摘 要：闡述了MODBUS協(xié)議RTU模式的通訊機(jī)制，并詳細(xì)介紹了CRC16校驗(yàn)碼的生成步驟。利用三菱Q系列PLC豐富的編程功能和串行通信智能模塊，通過RS485總線與MT-51流量顯示儀進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路質(zhì)量流量計(jì)可靠控制。

關(guān)鍵字：

    1 Modbus協(xié)議簡介  

    Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

    在Modbus網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)控制器設(shè)為以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息中的每8位的字節(jié)包含兩個(gè)4位的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

    在RTU模式下每個(gè)字節(jié)的格式：

    ·8位二進(jìn)制，以十六進(jìn)制數(shù)0...9，A...F來表示。

    每個(gè)字節(jié)的位

    ·1個(gè)起始位

    ·8個(gè)數(shù)據(jù)位，最低的有效位先發(fā)送    

    ·1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無校驗(yàn)則無

    ·1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)），2個(gè)Bit（無校驗(yàn)時(shí)）

    ·CRC（循環(huán)冗長校驗(yàn)）

    使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。   

    一典型的消息幀如下所示：

    

    2 質(zhì)量流量計(jì)

    本項(xiàng)目應(yīng)用中，采用的是匯博隆公司MT-51流量顯示儀，通過RS485接口與PLC通訊。實(shí)現(xiàn)對(duì)5臺(tái)AE公司的質(zhì)量流量計(jì)的監(jiān)控。通訊設(shè)定如表1所示。

    

    RS-485是面向網(wǎng)絡(luò)的一種接口標(biāo)準(zhǔn)，一對(duì)傳輸線上可以接多至32個(gè)接收器。在此網(wǎng)絡(luò)上，PLC作為主控制器，發(fā)送查詢命令，而MT-51流量顯示儀作為從控制器，當(dāng)從控制器接收到主控制器的查詢消息，它將建立一從控制器回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的主控制器，以回應(yīng)PLC的查詢。例如：

    PLC讀取設(shè)備號(hào)為1的質(zhì)量流量計(jì)瞬時(shí)流量值，PLC發(fā)送查詢命令01030010000185CF（16進(jìn)制數(shù)據(jù)流）。01－設(shè)備號(hào)；03－功能代碼（讀命令）；0010－寄存器起始地址；0001－字長；85CF－CRC16校驗(yàn)碼。

    MT-51流量顯示儀將回應(yīng)查詢，返回0103020064B9AF（16進(jìn)制數(shù)據(jù)流）。01－設(shè)備號(hào)；03－功能代碼（讀命令）；02－字節(jié)數(shù)；0064－是用0000~0FFF（十六進(jìn)制）表示的瞬時(shí)值，0000表示關(guān)閉，0FFF表示滿度流量；B9AF－CRC16校驗(yàn)碼。

    3 CRC16校驗(yàn)[1]    

    使用Modbus協(xié)議RTU模式，消息包括了一基于CRC16算法的錯(cuò)誤檢測(cè)域。CRC16域檢測(cè)了整個(gè)消息的內(nèi)容。CRC16域是兩個(gè)字節(jié)，包含一16位的二進(jìn)制值。它由發(fā)送控制器計(jì)算后加入到消息中。接收控制器重新計(jì)算收到消息的CRC16校驗(yàn)碼，并與接收到的CRC16域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。

    計(jì)算CRC16校驗(yàn)碼的步驟為：

    1）預(yù)置16位的寄存器為16進(jìn)制的FFFF（即全為1），稱此寄存器為CRC16寄存器；

    2）將第一個(gè)8位數(shù)據(jù)與16位CRC16寄存器的低位相異或，把結(jié)果存放在CRC16寄存器；

    3）并把寄存器的內(nèi)容右移一位（朝低位），用0填補(bǔ)最高位，檢查移出的最低位的值；

    4）如果值為1，將CRC16寄存器的內(nèi)容與16進(jìn)制常量A0001相異或，并把結(jié)果存放在CRC16寄存器；

    5）重復(fù)步驟3和4，直至右移8次，整個(gè)8位數(shù)據(jù)全部處理完；

    6）重復(fù)步驟2到步驟5，進(jìn)行下一個(gè)8位數(shù)據(jù)的處理；

    7）當(dāng)所有數(shù)據(jù)處理完成后，最終得到的CRC16寄存器的值就是CRC16校驗(yàn)碼。

    4 PLC參數(shù)設(shè)置與軟件實(shí)現(xiàn)

    在本項(xiàng)目應(yīng)用中，利用三菱Q系列高性能PLC[2][3]的QJ71C24-R4串行通信智能模塊通過RS485總線與MT-51流量顯示儀進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)AE公司質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)的采集和控制量輸出。

    4.1 開關(guān)設(shè)置[4][5]

    如圖1開關(guān)設(shè)置所示：開關(guān)1和開關(guān)2是QJ71C24-R4串行通信智能模塊的通道1的參數(shù)設(shè)定；開關(guān)3和開關(guān)4是通道2的參數(shù)設(shè)置。兩個(gè)通道參數(shù)設(shè)置相同，任意一個(gè)都可以進(jìn)行通訊，可在監(jiān)控PC上通過更改端口號(hào)來切換。

圖1 開關(guān)設(shè)置

    開關(guān)1/開關(guān)3的高8位（05）表示通訊波特率為9600；低8位（C2）表示傳輸設(shè)置－8個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，1個(gè)停止位；開關(guān)2/開關(guān)4（0006）表示采用無順序協(xié)議通訊。    

圖2 程序流程圖

    4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

    在GXDeveloper[6]編程中，編寫SEND子程序來完成16進(jìn)制查詢命令的生成和數(shù)據(jù)的發(fā)送；RECV子程序完成接收到的數(shù)據(jù)的處理；CRC子程序完成發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼生成。整個(gè)順控程序流程圖如圖2所示。

    SEND子程序調(diào)用指令格式為-[ECALLP“SEND”P700W30W35W3A]。ECALLP是子程序調(diào)用指令；“SEND”是子程序名稱；P700是公用指針號(hào)；鏈接寄存器W30、W35和W3A是子程序的傳遞參數(shù)，分別表示設(shè)備號(hào)、功能代碼和數(shù)據(jù)。例如：鏈接寄存器W30、W35和W3A的值分別為1、5和64（16進(jìn)制），則表示設(shè)定設(shè)備號(hào)為1的質(zhì)量流量計(jì)的流量輸出值為100sccm，QJ71C24-R4將發(fā)送16進(jìn)制查詢命令010600110064D824。

    由于MT-51流量顯示儀返回的數(shù)據(jù)長度根據(jù)接收到的查詢指令不同而不同，所以在SEND子程序里發(fā)送查詢指令時(shí)，要根據(jù)查詢命令的內(nèi)容更改QJ71C24-R4接受數(shù)據(jù)的長度。為防止QJ71C24-R4的OS緩存區(qū)溢出錯(cuò)誤，在每次調(diào)用SEND子程序之前，使用ZP.CSET指令來清除OS緩存區(qū)。

    查詢命令發(fā)送完成后，PLC將延時(shí)等待QJ71C24-R4的回應(yīng)信號(hào)。如果等待延時(shí)時(shí)間到，回應(yīng)信號(hào)一直為OFF，則表明無回應(yīng)，對(duì)應(yīng)該設(shè)備號(hào)的通訊錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器將累加，PLC將返回執(zhí)行下一條查詢命令；如果在等待時(shí)間內(nèi)，回應(yīng)信號(hào)變?yōu)镺N，則表示接收到MT-51流量顯示儀的回應(yīng)。PLC將通過G.INPUT指令將接收到的數(shù)據(jù)從QJ71C24-R4的OS緩存區(qū)讀取到PLC內(nèi)存，并調(diào)用RECV（調(diào)用指令格式為-[ECALLP“RECV”P800]）子程序進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)正確，將更新PLC相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，并復(fù)位對(duì)應(yīng)該設(shè)備號(hào)的通訊錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器；如果校驗(yàn)錯(cuò)誤，對(duì)應(yīng)該設(shè)備號(hào)的出錯(cuò)計(jì)數(shù)器將累加，計(jì)數(shù)器累積到閥值后，系統(tǒng)將報(bào)警輸出該設(shè)備號(hào)的質(zhì)量流量計(jì)通訊錯(cuò)誤。

    5 應(yīng)用效果

    在本項(xiàng)目應(yīng)用中，PLC可可靠的實(shí)現(xiàn)對(duì)5臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集和輸出控制，很好的滿足了系統(tǒng)要求。但由于受MT-51流量顯示儀通訊波特率的限制，存在一定的時(shí)間延遲，延遲時(shí)間在1s以內(nèi)。

    參考文獻(xiàn)

    [1]ModiconModbusProtocolReferenceGuide.MODICON，Inc.，IndustrialAutomationSystems，June1996
    [2]QCPU（功能解說）用戶手冊(cè).三菱電機(jī)，2007.10
    [3]QCPU（Q模式）/QnACPU編程手冊(cè)（公共指令篇）.三菱電機(jī)，2007.11
    [4]Q系列串行口通信模塊用戶參考冊(cè)（基礎(chǔ)篇）.三菱電機(jī)，2001.11
    [5]Q系列串行口通信模塊用戶參考手冊(cè)（應(yīng)用篇）.三菱電機(jī)，2001.6
    [6]GXDeveloperVersion8操作手冊(cè).三菱電機(jī)，2005.8