基于modbus的plc与上位机的通信.doc
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摘要
随着微电子技术和计算机术的进步,可编程控制器以其可靠性高、抗干扰强、开发周期短，已经成为一种较为普及的、适应多种应用环境的工业控制器。
现已从最初的简单顺序控制、逻辑控制发展到可进行模拟量控制、位置控制，特别是PLC与PLC、PLC与计算机通信功能的实现，可组成多级控制系统，形成工厂自动化网络。
PLC可以多种方式如直接采用现有的组态监控软件与上位监控机通信，但针对小规模的控制系统，找到一种高性价比的通信方法，具有积极的实际意义。
本文就是讨论如何利用Modbus通信协议来实现施耐德电器公司的NanoPLC与上位监控PC机的通信。
关键词 modbus；plc；自动化网络；pc
1硬件描述及串口设置
1.1接口电路设计
PLC与PC间实现通信，可使二者互补功能上的不足，PLC用于控制方面既方便又可靠，而PC机在图形显示、数据处理、打印报表以及中文显示等方面有很强的功能。
因此，各PLC制造厂家纷纷开发了适用于本公司的各种型号PLC机通信的接口模块，不同的通信方式，有着不同的成本价格和不同的适用范围。
NanoPLC的CPU单元本身带有1个RS-485扩展口,可不配备专用通讯模块，而通过此接口与上位机进行串行通信。
在此介绍一种通过PLC的RS485扩展口与PC机的RS-232串行口进行通信的方法。
由于NanoPLC的扩展口采用RS-485标准，RS485是RS422的变型。
RS422为全双工，可同时发送与接收;RS485则为半双工，在某一时刻，1个发送另1个接收。
RS485是一种多发送器的电路标准，允许双导线上1个发送器驱动32个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器。
而计算机的串行口采用RS-232标准。
因此，作为实现PLC与计算机通信的接口电路，必须将RS-485标准转换成RS-232标准。
我们利用SC-485转换器实现RS485与RS232之间的转换。
转换电路如图1所示。
图1RS485与RS232转换电路图
1.2PLC串行口设置
施耐德的NanoPLC对通信参数的设置通过设置扩展口来实现，系统采用PC机作为Modbus通信网络主站，NanoPLC作为从站。
通信格式设置如下:
波特率4800bps，
图2PLC串行口设置
8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。
如图2所示。
1.3PC机的串口初始化
在微机数据通信中,经常使用大规模集成串行接口电路芯片,它们的种类和型号很多,如UART、USRT、USART等。
能完成异步通信的硬件电路称为UART。
作为可编程的异步串行通信芯片UART，应根据协议的要求对其初始化。
可编程串行异步通信控制器8250是IBMPC串行通信控制器I/O接口电路的核心，通过对8250的编程，可以控制串行数据传送格式和速度。
PC机有2个串行通信接口COM1和COM2。
若选COM1，则8250各寄存器地址为3F8H~3FEH;选COM2，则8250各寄存器地址为2F8H~2FEH。
这里介绍用TubroC直接对PC机中的UART8250中各寄存器进行初始化。
本例采用COM2口,初始化如下:
outportb（0x2fb,0x80）;/*btp=4800*/
outportb（0x2f8,0x18）;
outportb（0x2f9,0x0）;
outportb（0x2fb,0x1b）;/*initialize（8、1、n）*/
outportb（0x2f9,0x0）;
outportb（0x2fc,0x3）;
2软件描述
2.1系统通信协议
NanoPLC采用Modbus通信协议。
任何根据此通信协议进行通信的主、从机之间进行数据信息交换时，信息格式都必须遵守通信协议所规定的格式。
Modbus的数据交换模式有2种，1种为ASCII编码制，1种为RTU编码制。
本例采用RTU码传输模式，它包括一些特殊标志码、PLC站号、呼叫字和校验码等，其数据帧格式如附表。
（1）帧开始:
数据帧以至少3.5个字符间隔时间（T1-T2-T3-T4）标志开始和结束。
整个信息帧必须以连续的信号进行传输，从而保证CRC的校验正确。
（2）从站地址:
1个字节。
各从站识别码，站号取值范围01H-F7H，共有247种不同站。
但Nano系列PLC通讯网络最多允许32个从站。
（3）功能号:
1个字节。
表示主站对从站的各种操作工作，主机发功能号给从机，如果从机响应正常，则回送相同的功能码;如有错误发生，则将原功能码符号位置“1”后回送，并将错误代码写入数据区回送。
各功能号具体功能如下:
01或02:
读n个内部位%Mi
03或04:
读n个内部字%Mwi
05:
写1个内部位%Mi
06:
写1个内部字%Mwi
15:
写n个内部位%Mi
16:
写n个内部字%Mwi
（4）数据区:
数据区由一串2位16进制数据组成，从00-FFH。
如果通信正确，数据区存放PLC回应上位机的信息;如发送数据有误，则返回异常代码。
NanoPLC处理的2种异常代码:
*01:
功能未知（PLC不支持的请求）
如发送:
01H16H00H00HFFH00H09HF9H
返回:
01H96H01H8EH60H
*03:
无效数据（位或字的数据错误，如写位时数据既非16#FF00，又非16#0000）
如发送:
01H05H00H00H03H06H4DH38H
返回:
01H85H03H02H91H
（5）校验码:
2个字节。
采用CRC循环冗余码。
它的基本原理是将一段信息看成一个很长的二进制数，然后用一个特定的数（如11021H）去除它，最后将余数作为校验码附在信息代码之后一起传送（或存储），在进行接收（或读出）时进行同样的处理，如有差错就可发现。
需特别注意的是，如果发送信息中的CRC校验码计算错误，则通信不能成功。
3按通信协议编程
根据Modbus通信协议，主、从机之间的通信过程应为:
先由PC机（主站）按协议格式发出命令帧，PLC（从站）用响应帧应答，PC机接收响应帧并对其内容作出判断、处理。
3.1命令帧的形成
（1）读PLC1个内部位（以％M7０为例）
3.2通信过程
采用TubroC编写主机与PLC的通信程序。
首先必须对COM2口进行初始化，前面已经述及。
PC机通过串行接口与PLC进行通信时，首先由PC机发出命令帧给PLC（发送过程），然后PLC将立即作出响应，PC机同时接收响应帧（接收过程），所有的通信均由PC机来启动和接收，PLC方无需编制通信程序。
所以在PC机的通信应用程序中，在需要与PLC交换数据时，先调用发送命令帧子程序，随后调用接收响应帧子程序，并对响应帧进行处理。
将8250各寄存器初始化后，就可以通过读取并判断状态寄存器（2FDH）中的D5位（发送保持寄存器空）是否为1，来决定是否将要发送的数据写入发送保持寄存器（2F8H），发送数据的子程序流程图如图3所示，为了避免PC机出现死循环，在进入循环之前，先读取一个时间T1，进入循环后，每循环一次读一次当时的时间T2，并判断此T2与T1两时间的差，如超过2s，则不再读取状态，而显示超时出错并退出。
在接收数据子程序中，通过读取并判断状态寄存器（2FDH）中的D0位（接收数据就绪）是否为1，来决定是否从接收数据寄存器（2F8H）读取一帧接收的数据。
同样，为了避免出现死循环，设置了超时出错处理，接收数据子程序的流程图如图4所示。
图3发送数据子程序的流程图
图4接收数据子程序的流程图
PC机发送1帧数据的C语言子程序（子函数）如下:
unsignedcharfasong（chardata）
{
T1=time（NULL）;
While
（1）
{T2=time（NULL）;
if（difftime（T2-T1）>=2.00）
{
printf（"overtimeinfasong（）"）;
exit（0）;
}
st=inportb（0x2fd）;
if（（st&0x20）!
=0）
{
outportb（0x2f8,data）;
break;
}
elsecontinue;
}
}
PC机接收1帧数据C语言子程序（子函数）如下:
unsignedcharjieshou（chardata）
{
T1=time（NULL）;
While
（1）
{T2=time（NULL）;
if（difftime（T2-T1）>=2.00）
{
printf（"overtimeinjieshou（）"）;
exit（0）;
}
st=inportb（0x2fd）;
if（（st&0x01）!
=0）
{
head=inportb（0x2f8）;
break;
}
}
return（head）;
}
4结束语
用以上方法设计的通信软件在现场控制系统已经得到了可靠运行，显示出较好的实用性。
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