接寻址的地址给定格式是：地址标识符+ 指针。指针所指示存储单 元中所包含的数值，就是地址的确切数值单元。指针可以存放在m 、d i 、d b 和l 区域中，也就是说，可以用这些区域的内容来做指针。存储器间接寻址具有两个 指针格式：单字和双字。 单字指针是一个1 6 b i t 的结构，o 1 5 b i t ，指示一个从0 6 5 5 3 5 的数值，这个数 值就是被寻址的存储区域的编号。若存在m w l 0 0 中值为1 6 位整数l o ，作单字指 针时，指令0 p nd b w 【m w l o o 】是打开d b w l o 。 双字指针是一个3 2 b i t 的结构，o 2 b i t ，按照8 进制指示被寻址的位编号，也就 第2 章p l c 网络数据通信 是o 7 ；而3 1 8 b i t ，指示一个从0 6 5 5 3 5 的数值，这个数值就是被寻址的字节编号。 若存放在m d l 0 4 中值为2 # o 0 0 0o o o o0 0 0 00 0 0 0o o o o0 0 0 00 0 0 01 0 1 0 ，当作为双 字指针时，就应该按照3 1 8 b i t 指定字节b y t c ，o 2 b i t 指定位b i t 来确定最终指令要操 作的地址，因此指令ai 【1 0 4 】是对1 1 2 进行与逻辑操作。 单字指针只应用在地址标识符是非位的情况下，只能对定时器、计数器、数 据块、功能和功能块进行寻址，单字指针只可以用来指代这些存储区域的编号。 对于字节位( b y t e b i t ) 这种具体位结构来说，只能用双字指针。双字指针可以 对位地址进行寻址，还可以对字节、字、双字寻址，并且没有区域的限制。在对 非位的区域进行寻址时，必须确保双字指针的位编号为o 。 2 1 3s 7 3 0 0p l c 通讯 s m a t i cs 7 3 0 0 具有多种不同的通讯接口：用来连接a s i 接口、p i 的f m u s 和工业以太网总线系统的多种通讯处理器；用来连接点到点的通讯系统的通讯处 理器；集成在c p u 中的多点接口( m p d 。c p u 支持下列通讯类型： 1 过程通讯 通过总线( a s i 或p r o f i b u s ) 对i o 模块周期寻址( 过程映象交换) 。s 7 - 3 0 0 通过通讯处理器，或通过集成在c p u 上的p l 的f i b u s d p 接口连接到 p r o f i b u s d p 网络上。带有p r o f m u s d p 主站从站接口的c p u 能够实现高 速的、用户方便的分布式自动化组态。从用户观点出发，通过p r o f i b u s d p 分 布式i o 就像处理集中的i o 一样，具有相同的组态、地址和编程。对于a s i 接口总线，s 7 3 0 0 有合适的通讯处理器( c p 3 4 2 2 ) 用来连接现场设备。 2 数据通讯 在自动控制系统之间或人机界面( h m i ) 和几个自动控制系统之间，数据通讯 会周期地进行或被用户程序或功能块调用。s 7 3 0 0 具有多样的数据通讯方式。 ( 1 ) 通过c p 的数据通讯( 点对点) 没有集成点对点串口功能的s 7 3 0 0c p u 模块，用通信处理器c p3 4 0 c p 3 4 1 实现点对点通信。在多种通讯接口r s2 3 2 c 瓜s4 2 2 瓜s4 8 5 的基础上，有多种通 讯协议可以使用，a s c i id r i v e r 、3 9 6 4 ( r ) 、r s 5 1 2 协议和可装载的驱动程序， 包括m o d b u s 主站协议，m o d b u s 从站协议，d a t ah i g l l w a y ( d f l 协议) 。可连接下 列设备：两台s 7p l c 和s 5p l c ，第三方系统、打印机、机器人控制、扫描仪、 6 硕士学位论文 条码阅读器等。 ( 2 ) 通过多点接口( i ) 的数据通讯 多点接口( m p i ) 通讯口集成在s 7 3 0 0c p u 上，可以用于简单联网。m p i 能同 时连接几个带s t e p7 的编程器p c 、人机界面( h m i ) 。 ( 3 ) 通过c p 进行数据通讯( p r o f i b u s 或工业以太网) 可通过c p3 4 2 3 4 3 通讯处理器将s c s 7 3 0 0 与p i 的f i b u s 和工业以太网 总线系统相连，可连接s 儿盯i cs 7 3 0 0 、编程器、工业p c 机。 2 2 数据通信方式 2 2 1 信息交互方式 单工通信方式信息只能沿单一方向传输，半双工方式信息可在两个方向传 输，但同一时刻只能向一个方向，全双工方式信息能在两个方向上同时传输。 2 2 2串行传输和并行传输 串行传输和并行传输的区别在于组成一个字符或字节的各数据位是依顺序 逐位传输还是同时并行地传输。在串行传输中，数据流以串行方式逐位地在一条 信道上传输，每次只能发送一个数据位。并行传输可以同时传输一组数据位，每 个数据位使用单独的一条导线。串行传输适合远距离的数据通信，收发双方需采 取同步措施，并行传输无需同步措施，不适合长距离的通信连接。 2 2 3同步传输与异步传输 同步传输中，所有设备都使用个共同的时钟，所有传输的数据位都和这个 时钟信号同步。异步传输时，通常会包括一个起始位同步各数据位，一个或多个 终止位结束传送。同步传输效率高，适合高速传输，代价较高。异步方式实现起 来简单容易，但需要另外传输一个或多个同步字符或帧头，会增加网络开销。 2 2 4 异步传输中的帧同步 在异步数据传输中，接收方为了能正确恢复位串序列并译码，必须能正确区 分出信号中的每一位、每个字符的起始与结束位置、报文帧的起始与结束位置。 帧同步是数据帧发送时，收发双方以帧头帧尾为特征实行同步的工作方式，将数 据帧作为一个整体，实行起止同步。数据帧是一种按事先约定将数据信息组织成 7 第2 章p l c 网络数据通信 组的形式。帧头是用于实现收发双方同步的一个独特的字符段或数据位的组合， 用于通知接收方有一个通信帧已经到达；通信控制域、数据域和校验域在帧中间； 帧尾是一个独特的位串组合，用于标志该帧传输结束。 幽2 2 通信数据l 帧的构成 f i g 2 - 2s 咖c t u 托o fc o m m 岫i c a t i o nd a t a 仔锄e 2 3 通信中的差错控制 2 3 1 差错的检测方法 在通信中，为了提高通信系统的传输质量，需要控制差错。差错检测是让报 文分组中包含使接收端发现差错的冗余信息，原理简单，实现容易，编码与解码 速度快，目前正得到广泛应用。差错检测常用方法如下： ( 1 ) 冗余。冗余是对每个字符都传输两次。如果连续两次没有收到相同的字 符，就意味着发生了一个传输错误。 ( 2 ) 回送。把接收端收到的每一个字符都送给操作人员，让操作人员来确认 字符被正确输入了。如果在回送字符期间出现了传输错误，就要进行重复传输。 ( 3 ) 精确计数编码。利用精确计数编码时，在每个字符中的1 的数量是相同 的。接收端计算一个字符中l 的个数，如果其总数不等于预先设定的值，则出错。 ( 4 ) 奇偶校验。在奇偶校验中，一个单一的位( 奇偶校验位) 被加在每个字符上， 以使得一个字符中1 的总数要么是奇数( 奇校验) ，要么是偶数( 偶校验) 。奇偶校 验有可能漏掉大量的错误，但用起来非常简单。 ( 5 ) 求校验和。在发送端和接收端都对传输的数据进行求和操作，在发送端 将校验和附加在数据信息之后。如果接收端的校验和与发送端的校验和不同，表 明发生错误。能检测出9 5 的错误，与奇偶校验方法相比，增加了计算量。 ( 6 ) 循环冗余校验( c r c ) 。循环冗余校验对传输序列进行一次除法操作，将进 行除法操作的余数附加在传输信息的后边。在接收端，也进行同样的除法过程。 如果接收端除法过程的结果不是零，就表明发生了一个错误。 2 3 2c r c 检错码【1 7 l c r c ( c y c l i c 他d u n d 孤c yc h e c k ) 检错码方法是将要发送的数据位序列当作一个 多项式f 礅) 的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式g ( x ) 去除，求得 3 硕士学位论文 一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端。接收端用同 样的生成多项式g ( x ) 去除接收数据多项式f ( x ) ，得到计算余数多项式。如果计算 余数多项式跟接收余数多项式相同，则表示传输无差错：如果计算余数多项式不 等于接收余数多项式，则表示传输有差错，由发送方重发数据，直至正确为止。 c r c 检错码的检错能力强，实现容易，是目前应用最广的检错码编码方法之一。 c i 生成多项式g ( x ) 由协议规定，生成多项式g ( x ) 的结构及检错效果是要经过 严格的数学分析与实验后确定的。目前已有多种生成多项式列入国际标准，例如： c r c 1 6 g ( x ) = x 1 6 + x 1 5 + x 2 + 1 c r c 3 2g ( x ) = x 3 2 + x 妒+ x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x 1 1 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 5 羽+ x 2 + x + l c i 3 2 出错概率低可靠性好，但系统开销较大，m o d b l l s 协议的数据校验常 用c r c 1 6 。在实际网络应用中，c i 配校验码的生成与校验过程可以用软件或硬 件方法实现。目前很多通信用超大规模集成电路芯片内部就可以非常方便地实现 标准c r c 校验码的生成与校验功能。 。2 4 传输介质【4 】 在p l c 网络中普遍使用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光缆，其他介 质如无线电、红外线、微波等应用较少。双绞线( 带屏蔽) 成本低、安装简单； 光缆尺寸小、重量轻、传输距离远，但成本高、安装维修需专用仪器。 ， 表2 1 传输介质性能比较 性能传输介质 双绞线同轴电缆光缆 传输速率 9 6 k 一2 m b i t s l 一4 5 0 m b i t sl o 一5 0 0 m b i t s 连接方法点到点多点点到点多点( 基带)点到点5 0 l 锄 1 5 k m 不用中继器1 3 i ( r i l 不用中继器不用中继器 支持网络星型、环型、小型交换机总线型、环型总线型、环型 抗干扰好( 需外屏蔽)很好极好 抗恶劣好( 需外屏蔽)好，但须将电缆与腐蚀极好，耐高温 环境物隔开和恶劣环境 2 5 串行通信的接口标准 1 r s 2 3 2 c 串行接口标准 r s 2 3 2 c 是目前常用的一种串行通讯接口，可使用9 针或2 5 针的d b 型连 9 第2 章p l c 网络数据通信 接器，对连接器的每个引脚的信号内容和电平加以规定。采取不平衡传输方式， 单端驱动、单端接收，容易受到干扰影响，通信距离短、速率低。其传送距离最 大约为1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。r s 2 3 2 c 是为点对点( 即只用一对收、发设 备) 通讯而设计的，适合本地设备之间的全双工通信。 2 r s 4 2 2 串行接口标准 r s - 4 2 2 由r s 2 3 2 c 发展而来，是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传 输规范，适合全双工通信。定义了一种平衡通信接口，采用平衡驱动、差分接收 电路，取消了信号地线。外部输入的干扰信号以共模方式出现，两根传输线上的 共模干扰信号相同，因接收器是差分输入，共模信号被相互抵消。允许一台主机 连接最多l o 台从机。最大传输距离约为1 2 1 9 米，最大传输速率为1 0 m b s 。 3 r s 4 8 5 串行接口标准 r s - 4 8 5 采用平衡传输方式，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送 器连接到同一条总线上，适合半双工通信。r s - 4 8 5 总线上可以采用二线与四线 方式，二线制可实现真正的多点双向通信，四线制只能实现点对多的通信，即只 有一个主机，其余为从机。使用r s 4 8 5 通信接口和双绞线可以组成串行通信网 络，构成分布式系统，系统中最多可以有3 2 个站。其最大传输距离约为1 2 1 9 米， 最大传输速率为1 0 m b s 。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，只有在很短的 距离下才能获得最高速率传输，在1 0 0 k b 瓜速率以下，才可能使用规定最长的电 缆长度。一般1 0 0 米长双绞线最大传输速率仅为l m b s 。 2 6p l c 网络的通信方式 1 “周期i o 方式 通信 、 p l c 带的远程i o 主单元担任主站，其他远程i o 作从站，在主站中设立一 个远程i o 缓冲区，缓冲区中采用信箱结构将其划分为若干个分箱与每个从站一 一对应，主站中负责通信的处理器采用周期扫描的方式，按顺序与各从站交换数 据，使远程缓冲区周期刷新。 2 “全局方式 通信 串行共享存储区，主要用于带有链接区的p l c 间通信。在p l c 网络中的每 个p l c 的l ，o 区划出一块作为链接区，相同编号的发送区与接收区大小相同， 占用相同的地址段，一个发区，其余收区，各p l c 采用广播通信。一个p l c 将 1 0 硕士学位论文 1 撑发送区数据广播，其余p l c 接收至1 # 接收区保存。 3 主从总线1 ：n 通信方式 在总线结构的p l c 网络上有n 个站，其中一个主站，其余为从站。主从总 线通信方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用轮询表( 从机排 列顺序表) ，主站按轮询表的排列顺序询问从站是否要使用总线。 4 令牌总线n ：n 通信方式 总线结构上的p l c 网络上有n 个站，地位平等，没用主从之分。采用令牌 总线存取控制，在物理总线上组成一个逻辑环，令牌在环中流动，获得令牌的站 就获得了总线的使用权。 5 浮动主站n ：m 通信方式 适用于总线结构的p l c 网络，采用令牌总线与主从总线结合的存取控制技 术。n 个主站组成逻辑环，令牌在其中流动，获得令牌取得总线使用权的主站再 按主从方式确定在令牌持有时间内与m 个从站中的哪些站通信。 6 令牌环通信方式 适用于环形结构的p l c 网络，存取控制采用令牌法，只有获得令牌的站才 有权发送数据，采用有应答的数据传输。 7 c s m c d 通信方式 适用于总线结构的p l c 网络，总线上各站平等，无主从之分，使用总线的 各站，发送数据前先监听总线，确认空闲后才发数据，边发边听，一旦冲突，立 即停止发送。是随机通信方式，先听后讲，边讲边听。、 第3 章m o d b u s 协议 第3 章m o d b u s 协议 3 1m o d b u s 应用层协议 m o d b u s 协议是m o d i c o n 公司制定的用于p l c 和控制器之间通讯的协议。 m o d b u s 协议为应用层报文传输协议，仅定义了通讯消息结构，一个m o d b u s 信息 帧包括从机地址、功能码、数据区和数据校验码。可用在各种媒体上的异步串行 传输、t c p i p 以太网及m o d b u sp l l l s 高速令牌传递网络中。 ， 彳翰掰臻翳搿臻瓣耀嬲瓣鬻褥霹溺嬲 基于飘鬻酌酗硼孤嚣 i：；墓雩熬7 一j 算静，一。”a1 。 霸蛹鞴霸隔鞭砑嘲霸霹翰啊丽礴嘲可 。】p 霄。 “j ，一。一 ，_ 翩z 谭嘏j 区畦芷霹崴硒昭蜊如_ 日。m i 覃嚣嚣一l _ t ，f ，_ ”_ ，。，、。，_ r m 弧翻啜+ ，翔王c 主站从站 物理屡 e 邕裟竺：孑 e 啦e m 吐，s 5 以太网 物理屡 图3 - 1m o d b u s 通信栈 f i g 3 lm 0 d b 郴c 0 咖u n i c a t i o n 妣k 当在m o d b u s 网络上通信时，协议决定了每个控制器需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m o d b u s 协议发出。在其它网络上，包含了m o d b u s 协议的消息 转换为在此网络上使用的帧或包结构。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。 各种类型的设备( p l c ，m 沮，控制面板，驱动器，i o 设备等) ，都可以 使用m o d b u s 协议进行远程操作。一些网关使几种类型的总线或网络间m o d b u s 协 议通信变为可能。随着m o d b u s 应用协议不断拓展，已经将w e bs e v e r 、t c p i p 、 工业以太网等关键技术引入到m o d b u s 应用协议解决方案中，形成了m o d b u s 应用 协议族，基于m o d b u s 应用协议族的工业以太网解决方案已经逐渐应用于各种现 场级测控领域。 1 2 硕士学位论文 m o d b u sc o m m u n i c a t i o n _ 嘲= 器= = = ：羔：霉= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = ：= = = 图3 - 2 m 0 d b 吣网络结构举例 f i g 3 - 2e x 锄p l e0 fm 0 d b u sn e t w o r ks 仃u c t u r e 3 1 1m o d b u s 数据单元 m o d b u s 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元( p d u ) ， 特定总线或网络上的m o d b u s 协议映射能够在应用数据单元( a d u ) 上引入一些 附加域。启动m o d b u s 事务处理的客户机创建m o d b u sp d u ，其中的功能码向服 务器指示将执行哪种操作，用一个字节编码m o d b u s 数据单元的功能码域，有效 的码字范围是十进制1 2 5 5 ( 1 2 8 2 5 5 为异常响应保留) 。功能码后面是含有 请求参数的数据域，数据域包括离散量或寄存器地址、处理的项目数量以及域中 的实际数据节数等。在某种请求中，数据域可以是不存在的( 0 长度) ，服务器 不需要任何附加信息，此时功能码仅表示操作。 地址域 a d l p d l 图3 3 通用m o d b u s 帧 f i g 3 - 3g e n e r a lm o d b u sm 哪e 3 1 2m o d b u s 数据模型 m o d b u s 的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的。 第3 章m o d b u s 协议 表3 1m o d b u s 数据模型基本表 基本表对象类型访问类型说明 离散量输入单个位只读i o 系统可提供这种类型数据 线圈单个位读写通过应用程序可改变这种类型数据 输入寄存器1 6 位字只读i o 系统可提供这种类型数据 保持寄存器1 6 位字读写通过应用程序可改变这种类型数据 3 1 3m o d b u s 标准功能码 m o d b u s 协议定义了三种功能码： 公共功能码：被确切定义的、唯一的功能码，由m o d b u s i d a 组织确认、可 进行一致性测试且已在m bi e t fi 心c 中归档。 表3 2 公共功能码定义 t a b l e 3 2p u b l i cf u n c t i o nc o d ed e 6 n i t i o n 縻擎￥咒强镯弦强聊孽 即写甲黔霹鄹黟巧辫焉，。“77 耳，：i j 三。，：t 4 ：- 1 0 。! _ 。、j 5 何移弼移动琵鹤鄹鄹弼 k 一一。，一一一 一。_ 乳码。， “，予码。誓鲞 数位物理离散量读离散量输入 0 2 据 ： 访内部位或物读线圈 0 1 访问理线圈 写单个线圈 0 5 问 写多线圈 15 影。1 6 。：”：输天寄存器 读输入寄存器1 “。 净”0 4 7 。“ ：、一7 ：1 ：习 善 位 内部寄存器读保持寄存器 0 3 - “ 塞蒿 或物理输出 写单寄存器 0 6 * l 寄存器写多寄存器 1 6i 读写多寄存器 2 3 萄 藿屏蔽写寄存器 2 2 i 蛰 i k 。， 一、。n ：l 二玉，：，科藏f i f o 队列，。，：，2 4 ，：，o z 。：羞 文件记录访问读文件记录 2 06 ： 二写文件记录 2 16 诊 融异常状态。一r 。 一。0 7 ”： 一。j 。吼1 断 g 诊断 0 80 0 1 81 获得通信事件计数 l1 j 省 获得通信事件记录 1 2 i 搬告从站m 1 7 i 黻设备识别码“j_ _ 4 3 。，!，。14 l ，。裔 其他封装接口传输 4 3 & 用户定义的功能码：用户无需m