组态王及modbus通信课程设计.docx

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组态王及modbus通信课程设计

测控网络课程设计

一、实践要求

本次实践以开发DCS测控系统为最终目的，要求掌握DCS测控系统的工作原理，学习组态王工控组态软件的使用方法，根据要求完成工程组态；掌握MODBUS通信协议的原理，开发具有MODBUS通讯功能的智能仪表，最终完成和组态工程之间的通讯。

二、实践内容

分为两大部分：

1、组态王基本操作2、MODBUS通讯

具体内容：

（1）熟悉组态王软件安装，基本开发环境，采用构建简单的工程（采用仿真数据和设备，工程应包含PID功能），计划时间1天；

（2）根据罐区工艺的要求，完成相应的组态工程，实现对原油储罐的监控，计划时间2天；

（3）掌握MODBUS通讯协议的工作原理，在MSP430F5438单片机上编程实现MODBUS客户端服务程序，要求通过串行口将现场的温度、泵状态、流量等参数上传到上位机上，计划时间3天。

（4）在单片机上编程实现流量、温度上下限及仪表地址和波特率等参数设置功能，同时能从上位机对仪表参数进行设置，计划时间2天。

（5）优化设计，要求当出现通讯错误时在上位机和单片机上都要做出相应的反应，计划时间0.5天。

（6）

上位机采用高级语言编程，实现对现场智能仪表的控制。

熟悉现场总线测控网络系统，搭建PROFIBUS网络，实现对ET200S和S7-200的控制。

组态王部分

一、设计要求

根据罐区工艺的要求，完成相应的组态工程，实现对原油储罐的监控。

1、罐区工艺流程图

2-储油罐进口电动阀；3-储油罐排污电动阀；4-储油罐出口电动阀；5-泵

图1：

罐区工艺流程图

2、具体要求

（1）监测各罐的液位（0-20m）/（0-1m）/温度（0-100度）（现场仪表4-20mA输出）。

（2）根据各罐液位控制各罐出口电动阀（H>16m,关进口阀，选择最低液位的罐进油；H<2m,关出口阀,选择最高液位的罐出油），手动遥控排污阀。

液位H>15.5m高报警,H>17m高高报警；

液位H<2m低报警,H<1.5m低低报警。

界位>1m高报警,界位>1.5m高高报警;

界位<0.5m低报警,H<0.2m低低报警;

（3）启动泵组设置出入口流量（100M3/h,200M3/h,250M3/h）

二、设计内容

（一）组态数据库：

数据库-----数据词典

（二）组态画面

画面1：

工艺流程总画面

对画面的基本说明：

主要功能：

对油罐液位的监测。

泵总开关控制进口的3个泵的总开和总关；

泵总关闭控制出口的3个泵的总关和总开；

当同时按下泵提示和某一个泵的按钮，显示该泵的详细信息；

液位报警和界位报警时记录相应的报警事件；

液位实时和历史曲线记录油罐液位的变化情况。

画面2：

各泵弹出式放大画面（包括参状态/型号等），点击总画面上的泵弹出此画面

1、编写事件命令语言：

当同时按下泵提示和某一个泵的按钮，显示该泵的参数信息。

2、弹出画面

画面3：

液位/界位报警画面

报警设置：

低低、低、高、高高报警值设置：

液位报警画面：

画面4：

液位/温度/界位各一个实时趋势图和历史趋势图

实时趋势图：

选择工具箱中的

工具，在画面上绘制一实时趋势曲线窗口。

在曲线定义选项卡中选择要实时反映的变量。

历史趋势图：

对于要以历史趋势曲线形式显示的变量，必须设置变量的记录属性。

在“定义变量”对话框中单击“记录和安全区”属性页，将不记录改为数据变化记录，变化灵敏为：

0。

在工程浏览器窗口左侧的“工程目录显示区”中双击“系统配置”中的“历史数据记录”选项，弹出“历史记录配置”对话框。

实时和历史趋势图：

画面4：

报表画面（液位,温度,界位）

报表分为实时数据报表和历史数据报表。

（3）优化设置

1、组态操作权限

优先级分1~999级，1级最低999级最高。

每个操作者的优先级别只有一个。

系统安全区共有64个，用户在进行配置时。

每个用户可选择除“无”以外的多个安全区，即一个用户可有多个安全区权限。

设置油罐用户组，将管理员、操作员看成用户，并设置管理员优先级最高，并设置相应的密码。

配置运行现象登陆界面

2、通过链接切换画面

增加报警画面、趋势图、报表画面，通过右侧链接

（4）画面命令语言

变量说明：

g1、g2、g3、g4代表每个油罐的液位，in代表泵总开，out代表泵总关，in1、in2、in3、in4代表每个油罐的入口阀门，out1、out2、out3、out4代表每个油罐的出口阀门，clear1、clear2、clear3、clear4代表手动排污阀。

bengin1,2,3和bengout1,2,3代表进口泵和出口泵。

num代表泵输入总流量的比

num=bengin1*1+bengin2*2+bengin3*2.5;

num1代表泵输出总流量的比

num1=bengout1*1+bengout2*2+bengout3*2.5;

设置每个油罐跟液位相关的系数值

xishu1=0.25;

xishu2=0.2;

xishu3=0.15;

xishu4=0.3;

if（in==1&&num>0）

{

如果油罐1液位最低，增加油罐1的液位

if（g1<=g2&&g1<=g3&&g1<=g4&&g1<16）

{

in1=1;

in2=0;

in3=0;

in4=0;

g1=g1+num*xishu1;

}

else

{

如果油罐2液位最低，增加油罐2的液位

if（g2

{

in1=0;

in2=1;

in3=0;

in4=0;

g2=g2+xishu2*num;

}

else

{

如果油罐3液位最低，增加油罐3的液位

if（g3

{

in1=0;

in2=0;

in3=1;

in4=0;

g3=g3+xishu3*num;

}

else

{

如果油罐4液位最低，增加油罐4的液位

if（g4

{

in1=0;

in2=0;

in3=0;

in4=1;

g4=g4+xishu4*num;

}

}

}

}

}

if（out==1&&num1>0）

{

如果油罐1液位最高，降低油罐1的液位

if（g1>=g2&&g1>=g3&&g1>=g4&&g1>2）

{

out1=1;

out2=0;

out3=0;

out4=0;

g1=g1-xishu1*num1;

}

else

{

如果油罐2液位最高，降低油罐2的液位

if（g2>=g1&&g2>=g3&&g2>=g4&&g2>2）

{

out1=0;

out2=1;

out3=0;

out4=0;

g2=g2-xishu2*num1;

}

else

{

如果油罐3液位最高，降低油罐3的液位

if（g3>=g1&&g3>=g2&&g3>=g4&&g3>2）

{

out1=0;

out2=0;

out3=1;

out4=0;

g3=g3-xishu3*num1;

}

else

{

如果油罐4液位最高，降低油罐4的液位

if（g4>=g1&&g4>=g2&&g4>=g3&&g4>2）

{

out1=0;

out2=0;

out3=0;

out4=1;

g4=g4-xishu4*num1;

}

}

}}}

if（clear1==1||clear2==1||clear3==1||clear4==1）

手动排污

{

g1=g1-clear1*0.1;

g2=g2-clear2*0.1;

g3=g3-clear3*0.1;

g4=g4-clear4*0.1;

//jiewei1=jiewei1-0.1*clear1;

//jiewei2=jiewei2-0.1*clear2;

//jiewei3=jiewei3-0.1*clear3;

//jiewei4=jiewei4-0.1*clear4;

}

如果液位大于16，关闭相应的进口阀

if（g1>=16）

{in1=0;}

if（g2>=16）

{in2=0;}

if（g3>=16）

{in3=0;}

if（g4>=16）

{in4=0;}

如果液位小于2，关闭相应出口阀

if（g1<=2）

{out1=0;}

if（g2<=2）

{out2=0;}

if（g3<=2）

{out3=0;}

if（g4<=2）

{out4=0;}

if（num==0）

{

in1=0;

in2=0;

in3=0;

in4=0;

}

if（num1==0）

{

out1=0;

out2=0;

out3=0;

out4=0;

}

（5）运行总画面

（6）与PLC通信设置

在工程浏览器中选择设备—com1—新建，如下图，配置com口跟PLC连接。

设置bengin1,2,3和bengout1,2,3分别与Q0.0等相联系，可观察到PLC输出指示灯会随着这些变量的改变和改变。

三、组态王部分总结

组态王是组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理，操作方便，界面美观。

组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。

通过这次课程设计，我们学会了如何建立一个组态王工程，如何设计界面，编写命令语言、以及报警事件、趋势曲线和报表的相关制作，权限的设置，以及与实际设备的简单通信，通过本次实习，我想在以后工作中，我们会更好的应用此例软件，完成工业监控。

智能仪表部分

一、MODBUSASCII和MODBUSRTU通讯协议简介

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。

它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

它制定了消息域格局和内容的公共格式。

两种串行传输模式：

RTU模式和ASCII模式。

RTU传输模式：

当设备使用RTU（RemoteTerminalUnit）模式在Modbus串行链路通信，报文中每个8位字节含有两个4位十六进制字符。

这种模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。

每个报文必须以连续的字符流传送。

RTU模式每个字节（11位）的格式为:

编码系统:

8位二进制，报文中每个8位字节含有两个4位十六进制字符（0–9，A–F。

）

BitsperByte:

1起始位，8数据位，首先发送最低有效位，1位作为奇偶校验，1停止位。

ASCII传输模式

当Modbus串行链路的设备被配置为使用ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）模式通信时，报文中的每个8位子节以两个ASCII字符发送。

ASCII模式每个字节（10位）的格式为:

编码系统:

十六进制，ASCII字符0-9，A-F。

报文中每个ASCII字符含有1十六进制字符。

BitsperByte:

1起始位，7数据位，首先发送最低有效位，1位奇偶校验，1停止位。

03读保持寄存器

上位机发送数据格式：

“:

”ADDRESS03ADDRHADDRLNUMHNUMLLRC0X0D0X0A

正确时变频器返回数据格式：

“:

“ADDRESS03BYTECOUNTDATA1DATA2DATA3DATANLRC0D0A

06写单个保持寄存器值

上位机发送数据格式：

“:

“ADDRESS06ADDRHADDRLDATAHDATALLRC0X0D0X0A

正确时变频器返回数据格式：

“:

“ADDRESS06ADDRHADDRLDATAHDATALLRC0X0D0X0A

二、MODBUSASCII编程以及与组态王通信

1、变量定义

unsignedcharERR[21]="InputLRCERROR!

";//出错时显示字符

unsignedcharRX[32];//单片机接受数据数组

unsignedcharTX[32];//03功能时单片机发送数据数组

unsignedcharTX6[32];//06功能时单片机发送数据数组

unsignedcharBuf[10];//存储数据的数组

unsignedintflag;//上位机发送数据标志位

unsignedintflag1;//单片机应答数据标志位

unsignedintflow;//流量值

unsignedinttemperature;//温度值

unsignedcharLRC;//上位机发送数据校验码

unsignedcharLRCt;//单片机应答数据校验码

2、通过UART中断完成上位机给单片机发送

编程思路：

通过UART中断，实现上位机给单片机发送数据，当单片机接受到：

，表示上位机要向单片机发送指令，相应标志位置1，当再次发生中断时，就开始接受数据，同时存入RX[32]的数组里，直到接收到回车换行符，则发送命令结束。

此时发送标志位置1，进入应答程序。

#pragmavector=USCI_A1_VECTOR

__interruptvoidUSCI_A1_ISR（void）

{

while（!

（UCA1IFG&UCTXIFG））;//判断是否发送完毕

if（UCA1RXBUF==':

'）//：

为起始标志，如果开始，标志位flag置位

{

flag=1;

}

if（flag==1）//当标志位flag置位说明发送命令开始，开始接受命令数据

{

RX[0]=':

';

if（UCA1RXBUF!

=0x0D&&UCA1RXBUF!

=0x0A）//只要不是回车换行符，就依次将数据存入接受数组RX中，同时计数变量tempnumb加1

{

tempnumb++;

RX[tempnumb]=UCA1RXBUF;

}

if（UCA1RXBUF==0x0D）//若是回车

{

tempnumb++;

RX[tempnumb]='D';

}

if（UCA1RXBUF==0x0A）//若是换行

{

tempnumb++;

RX[tempnumb]='A';

flag=0;//接受标志位清零

flag1=1;//发送标志位置1

TTXX（）;//调用发送数据函数

}

}

}

3、单片机通过UART中断向上位机发送应答指令

编程思路：

先计算上位机发送数据的校验码，如果和发送的校验码相同，单片机再应答。

设置寄存器地址0001，存储流量数据；设置寄存器0002，存储温度数据。

然后判断是03号功能还是06号功能，若是03号功能，按照相应的格式发送数据，若是06号功能，按照命令更改数据，并返回应答命令。

voidTTXX（）

{

inti;

intj;

unsignedintb;

unsignedintc;

unsignedintd;

In_LRC（）;//计数上位机发送命令校验码

if（RX[8]=='1'）//如果地址为寄存器0001，发送流量数据

shitohex（flow）;

if（RX[8]=='2'）//如果地址位寄存器0002，发送温度数据

shitohex（temperature）;

if（RX[3]=='0'&&RX[4]=='3'）//如果是03号功能

{

if（（LRCHi==RX[tempnumb-3]）&&（LRCLo==RX[tempnumb-2]））//如果上位机发送校验码正确

{

for（b=0;b<=4;b++）

{

TX[b]=RX[b];

}

temp=asciitohex（RX[tempnumb-4]）;//计算单片机要发送数据的字节数

TX[5]=hextoascii（（（temp*2）>>4）&0x0F）;

TX[6]=hextoascii（（temp*2）&0x0F）;

for（i=0;i

{

TX[7+i]=hextoascii（Buf[i]）;//要发送的数据

TX[8+i]=hextoascii（Buf[i+1]）;

}

tempnumt=7+i;//统计数据长度，用于计算校验码

Out_LRC（）;//计算单片机发送数据校验码

TX[7+i]=LRCtHi;

TX[8+i]=LRCtLo;

TX[9+i]=0x0D;

TX[10+i]=0x0A;

for（j=0;j<=（10+i）;j++）//单片机发送数据

{

while（!

（UCA1IFG&UCTXIFG））;//判断是否发送完毕

UCA1TXBUF=TX[j];

}

}

else//如果校验码不正确，返回错误代码InputLRCERROR!

只能通过串口调试看到

{

ERR[19]='8';

ERR[20]=TX[4];

for（d=0;d<=20;d++）

{

while（!

（UCA1IFG&UCTXIFG））;//判断是否发送完毕

UCA1TXBUF=ERR[d];

}

}

}

elseif（RX[3]=='0'&&RX[4]=='6'）//如果是06号功能

{

for（c=0;c<=tempnumb;c++）

{

TX6[c]=RX[c];

while（!

（UCA1IFG&UCTXIFG））;//判断是否发送完毕

UCA1TXBUF=TX6[c];

}

selflow（TX6[10]）;//设置流量值

seltemp（TX6[11]）;//设置温度值

}

flag1=0;//单片机发送标志位清零

tempnumb=0;//上位机发送数据计算值清零

}

4、辅助模块部分

（1）、LRC校验模块

编程思路：

LRC的计算,对报文中的所有的连续8位字节相加，忽略任何进位，然后求出其二进制补码。

unsignedchar*auchMsg;指向含有用于生成LRC的二进制数据报文缓冲区的指针,

unsignedshortusDataLen;报文缓冲区的字节数.

unsignedcharMODBUS_LRC（unsignedchar*auchMsg,unsignedshortusDataLen）

{

unsignedcharuchLRC=0;//LRC初始化

while（usDataLen--）//完成整个报文缓冲区

uchLRC+=*auchMsg++;//缓冲区字节相加，无进位

return（（unsignedchar）（-（（char）uchLRC）））;//返回二进制补码

}

（2）发送和应答校验码计数程序

voidIn_LRC（）

{

unsignedinta;

for（a=1;a<（tempnumb-3）;a+=2）

{

tempRX[（a-1）/2]=（asciitohex（RX[a]）<<4）|asciitohex（RX[a+1]）;

}

LRC=MODBUS_LRC（&tempRX[0],（tempnumb-4）/2）;//进行LRC效验计算

LRCHi=hextoascii（（LRC>>4）&0x0F）;

LRCLo=hextoascii（LRC&0x0F）;

}

voidOut_LRC（）

{

unsignedintc;

for（c=1;c

{

tempTX[（c-1）/2]=（asciitohex（TX[c]）<<4）;

tempTX[（c-1）/2]=（asciitohex（TX[c]）<<4）|asciitohex（TX[c+1]）;

}

LRCt=MODBUS_LRC（&tempTX[0],（tempnumt-1）/2）;//进行LRC效验计算

LRCtHi=hextoascii（（LRCt>>4）&0x0F）;

LRCtLo=hextoascii（LRCt&0x0F）;

}

（3）进制之间转换程序

由于发送和读取的数据是字符，而寄存器中数据多按照十六进制存储，故需要各种进制间的相互转换。

//十六进制数转换为ASCII码

unsignedcharhextoascii（unsignedcharhex）

{

if（hex<=0x09）

returnhex+0x30;

else

returnhex+0x37;

}

//ASCII码转换为十六进制的数

unsignedcharasciitohex（unsignedcharascii）

{

if（ascii<=0x39）

returnascii-0x30;

else

returnascii-0x37;

}

//十进制转十六进制，由于组态王通信时会自动将十六进制数转换位十进制数，因此需要在单片机内将十进制数转换位十六进制数，这样组态王读到的就是十进制的数据。

unsignedcharshitohex（unsignedintshi）

{

inti,b,d,c;

inta=0;

d=4;

charshiliu[10];

while（shi）//shi代表相应的十进制数

{

c=shi%16;//每次除以16取余求得相应的十六进制数

shi=shi/16;

shiliu[a]=c;

a++;

}

for（i=a;i<=4;i++）//得到的数据首位倒置，才是要求的十六进制数

{

shiliu[i]=0;

}

for（b=0;b<4;b++）

{

d--;

Buf[b]=shiliu[d];

}

return0;

}

（4）波特率，流量、温度的设置

//选定流量

voidselflow（unsignedcharselflow）

{

switch（selflow）

{

case'0':

flow=100;break;

case'1':

flow=1799;break