MODBUS通讯协议在三伺服枕式包装机中的应用

青岛科技大学 赵 坤

一、引言

ModBus通讯协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化 (Schneider Automation)部门的一部分，现在ModBus已经是工业领域全球最流行的协议之一。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用ModBus协议，作为他们之间的通讯标准。

ModBus通讯协议主要包括ASCII、RTU两种模式，每种模式都有自己特定的消息结构。ASCII模式的消息帧每个8 Bit字节都作为两个ASCII码发送，可以打印字符，便于故障检测，并且允许字符的传递间隔达到1s而不产生错误。RTU模式的消息帧必须是连续的，但是每个8 Bit字节包含4 Bit的十六进制字符，因此在同样的波特率下,RTU模式允许的字符密度较大，可比ASCII方式传送更多的数据。ModBus通讯协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。

本课题使用的是ModBus通讯协议的RTU模式实现三伺服枕式包装机与触摸屏之间的通信。

二、ModBus通讯系统硬件介绍

在三伺服枕式包装机通讯系统中使用的硬件设备有以下四种：

1.三伺服枕式包装机的运动控制核心是基于Motorola DSP56F807的通用控制器，作为Motorola 16位DSP56800系列中的一种，DSP56F807运算功能强大，外设接口也非常丰富，其两路串口通讯满足控制器与上位机触摸屏及整理机的实时通讯。

2.上位机触摸屏（HMI）采用 Kinco EviewMT4522T，其编程软件采用功能强大、简单易用的EV5000组态软件开发环境进行开发。

3.温控模块采用Delta公司的DTE10T，其支持RS-485通讯口，可用ModBus协议与上位机触摸屏进行实时通讯，从而实现温度采集控制功能。

4.整理机采用基于Motorola DSP56F8037系列，其支持串口通讯，支持4路PWM输出，丰富的I/O接口。

在三伺服枕式包装机通讯控制系统中，各硬件之间相互通讯的结构框图及通讯接口如图1所示：

图1 硬件通讯接口图

三、包装机触摸屏设计

在触摸屏程序设计中，其主要分为以下几个画面：主画面、点动区、功能区、报警区、温控区、帮助等几大界面，其中在主画面主要有产量清零、测长、膜进、膜退、校料、校膜、定长、追踪、袋长设定、切点设定、料位设定、追踪量设定等。

点动区主要包括刀进点动、刀退点动、膜进点动、膜退点动、料轴点动、入料开关、参考料点。温控区主要是四路温控的温度设定、温控开关以及温度PID参数设定。报警区主要是三轴伺服报警、色标丢失报警、物料错位报警、空槽发生报警以及超温报警。功能区主要包括空槽检测功能、电子防切功能、自动接膜功能、整理机控制、气缸控制。

在主画面上，可以显示包装机运行过程中下位机的数据，也可以改变包装机下位机运行的参数。这些数据主要包括：显示产量、测量袋长、设定包速、切点、料位、追踪量等。其中，在主界面中还可以对横封刀切色标的位置切点，以及送料位置料位进行调整。还有控制膜进、膜退、校料、校膜等功能。如图2所示：

图2 触摸屏中文主画面

四、ModBus通讯协议在三伺服枕式包装机中的实现

本设计中，触摸屏是主设备，运动控制器和温控模块作为从设备，负责接收主设备触摸屏发送的讯息，并根据讯息内容做出回应。ModBus协议的功能模块位于通讯事件库，在自动包装线运行过程中,通用运动控制器串口一直处于侦听状态,接收到第一个字节数据后，首先由串口中断判断讯息的地址域，如果不是发给自己的讯息，则不作进一步处理。如果是发给自己的讯息，则对收到的缓冲区内容进行校验，校验正确则根据功能代码对该讯息进行处理,并回复应答讯息。程序流程图设计如图3所示：

图3 ModBus通讯系统程序流程图

触摸屏在自动包装线高速运行过程中需要实时的更新产量、各轴位置等显示参数，因此需要频繁的与运动控制器通讯。同时运动控制系统在高速的运行过程中需要处理色标传感器、电子防切传感器、色标传感器、断膜检测传感器、空包检测传感器等各种中断，并且实时的进行大量数据运算，为了保证运动控制的实时性，运动控制器正在处理或接收到更高级别的中断时，将暂时屏蔽串口通讯中断，在处理完实时的运算后，重新开启串口通讯中断，并向触摸屏更新数据。

五、ModBus通讯协议功能码介绍

本设计中采用ModBus通讯协议中的三个功能码，介绍如表1所示：

表1 ModBus通讯协议功能码

功能码01在三伺服枕式包装机通讯控制系统中作为位操作，实现报警信息、点动按钮操作功能。

功能码03在三伺服枕式包装机通讯控制系统中作为字操作，把DSP中的数据（如横封刀轴、膜轴、料轴的位置，已包装产品数，各路温度实时数据等）传给上位机触摸屏，方便实时观测包装机的各生产状态。

功能码16在三伺服枕式包装机通讯控制系统中作为字操作，把上位机触摸屏上设置的实时参数传给DSP，方便的改变各个包装状态。

六、结束语

新型三伺服枕式包装机中通讯系统中使用ModBus通讯协议，实现了各个硬件系统的通讯连接，使整个通讯系统简捷方便。最终通过ModBus协议实现了三伺服枕式包装机上位机与下位机的通讯，极大地促进了三伺服枕式包装机的广泛推广。