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伺服与运动

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松下PLC通过MODBUS总线控制LEXIUM 05伺服

导读: MODBUS作为一种通用的现场总线,已经得到很广泛的应用,很多厂商PLC、智能I/O与A/D模块具备MODBUS通讯接口。本文在阐述MODBUS通信协议的基础上,构建了基于MODBUS的伺服电机运动控制。

引言

  现代工业自动控制系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向发展。利用现场总线技术,将符合同一标准的各种智能设备统一起来,彻底实现整个监测系统的分散控制,将提高系统集成度和数据传输效率、延长有效控制距离,并有利于提高系统抗干扰性能和扩展系统功能。在运动控制中,伺服电机以其响应速度快,控制精准等优点以被更多的客户所选用。如果把总线通信与伺服控制技术统一起来,将推动运动控制技术以及设备远程监控技术的发展。MODBUS作为一种通用的现场总线,已经得到很广泛的应用,很多厂商PLC、智能I/O与A/D模块具备MODBUS通讯接口。本文在阐述MODBUS通信协议的基础上,构建了基于MODBUS的伺服电机运动控制。

1 MODBUS总线控系统的技术特征

  MODBUS通讯协议是一种工业现场总线通讯协议,它定义的是一种设备控制器可以识别和使用的信息帧结构,独立于物理层介质,可以承载于多种网络类型中。MODBUS协议把通信参与者规定为“主站”(Master)和“从站”(Slave),数据和信息的通信遵从主/从模式,当它应用于标准MODBUS网络时,信息被直接传送。MODBUS总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来,只允许一个控制器作为主站,其余智能设备作为从站。采用命令/应答的通信方式,主站发出请求,从站应答请求并送回数据或状态信息,从站不能够自己发送信息。MODBUS协议定义的各种信息帧格式,描述了主站控制器访问从站设备的过程,规定从站怎样做出应答响应,以及检查和报告传输错误等。网络中的每个从设备都必须分配给一个唯一的地址,只有符合地址要求的从设备才会响应主设备发出的命令。

  由于MODBUS总线系统开发成本低,简单易用,并且现在已有很多工控器、PLC、显示屏等都具有MODBUS通信接口,所以它已经成为一种公认的通信标准。通过MODBUS总线,可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络,进行集中监控。

  MODBUS最初为PLC通信而设计,它通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换。这些总线命令对应的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的数据传送。但不是很多MODBUS设备的控制只使用其中的几条命令,对其余命令不做反应。

  1.1 MODBUS通信格式

  MODBUS协议定义了两种传输模式,即RTU(Remote Terminal Unit)和ASCII。在RTU模式中,1字节的信息作为一个8位字符被发送,而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送,如发送字符“20”时,采用RTU模式时为“00100000”,然而采用ASCII模式则成为“00110010”+“00110000”(ASCII字符的“2”和“0”)。可见,发送同样的数据时,RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍。一般来说,数据量少而且主要是文本时采用ASCII;通信数据量大而且是二进制数值时,多采用RTU模式。

  主站一次可向一个或所有从站发送通信请求(或指令),主设备通过消息帧的地址域来选通从设备。主站发送的消息帧的内容和顺序为:从站地址、功能码、数据域(数据起始地址、数据量、数据内容)、CRC校验码;从站应答的信息内容和顺序与主站信息帧基本相同。MODBUS除了定义通信功能码之外,同时还定义了出错码,标志出错信息。主站接收到错误码后,根据错误的原因采取相应的措施。从站应答的数据内容依据功能码进行响应,例如功能代码03要求读取从站设备中保持寄存器的内容。

  MODBUS部分功能码

  1.2 CRC校验的实现

  MODBUS通信的RTU模式中,规定信息帧的最后两个字节用于传递CRC(Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验)码。发送方将信息帧中地址域、功能码、数据域的所有字节按规定的方式进行位移并进行XOR(异或)计算,即可得到2字节的CRC码,并把包含CRC校验码的信息帧作为一连续的流进行传输。接收方在收到该信息帧时按同样的方式进行计算,并将结果同收到的CRC码的双字节比较,如果一致就认为通信正确,否则认为通信有误,从站将发送CRC错误应答。

  RTU模式一般采用CRC-16冗余校验方法,CRC-16的校验码为16位(2字节),其中低字节在前,高字节在后。实现CRC校验有两种方法:根据CRC校验的定义公式进行计算,或者在程序中建立CRC校验值表。在程序中使用前者更容易实现,这里需要使用CRC生成多项式X16+X15+X2+1。该多项式对应的码组系数为18005H(16进制),去除最高位,对应的16位余数为8005H,即为CRC-16常数。CRC-16校验过程如下:将CRC寄存器的每一位预置为1;把该寄存器值与8bit的信息帧数据进行异或,结果存于该寄存器;对CRC寄存器从高到低进行移位,在最高位(MSB)的位置补零,而最低位(LSB,移位后已经被移出CRC寄存器)如果为1,则把寄存器与CRC-16常数进行异或,否则如果LSB为零,则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次,第一个8bit数据处理完毕,用此时寄存器的值与下一个8bit数据异或并进行如前一样的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC添加到消息中时,先加入低字节,然后高字节。

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