摘要: 应用 3100/3150-MCM 模块实现 AB PLC 与 M0DBUS 网络通讯的方法, 该方法使用 M0DBUS 协议, 通过开发 AB PLC 的应用程序, 从而实现主从结构网络通信。
一. 引言
目前的工业控制现场大量使用了 PLC 和各种智能仪表用于生产过程控制。 随着控制规模的扩大和控制功能的复杂化, 常需要多台 PLC 及一定数量的外设 仪表组成一个控制系统。
M0DBUS是美国 M0DIC0N 公司制订的一种串行传输协议, 可实现主从命令响 应型通信。作为一种工业通信和分布式控制系统协议, 已经得到多家公司的 PLC 和智能仪表支持。
A-B 公司(Allen-Bradley) 是美国生产可编程控制器的主要厂家之一, 具 有先进的通信和数据处理功能。在水处理行业中, 使用大量的可编程控制器用 于生产过程控制, 其中 A-B 公司的 PLC 占了相当的比重。
由于不同硬件厂商支持不同的工业通信和分布式控制系统协议, 要实现AB PLC 与 M0DBUS仪表组成控制网络, 实现设备的连网, 就存在着互相通信协议转 换问题。
3100/3150-MCM 模块是 PR0s0FT TECHN0L0GY 公司推出的在 AB PLC 通用框架 上安装的 M0DBUS 通信接口模块。该模块可以实现 AB PLC 与 M0DBUS现场设备之 间的通信, 从而使 AB PLC 通信能力得到增强, 灵活实现 AB PLC 与 M0DBUS 网络 的互连, 完成复杂的控制要求。
本文基于自来水厂泵站集散控制系统的设计, 着重介绍 AB 公司的 sLC 系列 的 PLC 通过 3150-MCM 模块和 M0DBUs 网络连接的实现方法。
二. 系统联网方案
自来水厂泵站集散控制系统, 不仅实现一般的逻辑控制, 还具备了包括模 拟量在内的数值处理和网络通信等功能。在现场的实际应用中, 系统使用的电 机保护装置sepam2000采用了M0DBUS通信协议, 出于系统控制功能的需要, 要求 在AB PLC中实现对M0DBUS协议的支持。我们利用3150-MCM模块建立起M0DBUS设备网。
系统的网络结构遵循M0DBUS协议的规范, 采用标准简单的主从总线结构, 以PLC作为主机发起通信, 多台电机保护装置sepam2000作为从机, 各从机在进 行传输之前必需要等待来自主机的允许信号。主机可以发送和接收来自通信链 上从机的信息, 而从机则始终处于被动状态, 随时准备响应来自主机的通信请
求。设备层部分网络结构如图1。
三. sepam2000 及 M0DBUS 协议的介绍
sepam2000 作为电机保护装置, 提供了所有保护、测量、控制、通信等功能。
sepam2000 与远程监控系统之间的通信是采用 M0DBUs 协议的通信方式。
M0DBUs的通信采用的是一种主/从式数据传输, 在主从结构的通信方式中, 有一台主机, 多台从机, 主机可与各个从机作双向通信, 而各从机之间不能通 信。主机与各个从机通信的报文形式为请求/响应帧方式。每次通信均由主机发 起, 不需握手。主机发出请求帧后, 等待从机返回响应帧直至响应时间超时。 从机只能通过提供数据响应主机的请求, 或根据请求做出相应的动作。
M0DBUs协议定义了主机请求的格式, 包括: 请求的编址, 要求动作的功能 编码, 传输数据和错误校验等。请求中的编址(即地址码) 提供接收主机报文 的从机地址, 从机根据地址判别是否接受该请求, 用户必须设置每台从机的地 址。功能编码告诉指定编址的从机完成什么样的动作。数据字段中包含了从机 执行任务时所需的附加信息。例如, 功能编码03表示读取从机的保持寄存器并 返回其中的内容, 数据区中的信息就必须告诉从机从哪个寄存器开始读, 需要 读的寄存器数。错误校验字段为从机提供了信息完整性校验的方法。同样, 响 应的格式也是采用M0DBUs协议结构, 从机响应的功能编码与接受的请求的功能 编码相对应, 数据字段包含根据请求返回的数据, 错误校验字段允许主机确认 信息内容是否有效。
M0DBUs协议共有24种功能编码, 但是并不都适用于sepam2000, 实际应用中 sepam2000只是支持下面有限的几种:
01 读取输出状态
02 读取输入状态
03 读取内部寄存器内容
04 读取输入寄存器内容
05 强制单个输出状态
06 刷新单个寄存器内容
07 读取异常事件状态
08 诊断测试
11 读取计数器和状态字
15 强制多个输出状态
16 刷新多个寄存器内容
如果主机希望读取2号sepam2000从机中寄存器0805h-080Ah的内容, 则需要 调用功能03。主机请求和从机响应的帧格式如下:
请求帧:
| 地址 | 功能号 | 数据起始寄存器编址 | 寄存器数目 | 错误校验字段 |
| 2 | 03 | 0C05 | 06 | CRC16 |
响应帧:
| 地址 | 功能号 | 字节计数 | 数据寄存器(0805) | …… | 数据寄存器(080A) | 错误校验字段 |
| 2 | 03 | 0C | Data1 | …… | Data6 | CRC16 |
而如果主机希望刷新2号sepam2000从机中寄存器0810h的内容并把寄存器 内容设置为1000, 则需要调用功能06。主机请求和从机响应的帧格式如下:
请求帧:
| 地址 | 功能号 | 寄存器编址 | 设置值 | 错误校验字段 |
| 2 | 06 | 0C0E | 1000 | CRC16 |
响应帧: (返回收到的请求帧)
| 地址 | 功能号 | 寄存器编址 | 设置值 | 错误校验字段 |
| 2 | 06 | 0C0E | 1000 | CRC16 |
sepam2000 的帧格式以及所执行的功能都有明确的定义, 不能随意更改。在 通信过程中, 要确保主机和各从机的对应关系正确。此外, 用户可以根据实际 需要配置合适的传输波特率、字符奇偶校验、停止位的个数等通信参数设置。
四. AB PLC 中 M0DBUs 协议的实现
1. MCM 模块的通信控制
PR0s0FT TECHN0L0GY 公司的 3100/3150-MCM 通信模块, 相当于网络接口, PLC 通过 MCM 模块与 M0DBUs 总线相连。MCM 模块能快速、可靠地在 AB PLC 中实 现 M0DBUs 协议。
3100/3150-MCM 通信模块可供用户选择使用主机模式或者从机模式。当 MCM 模块设定为主机, 它对连接到总线上的从机进行控制, 支持 M0DBUs 协议中(01、 02、03、04、05、06、15、16) 8 种功能编码, 可以发送多达一百条定制的请求 指令, 并支持以4广播” 方式发出请求。当 MCM 模块指定为从机, 它响应主机 的请求, 此时能够支持 M0DBUs 协议中(01、02、03、04、05、06、08、15、16) 9 种功能编码。同时, 无论是主机模式或者是从机模式, 3100/3150-MCM 通信模 块都支持 AsCII 和 RTU 两种传输模式。
当 AB PLC 配置了 3100/3150-MCM 通信模块作为主机模式时, PLC 采用周期 扫描方式, 按请求指令的顺序与从机交换数据。每次扫描期间, 处理器使用逻 辑写指令将主机内存中要输出到各从机的数据传送到 3100/3150-MCM 通信模块 中的发送缓冲区, 模块根据存储的功能指令, 发送到指定的从机: 而各从机响 应后返回的数据, 3100/3150-MCM 通信模块将其先存放在接收缓冲区, 然后 PLC 使用逻辑读指令把数据移入相应的输入数据存储区。周而复始, 使主机与从机 中的数据得到周期性的刷新。整个数据流程如图 2 所示:
2. MCM 模块与 M0DBUs 的硬件连接
MCM 模块使用的是与 Rs232C 兼容的标准通讯接口, 但在实际应用中由于要实 现多点通信, 所以采用 Rs485 方式。图 3 是 3150-MCM 模块 9 芯串行口与 M0DBUS的连接图
3. MCM 模块的缓冲区管理
PLC 与 MCM 模块之间是通过模块输入、输出映像文件进行数据传送。PLC 写 数据时, 将数据写入输出映像文件, 然后 3100/3150-MCM 通信模块把数据映射到相应的缓冲区位置上: PLC 读数据时, 根据映射地址, 从输入映像文件中读取 模块缓冲区中对应地址的数据。映像文件的数据传送单位为一个 50 字节的数据 块, PLC 必须循环地一次传送一个数据块。
MCM 把缓冲区按数据传送的单位大小, 分为若干个块, 并一一标号, 用块号 对应起来, 并且划分为三个区, 分别用于数据、指令、参数设置。数据存储区 从 0 块号开始, 结束于 79 块号, 中间有 4000 个字节的空间, 用于存储接收的 数据和发送的数据, 是主机、从机交换数据的场所: 指令存储区从第 80 块至第 99 块, 共 1000 个字节, 用于存储主机模式下, 模块的功能指令表, 每次扫描, 顺序按功能指令列表向从机发出请求帧: 第 255 块号前 40 个字节则专门定义为 模块设置参数存储区, 用于初始化模块。
在通信过程中, 首先要对主机进行初始化, 即对第 255 块号对应的缓冲区 内容进行参数配置, 主要是定义通信端口的设置, 模块缓冲区的详细划分。设 置的有以下参数:
(1) 定义 MCM 通信模块两个独立的通讯接口设置。包括: 选择主机模式 或者从机模式、定义字符奇偶校验、停止位的个数, 传输的波特率, 响应延时等参数。
(2) 定义模块的缓冲区中存储接收数据的数据存储区。包括: 接收数据 存储区的起始块号, 存储区的连续块数。
(3) 定义模块的缓冲区中存储发送数据的数据存储区。包括: 发送数据 存储区的起始块号, 存储区的连续块数。
(4) 定义模块的缓冲区中指令存储区。由于指令存储区固定从 80 号数 据块开始, 所以只需指定存储区的块数。
4 . MCM 模块的功能指令设置
MCM 模块处于主机模式下时, 功能指令列表存放在模块缓冲区中的指令存 储区。主机向从机发出请求时, 模块从指令存储区逐条读出功能指令, 并按照 M0DBUs 请求帧格式发送数据。
指令存储区中每条功能指令的具体内容如下:
| 1 | 模块通信端口选择 |
| 2 | 从机的站地址。从机在接收数据时将本站编址的值与收到的站 地址比较, 以此判定信息是否是发给本站的。而主机在接收时 则将收到的站地址与发送的站地址比较, 以判断是否是正确的从机响应 |
| 3 | 指令的功能编码 |
| 4 | 源地址。即主机要发送或接收的数据在缓冲区中的起始数据地址 |
| 5 | 数据长度。即主机要发送或接收的数据的字节数 |
| 6 | 目的地址。即从机要接收或响应的数据的寄存器地址 |
| 7 | 数据的类型。用于标示读、写的数据是双字节的浮点数还是单字节的整数 |
| 8 | 轮询时间 |
如果主机希望在 1 号通讯接口读取 2 号 sepam2000 从机中寄存器 0805h-080Ah 的内容并存放到模块缓冲区第 50 个字节开始的连续 6 个字节中,
功能指令内容如下:
| 端口号 | 从机地址 | 功能编码 | 源地址 | 数据长度 | 目的地址 | 类型 | 时间 |
| 1 | 2 | 3 | 50 | 6 | 0805 | 0 | 0 |
5. AB PLC 通讯程序的开发
程序执行时, 在第一个扫描周期, 都必须设置 MCM 的状态, 即初始化 MCM 模块。
通信程序中, PLC 在输入、输出映像文件中为 MCM 缓冲区设置当前以及后 续读写指针, 分别指向当前 MCM 缓冲区数据块号, 后续缓冲区数据块号。若 MCM 处于数据传送允许状态, 即 I1:1/0 = 1 , 00:1/0 = 0 时, PLC 判别当前读写 指针, 调用相应读写逻辑指令。如果指针指向接收数据的数据存储区, 则PLC 从 MCM 模块中接收数据: 如果指针指向发送数据的数据存储区, 则 PLC 向 MCM 模块发送数据: 如果指针指向指令存储区, 则 PLC 向 MCM 模块传送功能指令。 每次执行一个数据块的传送, 并在传送后, 把后续读写指针覆盖当前读写指针, 从而在下个扫描周期进行下一个数据块的传送。PLC 自动周期性扫描, 按照编定 的功能指令向从机的输入/输出数据进行发送/接收, 以满足数据传输的要求。
根据 PLC 的逻辑指令及 MCM 的通信原理, 画出了图 4 所示的主机通信程序
结构框图。
五. 结束语
经过现场调试, 实现了 1 台 AB PLC 与 13 台 sEPAM2000 组成的 M0DBUs 网 络连接。实际应用证明, 这种方式组成的系统结构简单, 应用方便, 能满足复 杂的控制需要。
