郭愛華

摘要：MODBUS/TCP是MODBUS 通訊中的一種以太網(wǎng)通訊方式，MODBUS/TCP通訊對使用硬件要求低，應(yīng)用廣泛。西門子PLC的S7-200可以設(shè)置為MODBUS/TCP通信方法，其中使用了兩個(gè)MODBUS/TCP命令“MB_CLIENT”指令和“MB_SERVER”指令，它們分別將PLC設(shè)置MODBUS客戶端和MODBUS服務(wù)器，本文重點(diǎn)介紹這兩個(gè)命令的設(shè)置方法。

Abstract： MODBUS/TCP is an Ethernet communication method in MODBUS communication. MODBUS/TCP communication has low hardware requirements and a wide range of uses. The Siemens PLC S7-1200 can be set to the MODBUS/TCP communication method， in which two MODBUS/TCP commands "MB_CLIENT" and "MB_SERVER" are used， which respectively set the PLC as a MODBUS client for industrial robots and MODBUS server for MES manufacturing process execution and management system. This paper focuses on the setting methods of these two commands.

關(guān)鍵詞：MODBUS/TCP;S7-1200;客戶端;服務(wù)器

Key words： MODBUS/TCP;S7-1200;client;server

中圖分類號：TP368.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0204-03

0 ?引言

自動(dòng)化系統(tǒng)包括多種通訊協(xié)定，它們是可以應(yīng)用于工業(yè)控制器上的通用語言。通過多種協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它們有一定的成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它們，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。

常見的通訊協(xié)定，例如三菱PLC常用的CC-LINK，西門子常用的PROFIBUS和PROFINET IO通訊方式，施耐德公司的MODBUS通訊方式，等等。西門子PLCS7-1200CPU可以使用的一種通訊方式是MODBUS/TCP方式，在西門子CPU中它是結(jié)合了MODBUS通訊方式和PROFINET通訊方式，可以使用PROFINET通訊來連接MODBUS客戶端或服務(wù)器。

在工業(yè)4.0信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)時(shí)代的大背景下，借助互聯(lián)網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)，變革了全新的智能制造模式，網(wǎng)絡(luò)下單點(diǎn)單按需生產(chǎn)制造模式成為工業(yè)制造發(fā)展趨勢。MES制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)可以成為其中的一環(huán)，結(jié)合西門子S7-1200CPU控制器，以及工業(yè)4.0必備的工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、料庫機(jī)構(gòu)、機(jī)床生產(chǎn)機(jī)構(gòu)共同組成智能化生產(chǎn)體系，本文中它們之間的主要通訊方式采用MODBUS/TCP通訊方式。

1 ?Modbus 協(xié)議的簡單介紹

Modbus 協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它是一種集散控制，工業(yè)控制器可以通過連網(wǎng)進(jìn)行MODBUS通訊，它服從工業(yè)控制器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是公開發(fā)表的，對外開放，易于操作，是工業(yè)控制設(shè)備之間比較常用的通訊方式。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

當(dāng)在一MODBUS網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用MODBUS協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了MODBUS協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測的方法。

標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS網(wǎng)絡(luò)通信，能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種，MODBUS/TCP采用了RTU傳輸模式。當(dāng)控制器設(shè)為在MODBUS網(wǎng)絡(luò)上以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit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)。

2 ?MES制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)

MES系統(tǒng)能根據(jù)不同操作者的用戶名和密碼登陸生成不同系統(tǒng)加工任務(wù)，即具有管理用戶的功能，并能判別糾錯(cuò);可以在工作任務(wù)中的進(jìn)行零件的選擇以篩選零件類型，并能視具體情況進(jìn)行零件加工任務(wù)的增減;

自動(dòng)化智能制造系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化機(jī)器人生產(chǎn)線，云制造以及基于RFID的智慧工廠。MES系統(tǒng)的任務(wù)應(yīng)包括項(xiàng)目管理、智能設(shè)計(jì)、智能工藝、智能編程、智能制造、智能測量、OEE設(shè)備監(jiān)控、APS排產(chǎn)等多項(xiàng)業(yè)務(wù)及功能。

3 ?搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代信息工業(yè)產(chǎn)業(yè)柔性制造系統(tǒng)重要的組成部分，在本例中負(fù)責(zé)搬運(yùn)物料在倉庫與各機(jī)場設(shè)備之間，采用的是華中工控機(jī)器人，能與PLC使用MODBUS/TCP連接，交換數(shù)據(jù)，根據(jù)PLC提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行流程判斷每步的工作目的，是整個(gè)系統(tǒng)的重要執(zhí)行部分，同時(shí)也是系統(tǒng)最主要的控制中心，MES系統(tǒng)在本例中只提供數(shù)據(jù)，PLC負(fù)責(zé)各部分的數(shù)據(jù)信息連接傳送，和少量對MES數(shù)據(jù)的分析，工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)將PLC輸送來的數(shù)據(jù)，通過流程進(jìn)行分析，形成倉庫產(chǎn)品的加工軌跡，由它來生成整個(gè)加工過程的流程圖。

4 ?西門子PLCS7-1200CPU控制系統(tǒng)的選型介紹

本例使用了S7-1200 1215C DC/DC/DC的CPU的PLC，它的性能為有100 KB的工作存儲器;24VDC電源，板載DI14x24VDC漏型/源型，DQ10x24VDC及AI2和 AQ2，即14個(gè)數(shù)字量輸入，10個(gè)數(shù)字量輸出，2個(gè)模擬量輸入和2個(gè)模擬量輸出;板載6個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4個(gè)脈沖輸出;信號板擴(kuò)展板載I/O;多達(dá)3個(gè)通信模塊用于串行通信;多達(dá)8個(gè)信號模塊用于I/O擴(kuò)展;0.04ms/1000條指令;2個(gè)PROFINET端口用于編程，HMI和PLC間的通信，本例中通過PROFINET接口連接MODBUS/TCP，作為MODBUS/TCP客戶端與工業(yè)機(jī)器人相連，再作為MODBUS/TCP服務(wù)器與MES制造過程管理系統(tǒng)相連接。

5 ?柔性制造系統(tǒng)MODBUS/TCP的程序?qū)嵗?/p>

西門子PLC在工控方面性能可靠，本文介紹針對S7-1200的在MODBUS/TCP通訊方式，其中主要使用分別了兩個(gè)指令，“MB_CLIENT”指令負(fù)責(zé)作為MODBUS/TCP客戶端通過S7-1200 CPU的PROFINET連接工業(yè)機(jī)器人，能進(jìn)行通信的通訊方式進(jìn)行主動(dòng)的連接。使用以太網(wǎng)系統(tǒng)可以在客戶端和服務(wù)器之間建立連接、發(fā)送請求、接收響應(yīng)并控制Modbus TCP服務(wù)器的連接終端。而另一個(gè)指令“MB_SERVER”指令作為MODBUS/TCP服務(wù)器，通過S7-1200 CPU的PROFINET連接進(jìn)行通信?！癕B_SERVER”指令將處理MODBUS/TCP客戶端MES制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)的連接請求、接收MODBUS功能的請求并發(fā)送響應(yīng)，客戶端可以對其數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和更改。使用這兩個(gè)指令，無需其它任何硬件模塊。

第一種“MB_CLIENT”指令，西門子S7-1200為客戶端，訪問工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)的MODBUS/TCP通訊方式。

S7-1200讀取工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)：西門子PLC的以太網(wǎng)地址設(shè)為192.168.8.1，工業(yè)機(jī)器人的以太網(wǎng)地址設(shè)為192.168.8.2，將機(jī)器人內(nèi)部的地址的1-16號數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)可以包括機(jī)器人的位置、狀態(tài)等）送到為機(jī)器人與PLC相互通訊時(shí)MB_CLIENT中PLC的數(shù)據(jù)塊的的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB2的DBW0至DBW30的16個(gè)字中，設(shè)M50.0的常開觸點(diǎn)為PLC讀取機(jī)器人數(shù)據(jù)的MODBUS/TCP服務(wù)器的通訊請求信號，其程序見圖1。

“MB_CLIENT”指令中輸入?yún)?shù) MB_MODE、MB_DATA_ADDR 和 DATA_LEN 與相關(guān) Modbus 功能的關(guān)系表如表1。

由表1可知MB_MODE=0、MB_DATA_ADDR=30001、DATA_LEN=16的組合指定MODBUS功能代碼為04，從機(jī)器人地址讀入16個(gè)字。

S7-1200向工業(yè)機(jī)器人寫入數(shù)據(jù)：以太網(wǎng)地址同讀取，將全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB2的DBW32至DBW64（包括存于PLC中其他設(shè)備數(shù)據(jù)，如MES數(shù)據(jù)，倉庫數(shù)據(jù)，機(jī)床數(shù)據(jù)或命令）寫入到工業(yè)機(jī)器人MODBUS地址中，M50.1的常開觸點(diǎn)為PLC寫入機(jī)器人數(shù)據(jù)的MODBUS/TCP服務(wù)器的通訊請求信號，其程序如圖2。

由關(guān)系表可以讀出，MB_MODE=1、MB_DATA_ADDR

=40001、DATA_LEN=16的組合指定MODBUS功能代碼為16，向機(jī)器人地址寫入16個(gè)字。

第二種“MB_SERVER”指令，西門子S7-1200為MODBUS服務(wù)器，由MES系統(tǒng)訪問PLC數(shù)據(jù)的MODBUS/TCP通訊方式。本例中我們僅做MES發(fā)送命令給PLC的程序，“MB_SERVER”指令本身是可以允許到達(dá)的Modbus 功能（1、2、4、5和15）直接讀取和寫入訪問S7-1200 CPU 的過程映像輸入和輸出，但在本例中我們還是使用全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB8來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫，且由于數(shù)據(jù)塊的讀寫超過一個(gè)字，還是使用Modbus的功能3和16來讀寫數(shù)據(jù)塊，MB_SERVER指令中的MB_HOLD_REG參數(shù)中輸入的數(shù)據(jù)塊指針和長度對應(yīng)了MODBUS客戶端從頭開始的地址數(shù)據(jù)，例如MB_HOLD_REG參數(shù)寫入P#DB8.DBX0.0 WORD 20，則DB8.DBW0對應(yīng)MES的MODBUS首地址數(shù)據(jù)，之后共20個(gè)字的長度一一對應(yīng)，見圖3。

為了能夠?qū)Σ煌瑺顟B(tài)情況下的不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行按條件順序傳輸，建立一個(gè)通訊規(guī)則，可以使系統(tǒng)和各個(gè)設(shè)備之間能有序的進(jìn)行溝通，按照操作步驟依次進(jìn)行傳輸，回應(yīng)，清零進(jìn)行周期工作，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更可靠，做以下的設(shè)置：第一步，先在MES中設(shè)置代表不同工作狀態(tài)的命令碼如0為復(fù)位，1為啟動(dòng)，2為停止，3為設(shè)備運(yùn)行，將它放入MODBUS首地址中傳入DB8.DBW0中，可在后續(xù)其他的地址中添加一些設(shè)備號，位置等數(shù)據(jù)信息，這步稱為MES發(fā)給PLC指令。第二步，將DB8.DBW0的數(shù)據(jù)傳入DB8.DBW10，將DB8.DBW10回傳給MES，這步稱為PLC響應(yīng)MES的指令。第三步，MES對回應(yīng)進(jìn)行處理，確認(rèn)命令碼正確傳輸后，送復(fù)位用的命令碼0給PLC，PLC清除DB8.DBW10，稱為MES清除PLC步驟數(shù)據(jù)，完成某步驟的數(shù)據(jù)傳輸共需這三步。以命令碼為3的數(shù)據(jù)傳輸為例的實(shí)際程序如圖4。

此程序完成了MES向PLC傳輸命令碼3，PLC回呼MES，MES傳回清零碼，進(jìn)行清零的三個(gè)步驟，能使數(shù)據(jù)的傳輸更加有層次，更可靠。

可靠而方便的通訊方式，使自動(dòng)化電氣設(shè)備與設(shè)備之間能更靈活的聯(lián)系起來，MODBUS通訊方式本身使應(yīng)用比較自由而廣泛的，結(jié)合MES系統(tǒng)，西門子PLC控制器和工業(yè)機(jī)器人完成了三者之間的自動(dòng)化系統(tǒng)通訊聯(lián)系。可以預(yù)計(jì)隨著移動(dòng)互聯(lián)和工業(yè)4.0的推進(jìn)，自動(dòng)化通訊技術(shù)也將不斷的發(fā)展創(chuàng)新，未來的通訊方式會更廣泛，更靈活，更迅速，更準(zhǔn)確。

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