基于MODBUS_RTU總線的遠(yuǎn)程I/O模塊的設(shè)計(jì)＊

徐亮

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基于MODBUS_RTU總線的遠(yuǎn)程I/O模塊的設(shè)計(jì)＊

徐亮

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

針對(duì)目前在工控領(lǐng)域各種品牌遠(yuǎn)程I/O模塊形成的技術(shù)壟斷現(xiàn)狀，提出了一種基于MODBUS_RTU總線的遠(yuǎn)程I/O模塊的設(shè)計(jì)方案。該模塊以STM32為核心控制器，具備4路開(kāi)關(guān)量輸入與4路開(kāi)關(guān)量輸出，可與目前各種主流PLC配合使用。實(shí)踐證明，該模塊具有使用方便、成本低廉、性能穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，方案具有一定的推廣價(jià)值。

遠(yuǎn)程I/O；MODBUS_RTU；STM32；RS-485

遠(yuǎn)程I/O模塊是分布式控制系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的模塊之一[1]，通過(guò)遠(yuǎn)程I/O模塊，可將PLC的I/O觸點(diǎn)經(jīng)總線延伸至較遠(yuǎn)距離。目前世界上主流的PLC生產(chǎn)廠家都有各自的遠(yuǎn)程I/O模塊，文獻(xiàn)[1]介紹了一種由西門(mén)子S7-300 PLC與FB遠(yuǎn)程I/O模塊構(gòu)成的用于港口碼頭的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)，PLC與遠(yuǎn)程I/O模塊之間通過(guò)PROFIBUS總線連接；文獻(xiàn)[2]介紹了一種由三菱Q系列PLC及AJ65BTB1遠(yuǎn)程I/O模塊構(gòu)成的自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線，PLC與遠(yuǎn)程I/O模塊之間通過(guò)CC-Link總線連接；文獻(xiàn)[3]介紹了一種由施耐德Premium系列PLC與Advantys遠(yuǎn)程I/O模塊構(gòu)成的物流滾道控制系統(tǒng)，PLC與遠(yuǎn)程I/O模塊之間通過(guò)Fipio總線連接；文獻(xiàn)[4]介紹了一種由Rockwell ControlLogix 5000 PLC與其品牌遠(yuǎn)程I/O模塊構(gòu)成的氣力輸煤裝置，PLC與遠(yuǎn)程I/O模塊之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接。

雖然各PLC生產(chǎn)廠家都有相應(yīng)的遠(yuǎn)程I/O模塊產(chǎn)品，但僅限于與自家生產(chǎn)的PLC配合使用，不具備開(kāi)放性，形成了技術(shù)壟斷。本文將介紹一種以STM32單片機(jī)為控制單元，遵循MODBUS_RTU總線協(xié)議的通用型遠(yuǎn)程I/O模塊（下文簡(jiǎn)稱“模塊”）的設(shè)計(jì)方法，可與任意支持MODBUS_RTU總線協(xié)議的PLC配合使用。

1 電路設(shè)計(jì)

模塊電路除了電源及接插件之外，其余部分如圖1所示，由核心控制器（左上）、RS-485電平轉(zhuǎn)換電路（左下）、4路光耦輸入電路（右上）及4路繼電器輸出電路（右下）四部分構(gòu)成。

模塊采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的直流24 V作為輸入電壓，穩(wěn)壓后形成直流3.3 V供模塊各部分工作。單片機(jī)采用了基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C6T6A，該單片機(jī)采用8 MHz無(wú)源晶振，通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)可將系統(tǒng)主頻最高倍頻至72 MHz，單片機(jī)快速的處理能力保證了模塊對(duì)總線指令執(zhí)行的高效性[5]。模塊與RS-485總線之間采用了MAX3485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，RS-485總線可以實(shí)現(xiàn)PLC與模塊之間的遠(yuǎn)距離通信，理論上最遠(yuǎn)可達(dá)1 200 m。模塊支持4路開(kāi)關(guān)量輸入與4路開(kāi)關(guān)量輸出，分別通過(guò)光耦、繼電器將單片機(jī)引腳與外電路隔離。

圖1 模塊主體電路

2 程序設(shè)計(jì)

模塊遵循MODBUS_RTU通信協(xié)議[6]，一個(gè)或多個(gè)模塊可作為總線從站被主站輪詢。主站通常是指PLC，也可以是計(jì)算機(jī)，但計(jì)算機(jī)通常僅對(duì)模塊參數(shù)設(shè)定及測(cè)試。

2.1 通信協(xié)議

模塊嚴(yán)格遵守MODBUS_RTU通信協(xié)議，線圈與寄存器地址分別如表1和表2所示。

模塊可解析4條命令并響應(yīng)：①讀輸入開(kāi)關(guān)量線圈；②寫(xiě)輸出開(kāi)關(guān)量線圈；③讀寄存器；④寫(xiě)寄存器。以命令①舉例說(shuō)明，其命令與響應(yīng)數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。

表1 線圈地址

只讀線圈只寫(xiě)線圈 線圈地址對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)量線圈地址對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)量 0000HDI10004HDO1 0001HDI20005HDO2 0002HDI30006HDO3 0003HDI40007HDO4

表2 寄存器地址

寄存器地址含義 0000H波特率 0001H校驗(yàn)方式/站號(hào)

圖2 命令①及響應(yīng)數(shù)據(jù)包格式

不妨假定從站站號(hào)為1，DI1～DI4的狀態(tài)分別為ON、OFF、OFF、ON，主站發(fā)出的命令數(shù)據(jù)包為“01 01 00 00 00 04 3D C9”（HEX格式），從站返回的數(shù)據(jù)包為“01 01 01 09 91 8E”（HEX格式）。

2.2 單片機(jī)程序

單片機(jī)程序流程如圖3所示。

圖3 單片機(jī)程序流程

波特率、校驗(yàn)方式與站號(hào)這三項(xiàng)通信參數(shù)被保存在單片機(jī)的FLASH中，在單片機(jī)上電初始化之時(shí)從FLASH讀取并更新相應(yīng)的MODBUS_RTU寄存器，之后便進(jìn)入無(wú)限循環(huán)狀態(tài)。在每一次循環(huán)時(shí)，單片機(jī)首先讀取模塊的4路輸入開(kāi)關(guān)量，并更新相應(yīng)的MODBUS_RTU線圈值，接著根據(jù)通過(guò)串口讀取來(lái)自總線的命令并解析。若為命令①或命令③，則返回相應(yīng)的線圈或寄存器值；若為命令②，則完成相應(yīng)的線圈值更新以及輸出驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作后返回響應(yīng)數(shù)據(jù)包；若為命令④，則完成相應(yīng)的寄存器值更新以及將參數(shù)寫(xiě)入FLASH后返回響應(yīng)數(shù)據(jù)包。

2.3 模塊配置與測(cè)試程序

模塊配置與測(cè)試程序如圖4所示。

圖4 模塊配置與測(cè)試程序界面

模塊配置與測(cè)試程序由C#2013開(kāi)發(fā)而成，具有模塊通信參數(shù)設(shè)定與模塊I/O功能測(cè)試的作用。在使用該程序時(shí)，要求將計(jì)算機(jī)僅與一個(gè)模塊通過(guò)RS-485總線連接在一起。在I/O測(cè)試過(guò)程中，若圖4中DI-或DO-（=1，2，3，4）對(duì)應(yīng)的方框顯示為綠色，表示為狀態(tài)ON，若為紅色，表示為狀態(tài)OFF，若全部為灰色，表示為通信出錯(cuò)。

3 功能測(cè)試

功能測(cè)試電路如圖5所示，由1臺(tái)信捷XC3-14 PLC與2只I/O模塊構(gòu)成，將PLC作為RS-485總線主站，模塊作為從站。

圖5 功能測(cè)試電路

功能測(cè)試的內(nèi)容為通過(guò)模塊1上的按鈕SB點(diǎn)動(dòng)連接在模塊2上的指示燈L，將兩只模塊的通信參數(shù)均設(shè)為波特率19 200 bps、校驗(yàn)方式偶校驗(yàn)，以上為信捷PLC默認(rèn)通信參數(shù)，站號(hào)分別為1，2；編寫(xiě)PLC程序，進(jìn)行通電測(cè)試；PLC程序分為通信程序與點(diǎn)動(dòng)程序兩部分。通信程序的功能為周期性輪詢兩只I/O模塊，讀取模塊的線圈0～3的值存入PLC映射輔助繼電器，將PLC映射輔助繼電器值寫(xiě)入線圈4～7，例如可建立如表3所示映射關(guān)系。

表3 模塊線圈與PLC輔助繼電器映射表

PLC輔助繼電器模塊1線圈PLC輔助繼電器模塊2線圈 M10000M10080 M10011M10091 M10022M10102 M10033M10113 M10044M10124 M10055M10135 M10066M10146 M10077M10157

測(cè)試證實(shí)，按鈕SB可點(diǎn)動(dòng)指示燈L，但明顯存在延遲，延遲的時(shí)間與PLC輪詢周期有關(guān)，總體測(cè)試成功。

4 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)程I/O模塊是PLC技術(shù)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的重要產(chǎn)物，模塊在使用中不需要編程，只需要簡(jiǎn)單配置參數(shù)即可工作，使用方便，成本比PLC低，很適合用于一些控制對(duì)象分散的現(xiàn)場(chǎng)。本文介紹的遠(yuǎn)程I/O模塊，由于采用了開(kāi)放的MODBUS_RTU總線協(xié)議，開(kāi)放了內(nèi)部線圈和寄存器地址，可與目前各種主流PLC配合使用，使得使用成本進(jìn)一步降低。而且經(jīng)反復(fù)測(cè)試，該模塊具有較好的穩(wěn)定性及較強(qiáng)的抗干擾能力，因此本設(shè)計(jì)方案具有較好的市場(chǎng)前景以及一定的推廣價(jià)值。

［1］顧正歡.港口橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)應(yīng)用探析［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2017（12）：143-144.

［2］王濤，鄺銳彬.基于CC-Link網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣自動(dòng)化，2017，39（06）：94-95，98.

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徐亮（1981—），男，江蘇無(wú)錫人，講師，碩士，研究方向?yàn)榭刂乒こ?、自?dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信。

江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：17KJB510019）

2095－6835（2018）24－0040－03

TP212

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.040

〔編輯：張思楠〕