隨著3C 技術迅速發展, 網絡集成信息自動化正迅速應用到現場設備、控制中, 現場總線控制系統正逐步取代傳統的集散控制系統, 其中Modbus 現場總線協議在基于PLC 的控制系統中得到了越來越廣泛的應用. 在本系統中, 以PLC 為主機、溫度采集模塊為從機, 完成對生產過程的自動控制、工業流程及工藝參數的顯示、修改, 根據PLC 的無協議通信功能, 用Modbus 現場總線協議實現主機與從機的通訊。

　　本文基于某監控系統的設計, 實現了三菱FX2N 系列PLC 在無協議通信方式下與DS18b20型數字溫度傳感器的采集模塊以Mo dbus 協議通信, 在電爐熔化工作過程中, 對電爐、電容、冷卻水等100 多點的溫度實現巡檢。

　　1 系統硬件組成

　　溫度監控部分系統的硬件由DS18b20 型數字溫度傳感器、采集模塊、FX2N 系列PLC、FX2N-485-BD、HITECH 觸摸屏組成, 其結構如圖1 所示。

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圖1 系統硬件組成

　　DS18b20 是世界上首個支持單線總線接口( 1w ire bus inter face) 的數字化溫度傳感器, 單總線接口便于構建分布式的溫度測控網絡, 數字化的輸出提高了信號傳輸的可靠性, 而且使外圍電路大為簡化。 DS18b20 具有很高的適應性和性價比, 其測溫范圍為- 55~ 125 ℃? , 測溫精度為±0. 5℃ , 測溫距離最大為200 m , 測溫方式使用3 線制, 本系統使用的傳感器排序方式為指定排序。

　　DS18b20 內部主要有3 個數字部件: 1 個溫度傳感器、1 個64 位的激光刻蝕ROM、9 字節高速暫存器Scratchpad RAM 和3 字節EERAM. ROM 上64 位數據是傳感器的序列號。暫存器確保數據的完整性, 數據先被寫入暫存器, 并可以被讀回. 數據經校驗后, 可以由拷貝暫存器命令傳輸到EERAM, 以確保更改存儲器時數據的完整性。暫存器為9 個字節, 第0 和第1 字節是溫度編碼的低字節和高字節.

　　第2 和第3 字節是溫度編碼的低字節和高字節的拷貝, 第4 字節是配置寄存器, 其值決定溫度轉換的分辨率。

　　本系統采用的STA-D 溫度采集模塊, 是一種遠程數字化溫度采集系統, 有10 個通道, 每個通道最多可以掛接16 個DS18b20 型數字溫度傳感器,總共可以監控160 個點的溫度, 以RS485 方式同上位機通訊, 通信協議為標準Modbus 協議, 波特率為9 600 bps, 與上位機通信距離最大為1 200 m, 工作電源為12 ~ 24 V, 工作溫度為- 20 ~ 75 ℃。 與FX2N??485??BD 采用兩線制的485 連線方式( 圖2) ,接線要使用規范的屏蔽線。

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圖2 485 連接圖

　　***HITECH 公司觸摸屏PWS 系列是專為PLC 設計的互動式工作站, 用232 直接與PLC 連接, 可以直接讀取PLC 的數據寄存器, 具有良好的人機界面, 操作人員通過它可設置所有參數, 控制系統自動運行。并且編程簡便, 運行穩定, 可設置不同的管理權限, 適合于本系統使用。

　　2 Modbus 協議

　　標準的Modbus 口是使用RS??232C 兼容串行接口, 它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗, 控制器能直接或經由Mo dem 組網. 控制器通信使用主! 從技術, 即僅一設備( 主設備) 能初始化傳輸( 查詢) , 其它設備( 從設備) 根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。

表1 Modbus 部分功能碼定義

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　　Modbus 通訊協議有兩種傳送方式? RT U 方式和ASCII 方式。 本系統使用RTU 模式, 這種方式的主要優點是: 在同樣的波特率下, 可比ASCII 方式傳送更多的數據。

　　使用RTU 模式時, 消息發送至少要以3. 5 個字符時間的停頓間隔開始, 如圖3 的T1- T 2- T 3- T 4 所示。 傳輸的第一個域是設備地址, 可以使用的傳輸字符是十六進制數值。 通信期間, 網絡設備不斷偵測網絡總線, 包括停頓間隔時間內, 當第一個域( 地址域) 接收到, 每個設備都進行解碼以判斷是否發往自己的。 在最后一個傳輸字符之后, 至少要有3. 5 個字符時間的停頓以標定消息的結束, 之后可開始新的消息傳輸。典型的消息幀如圖3 所示。 使用RT U 模式, 消息包括了一個基于CRC 方法的錯誤檢測域. CRC 域檢測了整個消息的內容。

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圖3 M odbus 消息幀結構

　　CRC 域是兩個字節, 包含一個16 位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。 接收設備重新計算收到消息的CRC, 并與接收到的CRC 域中的值比較, 如果兩值不同, 則有誤, 后面將具體講述CRC 算法的實現。

　　3? 系統軟件構成

　　考慮到操作的方便性, 在系統初次安裝時, 先在PC 機上用上位機軟件將所有傳感器的ID 搜索出來, 然后按實際安裝位置給每個傳感器編號, 讀溫度測試傳感器是否工作正常。在PLC 上使用Mo dbus協議通信時首先要對通信格式進行設定, 即對D8120 寄存器進行寫操作, 在本系統條件下設置為0C87 , 即數據長度為8 位, 無校驗, 無起始位與停止位, 波特率9 600 bps。 修改D8120 設置后, 確保通斷PLC 電源一次。 再用RS 指令進行數據的傳輸, 相關程序格式如圖4 所示。

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圖4 RS 指令程序格式