智能制造单元应用技术 课件全套 第1-8章 绪论、智能制造单元技术基础 - 智能制造单元传感器技术应用

第一章

绪论第一节

智能制造概念第一节

智能制造概念一、制造业发展历程发展阶段年份里程碑主要成果机械化1760-1860水力和蒸汽机器生产代替手工劳动，社会经济基础从农业想以机械制造为主的工业转移电气化1861-1950电力和电动机采用电力驱动的大规模生产，产品零部件生产与装配环节的成功分离，开创了产品批量生产的新模式自动化1951-2010电子技术和计算机电子计算机与信息技术的广泛应用，使得机器逐渐代替人类作业智能化2011至今网络和智能化智能化实现制造的智能化、个性化和集成化1.制造业发展历程

随着计算机的问世，机械制造业大体沿着两条路线发展：一是传统制造技术的发展，二是借助计算机和数字控制科学的智能制造技术与系统的发展。

20世纪以来，自动化制造的发展大体是每十年上一个台阶：20世纪50~60年代的“明星”是硬件数控（HardNC），70年代以后则是计算机数据控制（CNC）蓬勃发展，80年代世界范围的柔性自动化热潮兴起，同时计算机集成制造开始出现，但由于技术局限等原因，并未大规模应用于当时的实际工业生产。

如今，人类社会的制造业已从机械化全面迈向智能化、个性化、“私人定制”式工业生产将成为最新一次技术革命的主要标志。2.智能制造概念

智能制造是将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节融合，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。

特点：它具备以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础，以网通互联为支撑的四大特征，可有效缩短产品研制周期、提高生产率、提升产品质量、降低资源消耗，对推动制造业转型升级具有重要意义。3.智能制造系统模型

结合智能制造技术架构和产业结构，从系统架构、价值链和产品生命周期等三个维度构建了智能制造标准化参考模型，有助于认识和理解智能制造标准的对象、边界、各部分的层级关系和内在联系。(1)系统架构

智能制造系统架构自下向上分为五层。

1）设备层(现场层）包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、数控机床、机器人等感知和执行单元。

2）控制层包括可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制（SCADA）系统、分布式控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）、工业无线（WIA）控制系统等。

3）管理层（操作层）由控制车间/工厂进行生产的系统所构成，主要包括产品数据管理（PDM）系统、制造执行系统（MES）、产品生命周期管理（PLM）软件等。

4）企业层由企业的生产计划、采购管理、销售管理、人员管理、财务管理等信息化系统所构成，实现企业生产的整体管控，主要包括企业资源计划（ERP）系统、供应链管理（SCM）系统和客户关系管理（CRM）系统等。

5）网络层由产业链上不同企业通过互联网共享信息实现协同研发、配套生产、物流配送、制造服务等。(2)价值链

智能制造系统的价值链包含以下五部分

1）制造资源

代表现实世界的物理实体，如文件、图样、设备、车间、工厂等人员可视为制造资源的一个组成部分。

2）系统集成

代表通过二维码、射频识别、软件、网络等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。由小到大实现从智能装备/产品到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂乃至智能制造系统的集成。

3）互联互通

是指用同域网、马联网、移动网、专线等通信技术，实现资源间的连接及制造资源与企业管理系统间的连接。

4）信息融合

是指在系统集成和通信的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现企业内部、企业间乃至更大范围的信息协同共享。

5）新兴业

包括个性化足制、网络协开发、工业云服务、电子商务等服务型制造模式。

(3)智能制造系统生命周期

智能制造系统生命周期包括设计、生产、物流、销售和服务五个环节，是一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。产品生命周期中各项活动相互关联、相互影响。不同行业的产品生命周期构成不尽相同。在智能制造的大趋势下，企业从主要提供产品向提供产品和服务转变，使价值链得以延伸。

智能制造系统模型是一个通用模型，适用于智能制造全价值链所有合作伙伴公司的产品和服务，它为智能制造相关技术系统构建、开发、集成和运行提供一个框架。通过建立智能制造参考模型，可以将现有标准（如工业通信、工程、建模、功能安全、信息安全、可靠性、设备集成、数字工厂等）和拟制定的新标准（如语义化描述和数据字典、互联互通、系统能效、大数据、工业互联网等）一起纳入一个新的全球制造参考体系。第一章

绪论

第二节

智能制造发展现状

一、全球智能制造发展现状

从全球范围看，除了美国、德国和日本走在全球智能制造的前端，其他国家也在积极布局智能制造发展。

例如，欧盟各成员国将发展先进制造业作为重要的战略，在2010年制定了第七框架计划（FP7）的制造云项目，并在2014年实施欧盟。“2020地平线”计划，将智能型先进制造系统作为创新研发的优先项目。2013年，英国政府提出《英国工业2050战略》，该计划是定位于2050年英国制造业发展的一项长期战略研容通讨分析制业面临的问题和挑战，提出英国制造业发展与复苏的政策。随着国际分工体系的变化，韩国制业面临着竞争力下滑的挑战，迫切需要新的发展战略。2014年6月韩国政府正式推出《制造业创新3.0战略》，为韩国制造业的转型升级提供了明确的方向。二、中国智能制造背景及驱动因素

第一个驱动因素：我国经济发展正处在新旧动能转换的关键时期，新的经济增长必须依靠劳动者素质的提高，以及科技进步和全要素生产力的提高。所以经济增长进入高质量增长阶段的要求为我国智能制造的发展提供了一个重要的动力。图1-12010-2017年中国城镇单位就业人员平均工资图1-22012-2020年工业机器人成本回收期测算(单位：年）第二个驱动因素：中国的数字经济发展已经进入了一个赶超争先的阶段。第三个驱动因素，技术背景全网时代的到来社会已经进入一个人、机、物全面互联，在全球广域范围内的全网时代、信息化是鲜明的全网时代特征，新一代网络信息技术不断创新突破数字化、网络化、智能化、深入发展，信息革命正从技术产业革命向经济社会变革加速演变、世界经济数字化转型成为大势所趋，为智能制造带来重大的机遇。新一代的人工智能在全网的条件下出现和发展，实现人、机、物之间即时交互，依靠这些技术人类终将实现真正意义上的智能制造。三、中国制造2025战略

2015年5月，国务院发布《中国制造2025》，是中国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领。这一规划由工业和信息化部牵头，会同国家发改委、科技部、财政部、质检总局、工程院等20多个部门编制而成，前期组织了50多名院士、100多位专家历时一年半时间进行战略研究。其创新之处在于通篇贯穿了应对新一轮科技革命和产业变革的内容，重点实施了制造业创新中心建设、智能制造、工业强基、绿色发展、高端装备创新，中国制造2025战略建设框架如图1-3所示。图1-3中国制造2025战略建设框架《中国制造2025》国家战略

《中国制造2025》明确提出把智能制造作为两化（信息化和工业化）深度融合的主攻方向，以促进制造业创新发展为主题，以提质增效为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次、多类型人才培养体系，促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越。当前，全球制造业分为三个方阵，第一方阵是美国，第二方阵是德国、日本，中国、韩国、英国和法国等其他国家属于第三方阵。

《中国制造2025》提出“三步走”战略，提出力争通过三个十年的努力实现制造强国的战略目标。第一步，到2025年，制造业整体素质大幅提升，创新能力显著增强，形成一批具有较强国际竞争力的跨国公司和产业集群，迈入世界制造强国行列：第二步，到2035年，中国制造业达到世界制造强国中等水平；第三步，新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列，如图1-4所示。图1-4《中国制造2025》战略目标《中国制造2025》的主要内容可以用“一、二、三、四、五、五、十”来概括：

“一”就是一个目标，即实现制造业由大变强的历史跨越。

“二”就是两化融合，坚定不移地推进信息化与工业化深度整合，抢占新一轮的发展。

“三”就是“三步走”战略，力争用三个十年时间，通过“三步走”实现制造强国的战略目标。

“四”就是在推进制造强国战略中必须坚持的四项原则，一是市场主导，政府引导；二是立足当前，着眼长远；三是整体推进，重点突破；四是自主发展，开放合作。

“五”第一个“五”就是有五个方针，即创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化和人才为本。第二个“五”就是要以五大工程为抓手，即高端装备创新、工业强基创新能力建设、智能制造和绿色发展。

“十”就是大力推动十个重点领域突破发展，即重点聚焦新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械，如图1-5所示。图1-5中国制造2025重点突破的十大领域第二章智能制造单元技术基础第一节

智能制造单元控制系统技术基础第一节智能制造单元控制系统

一、SIEMENSS7-1200PLC智能制造单元控制系统应用

S7-1200PLC属于中小型系列的PLC。因为结构紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，S7-1200PLC可用于控制各种设备，也使它成为控制各种中小型工业自动化系统的完美解决方案。

S7-1200PLC在硬件结构上属于模块式PLC，组成PLC的各功能部件作为独立的模块，如CPU模块、电源模块、I/O模块和通信模块等，通过插槽框架组装成完整的PLC系统。模块化的结构便于在实际应用中根据用户需求选择，提高了PLC使用的灵活性。图2-1

S7-1200和S7-1500PLC基本单元图2-2

S7-1200PLC基本单元和常用配置图2-3

S7-1200PLCLED灯显示I/O状态指示灯以太网接口存储卡插槽CPU状态指示灯安装信号板处图2-4

S7-1200PLCLED灯显示

二、TIA博途软件应用

TIA博途软件为全集成自动化的实现提供了统一的工程平台。用户不仅可以将组态和程序编辑应用于通用控制器，也可以应用于具有Safety功能的安全控制器。除此之外，还可以将组态应用于可视化的Wince等人机界面操作系统和SCADA系统。通过在TIA博途软件中集成应用于驱动装置的Startdrive软件，可以对SINAMICS系列驱动产品配置和调试。结合面向运动控制的SCOUT软件，还可以实现对SIMOTION运动控制器的组态和程序编辑。图2-5PORTAL视图图2-6TIA博途软件主要的功能模块上图中，SIMATICSTEP7用于西门子PLC编程，如S7-1200/1500系列PLC编程；SIMATICWINCC用于设计触摸屏操控程序，如对西门子SIMATICHMI精简门面板系列触摸屏设计操控程序；SIMATICStartdrive功能模块主要用于西门子变频器驱动通信程序设计，如为SINAMICSG120系列变频器设计通信程序；SIMATICSCOUT功能模块主要用于SIMOTION运动控制器驱动，该运动控制器具有多种通信接口，用于连接伺服驱动器、步进驱动器和液压驱动器；SIMOCODE功能模块主要用于实现电动机提供全面的保护、监视与控制功能；TIAPortal是仿真工具，可以实现企业数字工厂从数字化规划和一体化透明运行。第二章智能制造单元技术基础第二节

智能制造单元物联网技术基础

一、物联网定义、体系结构

1999年，麻省理工学院Auto-ID研究中心提出：物联网（InternetofThings，IOT）是指把所有物品通过射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理功能的网络。

目前，较为公认的物联网定义是指物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

物联网作为一种“万物相连的互联网”，无疑消除了人与物之间的隔阂，使人与物、物与物之间的对话得以实现，由于整个物联网的概念涵盖从终端到网络、从数据采集处理到智能控制、从应用到服务、从人到物等方方面面，涉及射频识别装置、无线传感器、网络红外传感器、全球定位系统、互联网与移动网络、网络服务、行业）应用软件等众多技术引领整个科学技术的持续发展。物联网被称为继计算机、互联网信息产业发展的第三次浪潮。

二、物联网的体系架构

物联网是新型信息系统的代名词，它是三方面的组合：

一是“物”，即由传感器、射频识别器等各种执行机构实现数字信息空间与实际事物关联；

二是“网”，即利用互联网将这些物和整个数子信息空间进行互联，以方便广泛地应用；

三是“用”，即以采集和互联为基础，深入、广泛、自动地采集大量信息，以实现更高智慧的应用和服务。

物联网体系架构主要由三个层次组成：感知层、网络层和应用层。图2-7物联网体系结构框架图

1）感知层

物联网感知层是物联网的底层，它是实现物联网全面感知的核心，主要解决生物界和物理界的数据采集和连接问题。物联网是各种感知技术的广泛应用，物联网上有大量的不同类型的传感器，所捕获的信息内容和信息格式不同，所以，每一个传感器都是唯一的信息源。2）网络层

物联网络层主要解决感知层长距离传输数据的问题，是物联网的中间层，是物联网三大层次中标准化程度最高、产业化能力最强、最成熟的部分。它由各种私有网络、互联网、局域网、有线通信网、无线通信网、网络管理系统和云计算平台组成，相当于人类的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。网络层又称为传输层，包括接入层、汇聚层和核心交换层。3）应用层

物联网应用层提供丰富的基于物联网的应用，是物联网和用户(包括人、组织和其他系统）的接口。它与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。三、物联网的应用场景

制造业是指对原材料(采掘业的产品和农产品）进行加工或再加工，以及对零部件装配的工业的总称。制造业包括产品设计、制造、原料采购、仓储运输、订单处理、批发经营、零售等多个方面。实践证明，制造行业信息化综合集成应用是大型集团企业信息化的大势所趋。

国外许多大型企业一般通过数字化技术的综合集成应用，实现了产品研制、采购、销售等在全球范围内的协同管理。因此，产品创新设计、异地协同制造、集团企业经营综合管理等信息技术的集成应用是提高我国集团性企业核心竞争力、参与全球竞争的重要技术武器。

采集数据恰恰是物联网较为典型的应用形式，物联网因其具有实时性、精细化以及稳定度高等特点，可对生产过程中的设备物料以及环境物理量等多种数据进行采集和传输，可满足精益制造的多种要求，从而使制造业的信息化建设落到实处，并可提高效率减少浪费。第二章智能制造单元技术基础

第三节

智能制造单元工业机器人技术基础

一、工业机器人定义、使用特点及种类

根据机器人的应用环境，国际机器人联合会(InternationalFederationofRobotics，简称FR）将机器人分为工业机器人和服务机器人。现阶段，考虑到我国在应对自然灾害和公共安全事件中对特种机器人有着相对突出的需求，中国电子学会将机器人划分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三类，如图2-8所示。图2-8

2024年中国机器人市场结构图2-9

ABB工业机器人

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有柔性好、自动化程度高、可编程性好、通用性强等特点。国际上，工业机器人的定义主要有以下三种：

1）国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization

，简称ISO）的定义：工业机器人提神具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。

2）美国机器人工业协会(TheRoboticIndustryAssociationofAmerica，简称RIA）的定义：一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统。

3）日本工业机器人协会(TheJapanIndustrialRoboticsAssociation，简称JIRA）的定义：工业机器人是-种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的机器。2.工业机器人的特点：1）可编程

工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，是柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem，简称FMS）中的一个重要组成部分。2）拟人化

工业机器人在机械结构上有类似人的腿部、足部、腰部、大臂、小臂、手腕、手指等部位。此外，智能化工业机器人还有许多类似人的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。3）通用性

一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器(手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。4）机电一体化

工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子学的结合机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能。

CHL-DS-11智能制造单元ABB机器人一应用程序，其功能是把汽车轮毂从仓储子单元搬运到加工子单元的应用程序，各程序段和相关指令的含义参见教材。图2-10常见的工业机器人

二、工业机器人的应用

1.机器人焊接应用2.机器人搬运应用3.机器人喷涂应用4.机器人装配应用5.机械加工应用图2-11工业机器人机械加工应用第二章智能制造单元技术基础第四节

智能制造单元数控加工技术基础

现代企业数控加工系统一般由编程系统、数控机床、机床工艺系统和加工保障系统等构成。其中，编程系统一般利用CAD/CAM软件，根据零件的加工要求在CAD的基础上，进行工艺分析，进而生成数控加工所需的数控代码，通过串行通信或网络的形式传送给数控机床，并在机床工艺系统和加工保障系统的配合下，完成零件的加工。

数控机床加工原理框图如图2-12所示，经过运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按要求自动将零件加工出来。图2-12数控机床加工原理框图数控机床与传统机床相比，具有以下特点：1.编程实现零件自动加工且具有高度柔性2.加工精度高3.加工质量稳定、可靠4.生产率高5.改善劳动条件6.利用生产管理现代化

智能制造单元数控加工子单元（数控铣床，配置西门子828D数控系统）铣削应用程序，其功能是实现轮毂平面铣削。第二章智能制造单元技术基础第五节智能制造单元RFID技术基础

一、智能制造单元射频识别技术

RFID是“RadioFrequencyIdentification”的缩写，即无线电射频识别，又称电子标签，是一种基于无线电的信息识别技术。

REID射频识别通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，是一种非接触式的自动识别技术。

作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温特点，使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密，存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。RFID设备操作快捷方便，可以实现识别高速运动物体以及同时识别多个标签的功能，还可以工作于各种恶劣环境，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。2.RFID技术特点RFID技术具有以下特点:1）读取方便快捷。2）识别速度快。3）数据容量大。4）穿透性和无屏障阅读。5）使用寿命长，应用范围广。6）标签数据可动态更改。7）安全性好。8）动态实时通信。

二、RFID技术工作原理

一套完整的RFID系统由阅读器、电子标签(也称为应答器）和中央数据处理系统三部分组成。RFID系统工作原理是阅读器发射特定频率的无线电波能量，用驱动电路将内部的数据送出，阅读器依序接收解读数据、送给应用程序进行相应的处理。RFID系统阅读器与应答器之间的通信采用无线射频方式进行耦合，识别信息存放在电子数据载体应答器中，应答器中存放的识别信息由阅读器读写，其系统组成框架如图2-13所示。图2-13RFID系统组成框架

阅读器和应答器之间的交互主要靠能量、时序和数据三个方面来完成：

1）阅读器产生射频载波为应答器提供工作所需能量。

2）阅读器与应答器之间的信息交互通常采用询问应答的方式进行，所以必须有严格的时序关系，该时序由阅读器提供。

3）阅读器与应答器之间可以实现双向数据交换，阅读器给应答器的命令和数据通常采用载波间隙、脉冲位置调制、编码解调等方法实现传送。应答器存储的数据信息采用对载波的负载调制方式向阅读器传送。三、RFID技术的应用场景

RFID技术具有抗干扰性强以及无须人工识别的特点，借助RFID技术在识别、感知、联网、定位等方面的强大功能，将RFID技术与制造技术相结合，可有效提升制造效率、制造品质和企业管理水平。RFID技术在智能制造中的应用主要有以下几个方面。

1.基于RFID技术的数字化车间

RFID在数字化车间中的应用主要包括产品管理、设备智能维护、车间混流制造。采用RFID技术可实现产品与主机之间的信息交互、产品的可视化跟踪管理、元器件寿命定时监控与预测。

2.基于RFID技术的智能产品全生命周期管理

智能化是机电产品未来发展的重要方向和趋势。3.基于RFID技术的物流智能化第二章智能制造单元技术基础第六节智能制造单元通信技术基础一、Modbus通信协议简介

Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司(现在的施耐德电气公司）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发布。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

Modbus是应用于电子控制的一种通用协议。通过该协议，控制器之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备就可以实现通信。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连接成工业网络，进行集中监控。该协议定义了一个控制器能够识别、使用的消息结构，不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其他设备的过程，如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。1.Modbus通信协议的特点。

1）标准、开放。用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要缴纳许可费用，不会侵犯知识产权。

2）Modbus协议产品的造价低。Modbus是采用面向报文的协议，支持多种电气接口，如RS232、RS422、RS485等。该协议支持的可传送信息的物理介质包括双绞线、光缆、无线射频等。

3）Modbus易于部署和维护，其帧格式紧凑，协议简单高效、通俗易懂，用户使用方便，易于开发。

4）Modbus允许供应商无限制移动原始位或字。2.Modbus协议的架构

Modbus协议采用主从结构，提供连接到不同类型总线或者网络设备之间的客户机/服务器通信。客户机使用不同的功能码请求服务器执行不同的操作；服务器执行功能码定义的操作并向客户机发送响应，或者在操作中检测到差错时发送异常响应。（1）消息帧

Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的协议数据单元（ProtocolDescriptionUnit，PDU）。客户机使用不同的功能码请求服务器执行不同的操作；服务器执行功能码定义的操作并向客户机发送响应，或者在操作中检测到差错时发送异常响应。2）传输方式

Modbus协议是一种应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。Modbus协议本身并没有定义物理层，只是定义了控制器能够识别和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

Modbus协议使用串口传输时可以选择RTU或ASCII模式，并规定了消息、数据结构、命令和应答方式并需要对数据进行校验。ASCII模式采用LRC（纵向冗余校验），RTU模式采用16位CRC（循环冗余校验）。通过以太网传输时使用TCP，这种模式不使用校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。（3）功能码

简单来说，主设备（控制器）发送的功能码告诉从设备执行什么任务。不管Modbus采用何种方式传输，其PDU内容都是一样的。功能码是请求/应答PDU的元素，有效的码字范围是十进制的1～255，其中128～255为异常响应保留。已定义的Modbus公共功能码按其功能可分为数据访问类、异常响应及诊断类两部分。数据访问类功能码实现对输人离散量、寄存器的访问以及文件记录的读写。诊断类功能码提供了读异常状态、设备标识等功能。更详细的功能码介绍可查阅Modbus协议标准规范。（4）数据域

数据域是由两个十六进制数构成的，范围为00～FF。根据网络传输模式，它可以是由一对ASCII字符组成或由一个RTU字符组成。数据域包含需要从设备执行什么动作或从设备采集的返回信息。这些信息可以是数值、参考地址等。例如，功能码指出从设备读取寄存器的值，则数据域必须包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从设备，地址和数据信息都不相同。

（5）错误检测域

标准的Modbus网络有两种错误检测方法，错误检测域的内容视所选的检测方法而定。当选用ASCII模式作为字符帧，则错误检测域包含两个ASCII字符。这是使用LRC方法对消息内容计算得到的，不包括开始的冒号及回车换行符。LRC字符附加在回车换行符前面。当选用RTU模式作为字符帧，则错误检测域包含一个16位值（用两个8位字符来实现）。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗余校验方法得到的。CRC域附加在消息的最后，添加时先处理低字节然后处理高字节，故CRC的高位字节是发送消息的最后一个字节。

Modbus支持连接到同一网络的多个设备之间的通信，例如测量温度和湿度的系统，并将结果传送给计算机。Modbus通常用于将监控计算机与远程终端单元（RTU）连接在监控和数据采集（SCADA）系统中。

3.数据传输在数据传输方面，Modbus支持不同类型的网络传输机制。（1）在Modbus网络上传输

Modbus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程控制器、智能模块和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。在Modbus网络，所有通信都由主机发出，网络可支持200多个远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。（2）在其他类型的网络上传输。

在其他网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制器都能与其他控制器进行通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备，也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。

在消息传输方面，Modbus协议仍提供了主-从原则，尽管网络通信方法是对等的。如果控制器发送一消息，它是作为主设备，并期望从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一个从设备回应格式并返回给发送的控制器。

二、工业以太网（PROFINET）协议简介

在网络技术广泛应用的今天，基于TCP/IP的Internet基本上变成了计算机网络的代名词，而以太网又是应用最为广泛的局域网，TCP/IP和以太网相结合成为当前最为流行的网络解决方案。所谓工业以太网，就是基于以太网技术和TCP/IP技术开发出来的一种工业通信网络。

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现为普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性本质安全性等方面不能满足工业现场的需要。故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。

工以太网通信适合对数据传输速率高、交换数据量大的、主要用于计算机与PLC连接的子网，它的优势主要体现在以下几方面:

1）应用广泛，以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。

2）通信速率高，目前，10、100Mit/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gbit/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mbit/s（如西门子PrbusDP）。显然，以太网的速率比传统现场总线要快得多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

3）资源共享能力强，随着Internet/Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化"，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。

4）可持续发展潜力大，以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。第三章智能制造单元运行与调试第一节认识智能制造单元与产品情景导入中国制造2025

坚持"创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本"一、智能制造单元构建的关键技术图（1）传感检测技术高灵敏度、高精度、高可靠性的传感技术。（2）实时通信网络技术通信网络实现模块各个功能模块实时数据通信。（3）精密制造技术精密成型锻造技术、精密铸造技术和数控加工技术等。

（4）自动识别技术射频识别（RFID）技术是智能制造系统中被广泛应用的一项关键技术。（5）工业机器人技术在智能制造系统运行过程中，工业机器人实现物料搬运、出入库、数控机床上下料及工件夹持等功能。

（6）视觉检测技术在智能制造系统中，视觉系统用于实现图像检测。（7）系统协同技术自动化系统整体方案设计技术以及安装调试技术。二、CHL-DS-11智能制造单元与产品图3-1CHL-DS-11智能制造单元1.总控制台模块外形及组成装置图3-2总控制台模块外形及组成装置

总控制台模块也可以称为总控子单元，其构成分为控制模块、操作面板、显示终端和移动终端。2.立体仓储模块图3-3立体仓储模块

仓储模块用于存放零件，由工作台、立体仓库、远程IO模块等组件构成，立体仓库为双层六仓位结构，每个仓位可存放一个零件。3.打磨模块图3-4打磨模块

打磨模块是完成对零件表面打磨、吹屑过程中的设备，由工作台、打磨工位、旋转工位、翻转工装、吹屑工位、防护罩、远程I/O模块等组件构成。4.CNC加工模块图3-5CNC加工模块

加工单元可对零件表面指定位置进行铣削加工，由工作台、数控机床、刀库、数控系统、远程I/O模块等组件构成。5.视觉检测模块图3-6视觉检测模块

视觉检测模块可根据不同需求完成对零件的检测、识别，由工作台、智能视觉、光源、结果显示器等组件构成。6.成品分拣模块图3-7成品分拣模块

成品分拣模块可根据程序实现对不同零件的分拣动作，由工作台、传输带、分拣机构、分拣工位、远程IO模块等组件构成。7.执行模块图3-8立体仓储模块

执行模块是产品在各个单元间转换和定制加工的执行终端，由工作台、工业机器人、平移滑台、快换模块法兰端、PLC控制器、远程IO模块等组件构成。第三章智能制造单元运行与调试第二节智能制造单元调试与应用一、PLC轴工艺对象的配置

图3-9执行单元滑台移动1.工艺对象配置图3-10新建伺服轴图3-11基本参数-常规参数组态1.工艺对象配置图3-12基本参数-驱动器参数配置图3-13扩展参数-机械参数组态1.工艺对象配置图3-14扩展参数-位置限制参数组态1.工艺对象配置图3-15动态-常规参数组态1.工艺对象配置图3-16动态-急停参数组态1.工艺对象配置图3-17回原点-主动参数组态THANKS二、气压传动控制系统的运行及调试图3-18气源处理三联件图3-19气源处理二联件图3-20二位三通电磁换向阀工作原理图3-21电磁换向阀图形符号图3-22单电控二位五通电磁换向阀图3-23单电控二位五通电磁换向阀组图3-24各类气动执行元件图3-25气缸和单向节流阀的安装图3-26磁耦式无杆气缸

说明：此图是执行单元气动原理图。该气压传动系统有2个气动手指气缸，功能是实现夹具在机器人末端关节的安装和夹具夹持动作的实现。图3-27

机械手法兰夹具和气动夹具气动原理图

说明：该气压传动系统有6个笔形气缸，功能是实现6个仓位汽车轮毂的入仓和出仓，入仓时气缸活塞杆缩回，出仓时活塞杆伸出，伸出位置由磁性开关检测，缩回退到底。气缸初始状态为活塞杆缩回，换向阀电磁线圈通电实现活塞杆伸出。图3-28立体仓储模块气动原理图图3-29分拣模块气动原理图

该气压传动系统有9个气缸，实现汽车轮毂在三个成品库的入库作业。每个成品库入库作业包括挡料、推料、定位三个动作，所以每个成品库有三个气缸；挡料气缸升降动作，当下降时实现挡料；推料气缸为磁偶式无杆气缸，将汽车轮毂推送至成品库；定位气缸实现汽车轮毂在成品库正确安放。

图3-30打磨单元气动原理图

该气压传动系统有6个气缸，还有一个吹气仓（作用是吹气清除汽车轮毂的铁屑）；夹爪升降气缸和夹爪翻转气缸换向用双电控三位五通阀控制，打其余气缸换向用单电控二位五通阀控制。

说明：该气压传动系统有6个气缸，还有一个吹气仓（作用是吹气清除汽车轮毂的铁屑）；夹爪升降气缸和夹爪翻转气缸换向用双电控三位五通阀控制，打其余气缸换向用单电控二位五通阀控制。

打磨单元气压传动系统的工作过程是：打磨工位夹持气缸实现汽车轮毂夹持→机械手携带打磨工具实现轮毂打磨→夹爪手指气缸实现汽车轮毂夹持→夹爪升降气缸实现夹爪上升→夹爪翻转气缸实现汽车轮毂翻转→夹爪升降气缸实现夹爪下降→夹爪手指气缸实现汽车轮毂松开夹持→旋转工位夹持气缸实现汽车轮毂夹持→机械手携带打磨工具实现轮毂打磨→旋转工位摆动气缸实现汽车轮毂旋转一定角度→机械手携带打磨工具实现轮毂打磨→机械手夹持汽车轮毂进入吹气仓吹气清楚汽车轮毂铁屑→机械手夹持汽车轮毂进入分拣模块进行分拣等。

图3-31视觉检测模块软件操作界面

图3-32欧姆龙视觉系统三、视觉检测模块的运行及调试

判定显示窗口：显示场景的综合判定结果（[OK]/[NG]）。场景整体的综合判定结果。综合判定中显示的处理单元群中，如果任一判定结果为NG，则显示为NG。

信息显示窗口：显示布局、处理时间和场景组名称、场景名称。

布局：将显示当前的布局编号。

处理时间：显示测量处理所花的时间。

场景组名称、场景名称：显示当前显示中的场景组编号、场景编号1.判定、信息显示窗口图3-33视觉系统软件判定、信息显示窗口

③工具窗口

“流程编辑”：启动用于设定测量流程的流程编辑画面。

“保存”：将设定数据保存到控制器的闪存中。变更任意设定后，请务必点击此按钮，保存设定。

“场景切换”：切换场景组或场景。可以使用128个场景×32个场景组=4096个场景。

“布局切换”：切换布局编号。2.工具显示窗口

图3-34工具显示窗口测量窗口的作用是执行相机测量、图像文件测量、输出、连续测量。3.测量显示窗口④测量显示窗口

图3-35测量显示窗口

图3-36相机参数设置

详细结果显示窗口（右图下位）

将显示试测量结果。

流程显示窗口（右图上位）

将显示测量处理的内容（测量流程中设定的内容）。点击各处理项目的图标，将显示处理项目的参数等要设定的属性画面。4.流程、详细结果、图像显示窗口

图3-37详细结果显示、图像显示知识回顾

本小节我们学习了视觉系统操作界面得判断显示窗口、信息显示窗口、工具窗口、测量窗口、图像窗口、详细结果显示窗口、流程显示窗口。

图3-38欧姆龙视觉系统

（1）进入主界面

执行“功能”→“场景管理”命令，进行场景管理界面。

图3-39场景管理5.车标检测示例

（2）添加添加“形状搜索Ⅲ”进入测试流程搭建界面，从右侧项目处理单元中，选中需要添加的处理项目，单击“追加”按钮，处理项目即可被添加至左侧流程框中。本项目添加的是“形状搜索Ⅲ”。5.车标检测示例图3-40添加“形状搜索Ⅲ”

（3）检测区域设定

选择符合奔驰车标大小的框选图形，此处选择长方形，框选车标搜索区域，选中“保存模型登录图像”项，单击“确定”按钮。图3-41检测区域设定5.车标检测示例

（4）相似度设定

单击“测量参数”选型卡，将相似度修改为85-100,单击确定。

图3-42相似度设定5.车标检测示例5.车标检测结果图3-43有图案车标检测结果图3-44没有图案车标检测结果THANKS第三章智能制造单元运行与调试第三节

智能制造单元综合调试运行

一、运行流程

二、综合调试任务与目标1.执行模块的调试任务与目标2.立体仓储模块的调试任务与目标3.CNC加工模块的调试任务与目标4.检测模块的调试任务与目标5.打磨模块的调试任务与目标6.成品分拣模块的调试任务与目标7.总控制台模块的调试任务与目标8.初始状态的调试任务与目标1.气路检查接通气路2.电源连接总电源检查接通电源控制面板操作3.接通机器人电源开关接通机器人自动运行模式

三、执行单元调试任务目标

（1）工业机器人安全姿态设定

确定工业机器人本体的安全姿态，在此姿态下工业机器人本体不会与周边设备发生碰撞。当机器人单元第七轴运行时，工业机器人本体必须保持此姿态，不得同时其它动作。

（2）机器人单元第七轴参数配置

对机器人单元中的PLC编程，设置伺服电机的控制参数与实物规格一致，实现PLC对第七轴的运动控制；

在机器人示教器上实现第七轴回原点、定位运动、定速运动功能，原点传感器位于标尺零刻度一侧。

（3）快换工具的拾取与放回

对工业机器人操作与编程，使工业机器人可以完成对所需工具的拾取与放回，

动作过程连贯无碰撞。

（4）快换工具的使用

对工业机器人操作与编程，使工业机器人可以完成对所使用工具的动作控制，如夹爪类工具的夹紧/松开、吸盘类工具的吸取/释放、电动工具的旋转，并实现产品的拾取、释放、加工等。

1.初始状态的调试任务与目标

在流程开始前和流程结束后，应用平台处于初始状态，初始状态目标如下：

（1）工业机器人处于安全姿态，无工具。

（2）第七轴处于原点位置。

（3）快换工具按照需求摆放稳当。

（4）仓储单元所有仓位托盘缩回，指示灯正常点亮。

（5）数控单元主轴停转，主轴位于机床坐标系原点，数控机床安全门关闭，夹具位于前端并松开。

（6）分拣单元传送带停止，分拣机构所有气缸缩回。

（7）总控单元三色灯仅绿色灯常亮，根据要求开始产品零件的生产工艺流程。

（8）流程开始前和完成所有流程后，总控单元三色灯仅黄色灯常亮。

2.立体仓储单元调试任务目标

（1）由外部信号控制仓位托盘推出和缩回。

（2）每个仓位的传感器可以感知当前是否有产品零件存放在仓位中。

（3）仓位指示灯根据仓位内产品零件存储状态点亮，当仓位内没有存放产品零件时亮红灯，当仓位内存放有产品零件亮绿灯。

3.CNC加工模块的调试任务与目标

（1）工业机器人将从打磨工位上取一个轮毂，数控单元安全门打开，工业机器人将轮毂上料到数控单元的夹具上；

（2）工业机器人退出数控单元，数控单元安全门关闭；

（3）数控机床完成指定加工图纸图形和数控加工工艺表进行加工（操作员需根据产品零件的正背面状态自行完成翻转动作，确保对产品零件正面的数控加工区域进行数控加工），加工完成数控主轴复位。

（4）工业机器人将产品零件由数控单元的夹具上拾取出来。

4.检测单元的调试任务与目标

（1）工业机器人抓取轮毂零件，进行背面区域的产品特征视觉检测；

（2）工业机器人控制视觉系统拍照。

5.打磨单元的调试任务与目标

（1）当工业机器人准备将轮毂零件放置到打磨工位或准备将轮毂由打磨工位取走时，翻转工装处于旋转工位一侧；

（2）当工业机器人准备将轮毂零件放置到旋转工位或准备将轮毂由旋转工位取走时，翻转工装处于打磨工位一侧；

（3）翻转工装可将轮毂零件在打磨工位和旋转工位间翻转并准确定位；

（4）打磨加工只需将打磨刷与轮毂表面接触后开启打磨，保持3S后关闭打磨。

6.成品分拣模块的调试任务与目标

（1）根据外部指令启动传动带，并当产品零件运动到指定分拣机构时，传送带停止。

（2）当产品零件触发传送带起始端传感器后，根据外部指令将对应道口分拣机构升降气缸降下。

（3）当产品零件运动到指定分拣机构前，该分拣机构推动气缸将产品零件推入分拣道口，再通过道口的定位气缸将产品零件定位到V型槽处，保持3s后缩回。THANKS第四章

智能制造单元通信协议与通信指令第一节

工业通信网络技术基础

一、智能装备的通信方式

在数据通信中，按每次传送的数据位数，通信方式可分为：并行通信和串行通信。

并行通信是一次同时传送8位二进制数据，从发送端到接收端需要8根传输线。

串行通信一次只传送一位二进制的数据，从发送端到接收端只需要一根传输线。

对于控制器对控制器之间的通信，按照数据传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。

单工通信是指消息只能单方向传输的工作方式。

通信半双工通信可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。在这种工作方式下，发送端可以转变为接收端；相应地，接收端也可以转变为发送端。

全双工通信是指在通信的任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向数据传输。全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收数据。

二、串行异步通信含义、接口标准和通信格式

1.串行异步通信含义

串行通信是以二进制的位（bit）为单位的数据传输方式，每次只传送一位，除了地线外，在一个数据传输方向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作为通信联络控制线，数据信号和联络信号在这根线上按位进行传送。

异步传送是在数据传送过程中，发送方可以在任意时刻传送字串（一组二进制数或一个字符），两个字串之间的时间间隔是不固定的。接收端必须时刻做好接收的准备，但在传送一个字串时,所有的比特位（bit）是连续发送的。

通信协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对通信接口、同步方式、通信格式、传送速度、传送介质、传送步骤、数据格式及控制字符定义等一系列内容做统一规定，通信双方必须同时遵守。通信协议应该包含两部分内容：一是硬件协议，即接口标准；二是软件协议，即通信协议。

2.接口标准

串行异步通信接口标准是对接口的电气特性要做出规定，例如，逻辑状态的电平、“0”是几伏、“1”是几伏、信号传输方式、传输速率、传输介质、传输距离等；3.串行异步通信格式（起止式异步传送字串的数据格式）串行异步通信字串传送数据格式和波特率，称为串行异步通信的通信格式。在串行异步通信中，通信双方必须就通信格式进行统一规定，也就是就一个字串的数据位长度、有无校验位、校验方法和停止位的长度及传输速率（波特率）进行统一设置,这样才能保证双方通信的正确。如果不一样，都不能保证正确进行通信。通信格式的设置是由硬件电路来完成的。图4-1起止式异步传送示意图

起止式异步传送的特点：一个字串一个字串地传输，每个字串一位一位连续地传输，并且传输一个字串时，总是以“起始位”开始，以“停止位”结束，字串之间没有固定的时间间隔要求。

3.串行异步通信数据传送格式（报文格式)

把一个一个的字串组织在一起，形成了一个字串串，这个由多个字

串组成的数据信息就是通信控制的具体内容，称为一帧信息。

图4-2HDLC的数据信息帧结构HDLC是高级数据链控制的英语缩写。第四章

智能制造单元通信协议与通信指令第二节互联网TCP/IP协议

一、TCP/IP协议在智能制造单元中的应用

在智能制造单元中，工业机器人控制器通过互联网TCP/IP协议，实现与视觉检测模块控制器的数据交互，完成工业机器人与视觉检测模块的数据通信。

互联网TCP/IP协议，即传输控制/网络协议，也叫作网络通讯协议，它是互联网使用最基本的通信协议。TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构，包括应用层、传输层、网络层和数据链路层。

二、互联网TCP/IP协议架构

TCP/IP协议在一定程度上参考了OSI（OpenSystemInterconnect，开放式系统互连）参考模型的体系结构。

OSI模型共有七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

在TCP/IP协议中，它们被简化为以下四个层次：应用层、传输层、网络层和数据链路层。应用层是TCP/IP协议的第一层，是直接为应用进程提供服务的。传输层在终端用户之间提供透明的数据传输，向上层提供可靠的数据传输服务。网络层可以进行网络连接的建立和终止以及IP地址的寻找等功能。数据链路层既是传输数据的物理媒介，也可以为网络提供一条准确无误的线路。第四章

智能制造单元通信协议与通信指令第三节Modbus通信协议与通信指令

Modbus协议是由Modicon公司（现在的施耐德电气公司）于1979年底为实现可编程逻辑控制器通信而开发的一种串行通信协议，用于在自动化设备和控制系统之间进行数据通信。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信。Modbus协议也是一种通用工业标准。利用Modbus协议，不同厂商生产的控制设备就可以连成工业网络，进行集中监控。该协议还定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过哪种网络进行通信的。Modbus协议也描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及如何侦测错误并记录。制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通信时，该协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，决定要产生何种行为。如果需要回应，设备将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含Modbus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。

协议在一根通讯线上使用应答式连接（半双工），意味着在一根单独的通讯线上信号沿着相反的两个方向传输。首先，主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备（从机），然后，在相反的方向上终端设备发出的应答信号传输给主机。协议只允许在主计算机和终端设备之间交换，而不允许独立的设备之间的数据交换，这就不会在使他们初始化时占据通讯线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。

一、ModbusRTU通信协议Modbus协议有多个变种，如ModbusTCP/IP协议、ModbusRTU协议、ModbusASCII协议。ModbusTCP/IP协议使用RJ45物理通信接口；ModbusRTU协议使用RS232或者RS485/RS422接口，通讯方式是串口通信，是直接传输二进制数值的通信；ModbusASCII协议使用RS232或者RS485/RS422接口，ModbusASCII协议通信方式也是串口通信，ModbusASCII比前两者少用。ModbusRTU（RemoteTerminalUnit，远程终端单元）是最常见和流行的一种。ModbusRTU是基于串行通信的协议，使用二进制编码来传输数据。它通常运行在RS-485或RS-232串行接口上，支持多主从模式。1.ModbusRTU通信协议的运行机制

ModbusRTU通信协议使用简单而有效的“请求-响应”机制，其中一个主机（通常是控制系统）发送请求来读取或写入从机（通常是自动化设备）的数据。

每个设备都有一个唯一的地址，以便主机可以准确识别要与之通信的设备。通信速率、数据位、停止位和校验位等参数需要在主从设备之间进行配置以保持通信的一致性。ModbusRTU协议使用了简单且紧凑的数据结构，包括功能码（用于指定读取或写入操作类型）、寄存器地址（用于指定要读取或写入的数据地址）和数据字段（包含要读取或写入的实际数据）。数据可以是寄存器（例如：输入寄存器或保持寄存器）或线圈（例如：输入线圈或输出线圈）类型。通信模块/通信板订货号备注CM1241RS2326ES7241-1AH32-0XB0作主站时，只能与一个从站通信CM1241RS4856ES7241-1CH30-0XB0作主站时，最多可以与32个从站通信CM1241RS422/4856ES7241-1CH32-0XB0作主站时，最多可以与32个从站通信表4-1支持ModbusRTU通信的模块2.ModbusRTU通信协议的主要特点：

简单和可靠：ModbusRTU协议采用简单的帧格式，通过串口通信传输数据，具有高度可靠性。

灵活性：可以支持多种不同类型的设备和网络拓扑结构，并且允许不同设备之间的直接通信。

跨平台性：ModbusRTU协议可以在不同的硬件平台和操作系统上运行，使其成为一种常见的工业通信标准。

高效性：使用二进制编码的方式传输数据，可以实现较高的传输速率。

3.ModbusRTU通信协议的工作原理ModbusRTU协议定义了主从设备之间数据交换的规则。主设备负责发起通信并控制数据的读写，而从设备则执行主设备的指令并返回相应的数据。主设备发送一个读或写指令帧给从设备，帧中包含了从设备的地址、寄存器地址和要读写的数据。从设备接收到指令后进行处理，并将处理结果返回给主设备。主设备接收到从设备的应答后，解析其中的数据并根据需要进行下一步操作。二、ModbusTCP通信协议1996年，施耐德公司推出了基于以太网TCP/IP的Modbus协议——ModbusTCP通信协议。ModbusTCP覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中Modbus报文的用途。ModbusTCP通信协议的最通用用途是为诸如PLC，I/O模块，以及连接其他简单域总线或I/O模块的网关服务的。ModbusTCP协议是在RTU协议前面添加MBAP报文头，由于TCP是基于可靠连接的服务，RTU协议中的CRC校验码就不再需要，所以在ModbusTCP协议中是没有CRC校验码。ModbusTCP使用服务器与客户机的通信方式，由客户机对服务器的数据进行操作访问（读/写），服务器响应客户机的读/写操作。1.ModbusTCP传输过程参考模型ModbusTCP的传输过程基于TCP/IP以太网参考模型，该模型通常采用五层结构，对应OSI七层模型的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。‌‌物理层‌：提供设备的物理接口，与以太网介质（如双绞线、光纤）和网络适配器兼容，负责比特流的物理传输。‌数据链路层‌：将信号格式化为包含源和目的硬件地址的数据帧，以太网中通常使用EthernetII或802.3格式，通过MAC地址实现节点间帧的可靠传递。‌网络层‌：处理IP地址（32位IPv4）和路由选择，负责将IP数据报从客户机发送到服务器。‌传输层‌：基于TCP协议提供端到端的可靠数据传输，确保数据完整性、顺序性和流量控制，通过端口号（如502）区分不同服务，并处理错误检测、重传和连接管理。‌应用层‌：承载Modbus协议报文，定义数据交换的格式和规则，如MBAP报文头和功能代码。‌

2.Modbus的操作对象

Modbus的操作对象有四种：线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器。线圈是PLC的输出位，属于开关量，在MODBUS中可读可写；离散量是PLC的输入位，开关量，在MODBUS中只读；输入寄存器是PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在MODBUS中只读；保持寄存器是PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，在MODBUS中可读可写。

根据对象的不同，Modbus的功能码有：0x01：读线圈；0x02：读离散量输入；0x03：读保持寄存器；0x04：读输入寄存器；0x05：写单个线圈；0x06：写单个保持寄存器；0x10：写多个保持寄存器；0x0F：写多个线圈。

ADU‌是‌ApplicationDataUnit‌的缩写，中文为“应用数据单元”，是ModbusTCP协议通信的完整数据结构。MBAP是ModbusApplicationProtocolHeader的简写，即Modbus报文头。PDU是ProtocolDataUnit的简写，即协议数据单元，包含功能码和通信数据。ModbusTCP数据帧由MBAP和PDU构成。

图3-3

ModbusTCP数据帧结构

3.读寄存器数据传输过程

在读寄存器的过程中，以ModbusTCP请求报文为例,具体的数据传输过程如下：1)ModbusTCP客户端实况，用Connect()命令建立目标设备TCP502端口连接数据通信过程；2)准备Modbus报文，包括7个字节MBAP内请求；3)使用send()命令发送；4)同一连接等待应答；5)同recv()读报文，完成一次数据交换过程；6)当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其他服务。

三、ModbusRTU通信指令ModbusRTU通信协议定义了一系列功能码，用于在主设备和从设备之间进行数据读写操作。以下是ModbusRTU通信中常用的几个功能码及其对应的指令。1.Modbus_Comm_Load指令块Modbus_Comm_Load指令用来对ModbusRTU通信模块的端口进行组态，Modbus_Comm_Load指令块见图4-3所示，部分引脚参数定义见表4-2。图4-3Modbus_Comm_Load指令块引脚名称定义REQ上升沿时启动该指令PORT指定通信端口的硬件标识符BAUD波特率，有效值为300bit/s、600bit/s、1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s、19200bit/s、38400bit/s、57600bit/s、76800bit/s、115200bit/sPARITY奇偶校验，0：无校验；1：奇校验；2偶校验FLOW_CTRL、RTS_ON_DLY、RTS_OFF_DLY用于RS232接口的通信，分别为流控制选择、接通延迟选择、关断延迟选择RESP_TO响应超时时间，通常采用默认值1000msMB_DB对Modbus_Master或Modbus_Slave指令的背景数据块（静态变量）的引用DONE如果上一个请求完成并且没有错误，DONE位将变为TRUE并保持一个周期ERROR如果上一个请求完成出错，则ERROR位将变为TRUE并保持一个周期STATUS错误代码表4-2Modbus_Comm_Load

指令块部分引脚参数定义2.Modbus_Master指令块指令块

ModbusMaster指令可通过由ModbusComm_Load指令组态的端口作为Modbus主站进行通信。图4-4MB_MASTER指令及组态参数表4-3Modbus_Master指令块部分引脚参数定义引脚名称定义REQ上升沿时启动该指令。MBADDRModusRTU从站地址(0～247),地址0将消息广播到所有Modbus从站。广播仅支持Modbus功能代码05、06、15和16。MODE选择Modbus功能的类型，0:读取;1:写入。DATA_ADDR指定要访问的从站中数据的Modbus起始地址。DATALEN指定要访问的数据长度。DATAPTR数据指针，指向要进行数据写入或数据读取的标记或数据块地址。DONE如果上一个请求完成并且没有错误，DONE位将变为TRUE并保持一个周期。BUSYFALSE:无激活命令，TRUE:命令执行中。ERROR如果上一个请求完成出错，则ERROR位将变为TRUE并保持一个周期。STATUS错误代码。

3.Modbus_Slave指令块

使用Modbus_Slave指令作为Modbus从站进行通信。图4-5MB_SLAVE指令及参数组态

表4-4Modbus_Slave指令块部分引脚参数引脚名称定义MB_ADDRModbusRTU从站地址(0～247)，0是广播地址。MB_HOLDREGModbus保持寄存器DB的指针，Modbus保持寄存器可能为标志的存储区或者数据块NDR1表示Modbus主站已写入数据，为0状态则没有数据。DR