摘要：本文基于某監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了三菱fx2n系列plc在無(wú)協(xié)議通信方式下與ds18b20型數(shù)字溫度傳感器的采集模塊以modbus協(xié)議通信,在電爐熔化工作過(guò)程中,對(duì)電爐、電容、冷卻水等100多點(diǎn)的溫度實(shí)現(xiàn)巡檢。
隨著3c技術(shù)迅速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)集成信息自動(dòng)化正迅速應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制中,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng),其中modbus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議在基于plc的控制系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.在本系統(tǒng)中,以plc為主機(jī)、溫度采集模塊為從機(jī),完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制、工業(yè)流程及工藝參數(shù)的顯示、修改,根據(jù)plc的無(wú)協(xié)議通信功能,用modbus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的通訊。
1、系統(tǒng)硬件組成
溫度監(jiān)控部分系統(tǒng)的硬件由ds18b20型數(shù)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(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1系統(tǒng)硬件組成
ds18b20是世界上*支持單線總線接口（1wirebusinterface）的數(shù)字化溫度傳感器,單總線接口便于構(gòu)建分布式的溫度測(cè)控網(wǎng)絡(luò),數(shù)字化的輸出提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?而且使外圍電路大為簡(jiǎn)化。ds18b20具有很高的適應(yīng)性和性價(jià)比,其測(cè)溫范圍為-55~125℃,測(cè)溫精度為±0.5℃,測(cè)溫距離zui大為200m,測(cè)溫方式使用3線制,本系統(tǒng)使用的傳感器排序方式為排序。
ds18b20內(nèi)部主要有3個(gè)數(shù)字部件:1個(gè)溫度傳感器、1個(gè)64位的激光刻蝕rom、9字節(jié)高速暫存器scratchpadram和3字節(jié)eeram.rom上64位數(shù)據(jù)是傳感器的序列號(hào)。暫存器確保數(shù)據(jù)的完整性,數(shù)據(jù)先被寫入暫存器,并可以被讀回.數(shù)據(jù)經(jīng)校驗(yàn)后,可以由拷貝暫存器命令傳輸?shù)絜eram,以確保更改存儲(chǔ)器時(shí)數(shù)據(jù)的完整性。暫存器為9個(gè)字節(jié),第0和第1字節(jié)是溫度編碼的低字節(jié)和高字節(jié).
第2和第3字節(jié)是溫度編碼的低字節(jié)和高字節(jié)的拷貝,第4字節(jié)是配置寄存器,其值決定溫度轉(zhuǎn)換的分辨率。
本系統(tǒng)采用的sta-d溫度采集模塊,是一種遠(yuǎn)程數(shù)字化溫度采集系統(tǒng),有10個(gè)通道,每個(gè)通道zui多可以掛接16個(gè)ds18b20型數(shù)字溫度傳感器,總共可以監(jiān)控160個(gè)點(diǎn)的溫度,以rs485方式同上位機(jī)通訊,通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus協(xié)議,波特率為9600bps,與上位機(jī)通信距離zui大為1200m,工作電源為12~24v,工作溫度為-20~75℃。與fx2n485bd采用兩線制的485連線方式（圖2）,接線要使用規(guī)范的屏蔽線。
圖2485連接圖
中國(guó)臺(tái)灣hitech公司觸摸屏pws系列是專為plc設(shè)計(jì)的互動(dòng)式工作站,用232直接與plc連接,可以直接讀取plc的數(shù)據(jù)寄存器,具有良好的人機(jī)界面,操作人員通過(guò)它可設(shè)置所有參數(shù),控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。并且編程簡(jiǎn)便,運(yùn)行穩(wěn)定,可設(shè)置不同的管理權(quán)限,適合于本系統(tǒng)使用。
2、modbus協(xié)議
標(biāo)準(zhǔn)的modbus口是使用rs232c兼容串行接口,它定義了連接口的針腳、電纜、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn),控制器能直接或經(jīng)由modem組網(wǎng).控制器通信使用主!從技術(shù),即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）,其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。
表1modbus部分功能碼定義
modbus通訊協(xié)議有兩種傳送方式?rtu方式和ascii方式。本系統(tǒng)使用rtu模式,這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是:在同樣的波特率下,可比ascii方式傳送更多的數(shù)據(jù)。
使用rtu模式時(shí),消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始,如圖3的t1-t2-t3-t4所示。傳輸?shù)?個(gè)域是設(shè)備地址,可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制數(shù)值。通信期間,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線,包括停頓間隔時(shí)間內(nèi),當(dāng)*個(gè)域（地址域）接收到,每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在zui后一個(gè)傳輸字符之后,至少要有3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓以標(biāo)定消息的結(jié)束,之后可開(kāi)始新的消息傳輸。典型的消息幀如圖3所示。使用rtu模式,消息包括了一個(gè)基于crc方法的錯(cuò)誤檢測(cè)域.crc域檢測(cè)了整個(gè)消息的內(nèi)容。
圖3modbus消息幀結(jié)構(gòu)
crc域是兩個(gè)字節(jié),包含一個(gè)16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)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(shí)現(xiàn)。
3、系統(tǒng)軟件構(gòu)成
考慮到操作的方便性,在系統(tǒng)初次安裝時(shí),先在pc機(jī)上用上位機(jī)軟件將所有傳感器的id搜索出來(lái),然后按實(shí)際安裝位置給每個(gè)傳感器編號(hào),讀溫度測(cè)試傳感器是否工作正常。在plc上使用modbus協(xié)議通信時(shí)首先要對(duì)通信格式進(jìn)行設(shè)定,即對(duì)d8120寄存器進(jìn)行寫操作,在本系統(tǒng)條件下設(shè)置為0c87,即數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位,無(wú)校驗(yàn),無(wú)起始位與停止位,波特率9600bps。修改d8120設(shè)置后,確保通斷plc電源一次。再用rs指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,相關(guān)程序格式如圖4所示。
圖4rs指令程序格式
按照上述程序格式,即可在數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)寫入指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。
1）讀取溫度,其指令格式:[設(shè)備地址][命令號(hào)][通道號(hào)][傳感器編號(hào)][讀取個(gè)數(shù)高8位][低8位][crc低8位][crc高8位],其中crc校驗(yàn)字節(jié)以子程序形式調(diào)用.設(shè)備響應(yīng):[設(shè)備地址][命令號(hào)][返回的字節(jié)個(gè)數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n][crc低8位][crc高8位]。
每個(gè)18b20讀取溫度的返回值占用兩個(gè)字節(jié).
轉(zhuǎn)換方法:將實(shí)際溫度擴(kuò)大100倍,再將此數(shù)值分為兩個(gè)字節(jié)傳送出來(lái)即可.例如,實(shí)測(cè)出來(lái)溫度是28.65℃,擴(kuò)大100倍即2865,則發(fā)送的*個(gè)字節(jié)是2865/256即是11,第二個(gè)字節(jié)是2865%256即49,那么傳送的兩個(gè)字節(jié)為0×0b和0×31。
需要注意的是,由于采用兩線制的485連線方式,會(huì)產(chǎn)生回波通信,即接收端會(huì)先接收到自己發(fā)送出去的數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)還是會(huì)正常發(fā)送給采集模塊,此時(shí)接收端則應(yīng)該避開(kāi)前面的無(wú)用數(shù)據(jù),接收后面模塊響應(yīng)的有效數(shù)據(jù)。
2）在系統(tǒng)運(yùn)行后,若需更換傳感器,則需執(zhí)行以下兩條指令,首先,搜索id,[01][06][0c][00][00][00][crc低][crc高],此指令為搜索模塊1上各個(gè)通道的所有傳感器。然后寫編號(hào),例如:[01][06][09][05][00][05][crc低][crc高],表示將第9通道的原來(lái)編號(hào)為05的傳感器更換后重新設(shè)定為05,執(zhí)行此兩條指令后,方可重新讀取溫度。
3）crc校驗(yàn)字節(jié)的生成是比較關(guān)鍵的一步,其過(guò)程比較復(fù)雜,步驟如下:
①預(yù)置一個(gè)16位crc寄存器為十六進(jìn)制ffff,即所有數(shù)位均為1。
②該16位寄存器的低8位字節(jié)與信息幀的*個(gè)字節(jié)的低8位進(jìn)行&異或?運(yùn)算.運(yùn)算結(jié)果放入這個(gè)16位寄存器。
③把這個(gè)16寄存器向右移一位,用0*高位。
④若向右（標(biāo)記位）移出的數(shù)位是1,則生成多項(xiàng)式a001（1010000000000001）和這個(gè)寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算;若向右移出的數(shù)位是0,則返回③。
⑤重復(fù)③和④,直至移出8位。
⑥重復(fù)③~⑤,直至該報(bào)文所有字節(jié)均與16位寄存器進(jìn)行&異或?運(yùn)算,并移位8次。
⑦將得到的l6位crc寄存器的高、低位字節(jié)進(jìn)行,即2字節(jié)crc,加到報(bào)文。
其程序流程如圖5,以上面的溫度讀取指令為例,其crc校驗(yàn)梯形圖如圖6。
圖5crc校驗(yàn)流程
圖6crc校驗(yàn)程序
在讀取溫度時(shí),應(yīng)嚴(yán)格遵守ds18b20的讀寫時(shí)序,否則就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤,丟幀等,若用脈沖信號(hào)定時(shí)讀取,則間隔應(yīng)不小于100ms.一般出現(xiàn)錯(cuò)誤幀時(shí)數(shù)據(jù)顯示為0℃,此時(shí)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波,例如傳回值為0時(shí)不顯示數(shù)據(jù),或者多組數(shù)據(jù)取平均值后再顯示,以避免溫度顯示的大幅度跳動(dòng)。ds18b20的初始化溫度顯示為85℃,若一直不變,則此傳感器可能已經(jīng)損壞或是接線不良,應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的檢查。
4、結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控中,plc既作為現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制,又作為主從通信的主機(jī),與相關(guān)儀表連接,實(shí)現(xiàn)與基于modbus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的ds18b20型數(shù)字溫度傳感器的采集模塊的主從通信,并通過(guò)plc高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)目前處于試運(yùn)行階段,表現(xiàn)較為穩(wěn)定,通信可靠,效果良好。