MODBUS通訊協議在三伺服枕式包裝機中的應用

青島科技大學 趙 坤

一、引言

ModBus通訊協議最初由Modicon公司開發出來，在1979年末該公司成為施耐德自動化 (Schneider Automation)部門的一部分，現在ModBus已經是工業領域全球最流行的協議之一。此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用ModBus協議，作為他們之間的通訊標準。

ModBus通訊協議主要包括ASCII、RTU兩種模式，每種模式都有自己特定的消息結構。ASCII模式的消息幀每個8 Bit字節都作為兩個ASCII碼發送，可以打印字符，便于故障檢測，并且允許字符的傳遞間隔達到1s而不產生錯誤。RTU模式的消息幀必須是連續的，但是每個8 Bit字節包含4 Bit的十六進制字符，因此在同樣的波特率下,RTU模式允許的字符密度較大，可比ASCII方式傳送更多的數據。ModBus通訊協議需要對數據進行校驗，串行協議中除有奇偶校驗外，ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗。

本課題使用的是ModBus通訊協議的RTU模式實現三伺服枕式包裝機與觸摸屏之間的通信。

二、ModBus通訊系統硬件介紹

在三伺服枕式包裝機通訊系統中使用的硬件設備有以下四種：

1.三伺服枕式包裝機的運動控制核心是基于Motorola DSP56F807的通用控制器，作為Motorola 16位DSP56800系列中的一種，DSP56F807運算功能強大，外設接口也非常豐富，其兩路串口通訊滿足控制器與上位機觸摸屏及整理機的實時通訊。

2.上位機觸摸屏（HMI）采用 Kinco EviewMT4522T，其編程軟件采用功能強大、簡單易用的EV5000組態軟件開發環境進行開發。

3.溫控模塊采用Delta公司的DTE10T，其支持RS-485通訊口，可用ModBus協議與上位機觸摸屏進行實時通訊，從而實現溫度采集控制功能。

4.整理機采用基于Motorola DSP56F8037系列，其支持串口通訊，支持4路PWM輸出，豐富的I/O接口。

在三伺服枕式包裝機通訊控制系統中，各硬件之間相互通訊的結構框圖及通訊接口如圖1所示：

圖1 硬件通訊接口圖

三、包裝機觸摸屏設計

在觸摸屏程序設計中，其主要分為以下幾個畫面：主畫面、點動區、功能區、報警區、溫控區、幫助等幾大界面，其中在主畫面主要有產量清零、測長、膜進、膜退、校料、校膜、定長、追蹤、袋長設定、切點設定、料位設定、追蹤量設定等。

點動區主要包括刀進點動、刀退點動、膜進點動、膜退點動、料軸點動、入料開關、參考料點。溫控區主要是四路溫控的溫度設定、溫控開關以及溫度PID參數設定。報警區主要是三軸伺服報警、色標丟失報警、物料錯位報警、空槽發生報警以及超溫報警。功能區主要包括空槽檢測功能、電子防切功能、自動接膜功能、整理機控制、氣缸控制。

在主畫面上，可以顯示包裝機運行過程中下位機的數據，也可以改變包裝機下位機運行的參數。這些數據主要包括：顯示產量、測量袋長、設定包速、切點、料位、追蹤量等。其中，在主界面中還可以對橫封刀切色標的位置切點，以及送料位置料位進行調整。還有控制膜進、膜退、校料、校膜等功能。如圖2所示：

圖2 觸摸屏中文主畫面

四、ModBus通訊協議在三伺服枕式包裝機中的實現

本設計中，觸摸屏是主設備，運動控制器和溫控模塊作為從設備，負責接收主設備觸摸屏發送的訊息，并根據訊息內容做出回應。ModBus協議的功能模塊位于通訊事件庫，在自動包裝線運行過程中,通用運動控制器串口一直處于偵聽狀態,接收到第一個字節數據后，首先由串口中斷判斷訊息的地址域，如果不是發給自己的訊息，則不作進一步處理。如果是發給自己的訊息，則對收到的緩沖區內容進行校驗，校驗正確則根據功能代碼對該訊息進行處理,并回復應答訊息。程序流程圖設計如圖3所示：

圖3 ModBus通訊系統程序流程圖

觸摸屏在自動包裝線高速運行過程中需要實時的更新產量、各軸位置等顯示參數，因此需要頻繁的與運動控制器通訊。同時運動控制系統在高速的運行過程中需要處理色標傳感器、電子防切傳感器、色標傳感器、斷膜檢測傳感器、空包檢測傳感器等各種中斷，并且實時的進行大量數據運算，為了保證運動控制的實時性，運動控制器正在處理或接收到更高級別的中斷時，將暫時屏蔽串口通訊中斷，在處理完實時的運算后，重新開啟串口通訊中斷，并向觸摸屏更新數據。

五、ModBus通訊協議功能碼介紹

本設計中采用ModBus通訊協議中的三個功能碼，介紹如表1所示：

表1 ModBus通訊協議功能碼

功能碼01在三伺服枕式包裝機通訊控制系統中作為位操作，實現報警信息、點動按鈕操作功能。

功能碼03在三伺服枕式包裝機通訊控制系統中作為字操作，把DSP中的數據（如橫封刀軸、膜軸、料軸的位置，已包裝產品數，各路溫度實時數據等）傳給上位機觸摸屏，方便實時觀測包裝機的各生產狀態。

功能碼16在三伺服枕式包裝機通訊控制系統中作為字操作，把上位機觸摸屏上設置的實時參數傳給DSP，方便的改變各個包裝狀態。

六、結束語

新型三伺服枕式包裝機中通訊系統中使用ModBus通訊協議，實現了各個硬件系統的通訊連接，使整個通訊系統簡捷方便。最終通過ModBus協議實現了三伺服枕式包裝機上位機與下位機的通訊，極大地促進了三伺服枕式包裝機的廣泛推廣。