基于MODBUS现场总线的计算机数据采集系统
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kingview 6. 53,该软件莫迪康系列 PLC支持 MODB2 US协议设备 ,在应用时只需按以下方式配置 [ 7 ] : 2. 3. 1 定义组态王设备
组态王定义设备时选择 : PLC \默迪康 \Modbus (RTU ) \串口. 组态王的设备地址请与 PLC 的设 置保持一致. 设备逻辑名称“数据采集卡 ”,设备 地址“11”,通讯参数设为默认值. 2. 3. 2 通讯参数设置
从站识别主站按地址发来的消息 ,决定要执 行何种操作. 主设备可单独和从设备通讯 ,从设备 返回一消息作为回应 ;主设备也能以广播方式和 所有从设备通讯 ,此时从设备不作任何回应. 从节 点的正常应答是发送相同的报文帧 ,以便让主节 点确认. 如果有错误 ,功能代码将被修改以指出回 应消息是错误的 ,同时数据段包含了描述此错误 信息的代码. 错误校验域允许主设备确认消息内 容是否 可 用. 在 配 置 每 个 控 制 器 的 时 候 , 一 个 MODBU S网络上 的 所 有 设 备 都 必 须 选 择 相 同 的 传输模式和串口参数 [ 6 ] .
址 ,它所表示的从节点有效地址范围为 0～247,其 中 0表示广播地址.
收稿日期 : 2009 - 07 - 14 作者简介 :王 聪 (1957 - ) ,男 ,吉林永吉人 ,吉林化工学院高级实验师 ,主要从事测控技术及计算机控制方面的研究.
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
45 - 48. [ 6 ] 王公仆 ,王文成. 计算机与单片机的串口通讯程序
设计 [ J ]. 轻工机械 , 2007 (6) : 53 - 55.
Com puter da ta acqu isition system ba sed on MOD BUS F ield2bus
WAN G Cong, D EN G X in2p ing
1 MODBU S协议简介
MODBUS通讯协议由 Modican 公司开发 ,是 当今主流现场总线协议之一. 通过它集控设备相 互之间 、集控设备经由网络和其他设备之间可以 通讯 ;通过它不同厂商生产的控制设备可以连成 工业控制网络 ,进行集中监控等. 该协议有以下特 点 :物理接口符合 E IA 2485规范 ;能组成主从访问 的单主控制网络 [ 3 ] ;通过简单的通讯报文完成对 从节点的读写操作 ;当主节点轮询即逐一访问从 节点时 ,要求从节点返回一个应答信息.
点 [1]. 随着计算机技术的快速发展 ,计算机数据采
集系统在工业生产中迅速地得到应用. 计算机数 据采集是信息科学的重要分支之一 ,它研究信息 数据的采集 、存储 、处理以及控制等问题 [ 2 ] ,是以 传感信号的测量与处理 ,以微型计算机为基础形 成的一门综合性技术. 其任务是对生产现场各种 参数进行采集 ,然后送入计算机 ,根据不同的需要 由计算机进行相应的计算和处理 ,得到所需的数 据. 与此同时 ,将计算得到的数据按要求进行显示 或打印 ,以便实现对某些物理量的监测. 数据采集 系统一般需要长时间 、高速度地进行数据采集 ,将 会产生大量的数据 ,需要组织 、存储 、处理数据 ,并 对生产进行有效的监控 ,提高生产效率.
2 系统设计
MODBUS标准物理层采用 RS232 接口 ,实际 应用中强电干扰较大 ,且是多点连接 ,采用 RS485 接口. 同时配电房中配电柜集中安装 ,不需要采用 复杂网络拓扑结构.
上位机采用工控机 ,外接 RS232 /485 转换接 口. 为保证较快传输速度 ,系统通讯采用 MODBUS 推荐 RTU传输模式. 表 1所示为 RTU 传输模式每 个字符数据格式 ,表 1为 MODBUS协议 RTU 消息 帧格式. 系统连接通讯介质为 A类屏蔽双绞线. 2. 1 系统组成及功能描述
起始位 T12T22T32T4
表 1 MODBU S 通讯协议的 R TU 报文帧格式
设备地址 2个 8B it
功能代码 2个 8B it
数据 n个 8B it
LRC校验 2个 8B it
结束符 T12T22T32T4
RTU 帧中各功能块作用如下 : 设备地址域 :设备地址域为被查询的从节点地
(College of Information & Control Engineering, J ilin Institute of Chem ical Technology, J ilin City 132022, China)
Abstract: The computer data acquisition system based on the MODBUS Filed2bus is introduced in this paper. The IPC is taken as the main station, and the data acquisition card w ith the p rotocol interface is taken as the slave stations. The data transm ission between computer and field equipm ents is imp lemented via the MODBUS p rotocol. The basic contains, form at, system composition and structure of MODBUS communication p rotocol, as well as the software function are discussed. Key words: data acquisition module; MODBUS Field2bus; communication
J [ EB /OL ]. 2005 - 11 - 01. [ 4 ] 郭谋发 ,王韵伯. RS2485网络的设计及其在工业监
控系统中的应用 [ J ]. 福州大学学报 :自然科学版 , 1999 (2) : 32 - 36. [ 5 ] 牛 思 ,先向征. 基于 RS2422 /485的串行异步通讯 接口设计和应用 [ J ]. 计算机工程与设计 , 2007 ( 5) :
现场总线技术是当今自动化技术研究的热点 之一 ,它应用于工业现场可以在微机集控设备之 间实现双向串行多节点数字通讯. 它把单个分散 的被控设备作为网络节点 ,以现场总线为纽带 ,把 所有被控设备连接成可以相互沟通信息 、共同完 成自动控制任务的网络系统 ,具有分散控制 、系统 结构简 单 、节 约 硬 件 设 备 、易 于 安 装 维 护 等 优
在工业现场以及实际生产过程中经常会需要 采集现场数据 (例如 : 速度 、温度 、重量 、湿度 、液 位 、压力等等 ) ,以便于实现生产过程控制或者生 产监督管理. 本系统就是一个基于现场的数据采 集系统. 系统有以下 3部分通过 RS485总线构成网 络 :一是数据采集卡 ,主要完成 4～20 mA或 1～5 V 信号的数据采集功能以及和无源转换器完成数据 通讯功能 ;二是无源转换器 ,在数据采集卡的数据
传送以及与工业控制计算机的数据通讯中起到电 平转换的作用 ;三是工业控制计算机数据处理系 统 ,控制与无源通讯转换器的数据传送和通讯 ,完 成实时显示和存储. 系统结构框图如图 1所示.
图 1 计算机数据采集系统结构框图
2. 2 数据采集模块 数据采集模块基于 C80Baidu Nhomakorabea1F410单片机 ,可设
定过载长延时反时限 、短延时反时限 、定时限 、瞬 时功 能 ; 完 成 采 集 电 流 和 电 压 信 号 ; 并 内 置 MAX485芯片实现与外界通讯. 实现数据采集卡 MODBUS协议时 ,主要难点 RTU 模式停顿时间实 现上. 首先 ,计算每个字节传输所需要时间 T,初 始化 UART0时 , Timer0 置零并计时 , Timer0 时限 为 4T. RTU 模式下为连续数据流 ,连续接收数据 期间 ,字符接收时间超过 2T,则丢掉本次信息. 信 息接收完毕 ,利用 Timer0定时中断控制结束时间 间隔 ,同时处理数据及错误.
基于 MODBU S 现场总线的计算机数据采集系统
王 聪 ,邓新平
(吉林化工学院 信息与控制工程学院 ,吉林 吉林 132022)
摘要 : 介绍了基于 MODBUS现场总线的计算机数据采集系统. 以工控机为主站 ,带协议接口的数据采集 卡为从站 ,运用 MODBUS协议实现了计算机与现场数据采集设备之间数据传输. 阐述了 MODBUS通讯 协议基本内容和格式 ,以及软件实现方法. 关 键 词 : 数据采集模块 ; MODBUS现场总线 ;通讯 中图分类号 : TP 274. 2 文献标识码 : A
数据域 :数据域包括本帧数据域的字节数量 、 数据字节 l～N ,这些数据可以是 I/O 值 、状态数 据或其他测量控制信息 [ 5 ].
CRC校验域 :在 MODBUS通讯协议中的 RTU 帧校验通常采用 CRC循环冗余校验. 整个信息帧 以连续的数据位流进行传输 , CRC校验从地址域 开始对报文帧的所有数据进行校验.
MODBUS通讯协议有两种消息帧格式 : ASC II 和 RTU 帧格式. ASC II消息以冒号字符开始 ,以回 车换行符结束 ,其他域使用的传输字符为十六进 制 ; RTU 消息则以传递一段空闲时间为开始和结 束 ,这段时间不小于 3. 5倍的字符发送时间 T, 一 般取 4T.
MODBU S通 讯 协 议 定 义 了 在 这 些 网 络 上 连 续传输的报文帧格式 ,确定了将数据打包成报文 帧以及解码的方法 [ 4 ]. 采用 RTU 格式的 MODBU S 通讯协议报文帧格式如表 l所示.
55
设备的缺省设置 :波特率 9 600 bp s,数据位 8 位 ,停止位 1位 ,无校验位 [ 8 ].
3 结 论
该系统能让管理人员对系统运行状况随时监 控 ,减轻了劳动强度 ,同时提供了故障情况下实时 线分析功能 ,使故障报警到排除故障时间大为缩 短 ,实现了现场以标准信号为输出信号物理量的 实时监测.
第 26卷 第 4期
2009年 8月
吉 林 化 工 学 院 学 报 JOURNAL OF J IL IN INSTITUTE OF CHEM ICAL TECHNOLOGY
Vol. 26 No. 4 Aug. 2009
文章编号 : 100722853 (2009) 0420053203
参考文献 :
[ 1 ] 张振光. 单片机应用系统开发实例导航 [M ]. 北京 : 人民邮电出版社 , 2003. 60 - 87.
[ 2 ] 熊四昌 ,陆青峰 ,王忠飞. 基于 MODBUS通讯协议的 低压交流配电柜智能监控系统 [ J ]. 测控技术与设 备 , 2003 (4) : 25 - 28.
[ 3 ] http: / /www. ourcontrol. com. cn / Soft/Up loadSoft/
200511 /20051101130720696. pdfModicon Inc. Modicon Modbus Protocol Reference Guide P I2MBUS2300 Rev.
组态王通讯参数与 PLC的设置保持一致.
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 4期
王 聪 ,等 :基于 MODBUS现场总线的计算机数据采集系统
54
吉 林 化 工 学 院 学 报
2009年
功能代码域 : 功能代码域的代码范围是 1 ～ 255. 有些代码适用于所有控制器 ,有些代码用于 特定控制器 ,还有些保留以备用户功能扩展使用. 当消息从主设备发往从设备时 ,功能代码域将告 之从设备需要执行哪些行为. 例如功能编码 03H 为读寄存器 (内部字变量 ) ,用于读取从节点的寄 存器值.
数据采集模块实际应用采用 MODBUS协议 中 RTU 模式与外界连接 ,仅使用 MODBUS通讯 协议中部分功能 : 03 功能 ,此功能可读取数据采 集卡中任何测量值和设定值参数 ,一次最多可读 128个字数据. 工作原理如图 2所示.
图 2 数据采集模块原理框图
2. 3 上位机软件实现 本系统上位机组态软件选用组态王工控软件
组态王定义设备时选择 : PLC \默迪康 \Modbus (RTU ) \串口. 组态王的设备地址请与 PLC 的设 置保持一致. 设备逻辑名称“数据采集卡 ”,设备 地址“11”,通讯参数设为默认值. 2. 3. 2 通讯参数设置
从站识别主站按地址发来的消息 ,决定要执 行何种操作. 主设备可单独和从设备通讯 ,从设备 返回一消息作为回应 ;主设备也能以广播方式和 所有从设备通讯 ,此时从设备不作任何回应. 从节 点的正常应答是发送相同的报文帧 ,以便让主节 点确认. 如果有错误 ,功能代码将被修改以指出回 应消息是错误的 ,同时数据段包含了描述此错误 信息的代码. 错误校验域允许主设备确认消息内 容是否 可 用. 在 配 置 每 个 控 制 器 的 时 候 , 一 个 MODBU S网络上 的 所 有 设 备 都 必 须 选 择 相 同 的 传输模式和串口参数 [ 6 ] .
址 ,它所表示的从节点有效地址范围为 0～247,其 中 0表示广播地址.
收稿日期 : 2009 - 07 - 14 作者简介 :王 聪 (1957 - ) ,男 ,吉林永吉人 ,吉林化工学院高级实验师 ,主要从事测控技术及计算机控制方面的研究.
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
45 - 48. [ 6 ] 王公仆 ,王文成. 计算机与单片机的串口通讯程序
设计 [ J ]. 轻工机械 , 2007 (6) : 53 - 55.
Com puter da ta acqu isition system ba sed on MOD BUS F ield2bus
WAN G Cong, D EN G X in2p ing
1 MODBU S协议简介
MODBUS通讯协议由 Modican 公司开发 ,是 当今主流现场总线协议之一. 通过它集控设备相 互之间 、集控设备经由网络和其他设备之间可以 通讯 ;通过它不同厂商生产的控制设备可以连成 工业控制网络 ,进行集中监控等. 该协议有以下特 点 :物理接口符合 E IA 2485规范 ;能组成主从访问 的单主控制网络 [ 3 ] ;通过简单的通讯报文完成对 从节点的读写操作 ;当主节点轮询即逐一访问从 节点时 ,要求从节点返回一个应答信息.
点 [1]. 随着计算机技术的快速发展 ,计算机数据采
集系统在工业生产中迅速地得到应用. 计算机数 据采集是信息科学的重要分支之一 ,它研究信息 数据的采集 、存储 、处理以及控制等问题 [ 2 ] ,是以 传感信号的测量与处理 ,以微型计算机为基础形 成的一门综合性技术. 其任务是对生产现场各种 参数进行采集 ,然后送入计算机 ,根据不同的需要 由计算机进行相应的计算和处理 ,得到所需的数 据. 与此同时 ,将计算得到的数据按要求进行显示 或打印 ,以便实现对某些物理量的监测. 数据采集 系统一般需要长时间 、高速度地进行数据采集 ,将 会产生大量的数据 ,需要组织 、存储 、处理数据 ,并 对生产进行有效的监控 ,提高生产效率.
2 系统设计
MODBUS标准物理层采用 RS232 接口 ,实际 应用中强电干扰较大 ,且是多点连接 ,采用 RS485 接口. 同时配电房中配电柜集中安装 ,不需要采用 复杂网络拓扑结构.
上位机采用工控机 ,外接 RS232 /485 转换接 口. 为保证较快传输速度 ,系统通讯采用 MODBUS 推荐 RTU传输模式. 表 1所示为 RTU 传输模式每 个字符数据格式 ,表 1为 MODBUS协议 RTU 消息 帧格式. 系统连接通讯介质为 A类屏蔽双绞线. 2. 1 系统组成及功能描述
起始位 T12T22T32T4
表 1 MODBU S 通讯协议的 R TU 报文帧格式
设备地址 2个 8B it
功能代码 2个 8B it
数据 n个 8B it
LRC校验 2个 8B it
结束符 T12T22T32T4
RTU 帧中各功能块作用如下 : 设备地址域 :设备地址域为被查询的从节点地
(College of Information & Control Engineering, J ilin Institute of Chem ical Technology, J ilin City 132022, China)
Abstract: The computer data acquisition system based on the MODBUS Filed2bus is introduced in this paper. The IPC is taken as the main station, and the data acquisition card w ith the p rotocol interface is taken as the slave stations. The data transm ission between computer and field equipm ents is imp lemented via the MODBUS p rotocol. The basic contains, form at, system composition and structure of MODBUS communication p rotocol, as well as the software function are discussed. Key words: data acquisition module; MODBUS Field2bus; communication
J [ EB /OL ]. 2005 - 11 - 01. [ 4 ] 郭谋发 ,王韵伯. RS2485网络的设计及其在工业监
控系统中的应用 [ J ]. 福州大学学报 :自然科学版 , 1999 (2) : 32 - 36. [ 5 ] 牛 思 ,先向征. 基于 RS2422 /485的串行异步通讯 接口设计和应用 [ J ]. 计算机工程与设计 , 2007 ( 5) :
现场总线技术是当今自动化技术研究的热点 之一 ,它应用于工业现场可以在微机集控设备之 间实现双向串行多节点数字通讯. 它把单个分散 的被控设备作为网络节点 ,以现场总线为纽带 ,把 所有被控设备连接成可以相互沟通信息 、共同完 成自动控制任务的网络系统 ,具有分散控制 、系统 结构简 单 、节 约 硬 件 设 备 、易 于 安 装 维 护 等 优
在工业现场以及实际生产过程中经常会需要 采集现场数据 (例如 : 速度 、温度 、重量 、湿度 、液 位 、压力等等 ) ,以便于实现生产过程控制或者生 产监督管理. 本系统就是一个基于现场的数据采 集系统. 系统有以下 3部分通过 RS485总线构成网 络 :一是数据采集卡 ,主要完成 4～20 mA或 1～5 V 信号的数据采集功能以及和无源转换器完成数据 通讯功能 ;二是无源转换器 ,在数据采集卡的数据
传送以及与工业控制计算机的数据通讯中起到电 平转换的作用 ;三是工业控制计算机数据处理系 统 ,控制与无源通讯转换器的数据传送和通讯 ,完 成实时显示和存储. 系统结构框图如图 1所示.
图 1 计算机数据采集系统结构框图
2. 2 数据采集模块 数据采集模块基于 C80Baidu Nhomakorabea1F410单片机 ,可设
定过载长延时反时限 、短延时反时限 、定时限 、瞬 时功 能 ; 完 成 采 集 电 流 和 电 压 信 号 ; 并 内 置 MAX485芯片实现与外界通讯. 实现数据采集卡 MODBUS协议时 ,主要难点 RTU 模式停顿时间实 现上. 首先 ,计算每个字节传输所需要时间 T,初 始化 UART0时 , Timer0 置零并计时 , Timer0 时限 为 4T. RTU 模式下为连续数据流 ,连续接收数据 期间 ,字符接收时间超过 2T,则丢掉本次信息. 信 息接收完毕 ,利用 Timer0定时中断控制结束时间 间隔 ,同时处理数据及错误.
基于 MODBU S 现场总线的计算机数据采集系统
王 聪 ,邓新平
(吉林化工学院 信息与控制工程学院 ,吉林 吉林 132022)
摘要 : 介绍了基于 MODBUS现场总线的计算机数据采集系统. 以工控机为主站 ,带协议接口的数据采集 卡为从站 ,运用 MODBUS协议实现了计算机与现场数据采集设备之间数据传输. 阐述了 MODBUS通讯 协议基本内容和格式 ,以及软件实现方法. 关 键 词 : 数据采集模块 ; MODBUS现场总线 ;通讯 中图分类号 : TP 274. 2 文献标识码 : A
数据域 :数据域包括本帧数据域的字节数量 、 数据字节 l～N ,这些数据可以是 I/O 值 、状态数 据或其他测量控制信息 [ 5 ].
CRC校验域 :在 MODBUS通讯协议中的 RTU 帧校验通常采用 CRC循环冗余校验. 整个信息帧 以连续的数据位流进行传输 , CRC校验从地址域 开始对报文帧的所有数据进行校验.
MODBUS通讯协议有两种消息帧格式 : ASC II 和 RTU 帧格式. ASC II消息以冒号字符开始 ,以回 车换行符结束 ,其他域使用的传输字符为十六进 制 ; RTU 消息则以传递一段空闲时间为开始和结 束 ,这段时间不小于 3. 5倍的字符发送时间 T, 一 般取 4T.
MODBU S通 讯 协 议 定 义 了 在 这 些 网 络 上 连 续传输的报文帧格式 ,确定了将数据打包成报文 帧以及解码的方法 [ 4 ]. 采用 RTU 格式的 MODBU S 通讯协议报文帧格式如表 l所示.
55
设备的缺省设置 :波特率 9 600 bp s,数据位 8 位 ,停止位 1位 ,无校验位 [ 8 ].
3 结 论
该系统能让管理人员对系统运行状况随时监 控 ,减轻了劳动强度 ,同时提供了故障情况下实时 线分析功能 ,使故障报警到排除故障时间大为缩 短 ,实现了现场以标准信号为输出信号物理量的 实时监测.
第 26卷 第 4期
2009年 8月
吉 林 化 工 学 院 学 报 JOURNAL OF J IL IN INSTITUTE OF CHEM ICAL TECHNOLOGY
Vol. 26 No. 4 Aug. 2009
文章编号 : 100722853 (2009) 0420053203
参考文献 :
[ 1 ] 张振光. 单片机应用系统开发实例导航 [M ]. 北京 : 人民邮电出版社 , 2003. 60 - 87.
[ 2 ] 熊四昌 ,陆青峰 ,王忠飞. 基于 MODBUS通讯协议的 低压交流配电柜智能监控系统 [ J ]. 测控技术与设 备 , 2003 (4) : 25 - 28.
[ 3 ] http: / /www. ourcontrol. com. cn / Soft/Up loadSoft/
200511 /20051101130720696. pdfModicon Inc. Modicon Modbus Protocol Reference Guide P I2MBUS2300 Rev.
组态王通讯参数与 PLC的设置保持一致.
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 4期
王 聪 ,等 :基于 MODBUS现场总线的计算机数据采集系统
54
吉 林 化 工 学 院 学 报
2009年
功能代码域 : 功能代码域的代码范围是 1 ～ 255. 有些代码适用于所有控制器 ,有些代码用于 特定控制器 ,还有些保留以备用户功能扩展使用. 当消息从主设备发往从设备时 ,功能代码域将告 之从设备需要执行哪些行为. 例如功能编码 03H 为读寄存器 (内部字变量 ) ,用于读取从节点的寄 存器值.
数据采集模块实际应用采用 MODBUS协议 中 RTU 模式与外界连接 ,仅使用 MODBUS通讯 协议中部分功能 : 03 功能 ,此功能可读取数据采 集卡中任何测量值和设定值参数 ,一次最多可读 128个字数据. 工作原理如图 2所示.
图 2 数据采集模块原理框图
2. 3 上位机软件实现 本系统上位机组态软件选用组态王工控软件