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案例頻道現代工業自動控制系統朝智能化、網絡化和開放式結構的方向發展。利用現場總線技術，將符合同一標準的各種智能設備統一起來，徹底實現整個監測系統的分散控制，將提高系統集成度和數據傳輸效率、延長有效控制距離，并有利于提高系統抗干擾性能和擴展系統功能。在運動控制中，伺服電機以其響應速度快，控制精準等優點以被更多的客戶所選用。如果把總線通信與伺服控制技術統一起來，將推動運動控制技術以及設備遠程監控技術的發展。MODBUS作為一種通用的現場總線，已經得到很廣泛的應用，很多廠商PLC、智能I/O與A/D模塊具備MODBUS通訊接口。本文在闡述MODBUS通信協議的基礎上，構建了基于MODBUS的伺服電機運動控制。
1 MODBUS總線控系統的技術特征
MODBUS通訊協議是一種工業現場總線通訊協議，它定義的是一種設備控制器可以識別和使用的信息幀結構，獨立于物理層介質，可以承載于多種網絡類型中。MODBUS協議把通信參與者規定為“主站”（Master）和“從站”（Slave），數據和信息的通信遵從主/從模式，當它應用于標準MODBUS網絡時，信息被直接傳送。MODBUS總線網絡中的各個智能設備通過異步串行總線連接起來，只允許一個控制器作為主站，其余智能設備作為從站。采用命令/應答的通信方式，主站發出請求，從站應答請求并送回數據或狀態信息，從站不能夠自己發送信息。MODBUS協議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪問從站設備的過程，規定從站怎樣做出應答響應，以及檢查和報告傳輸錯誤等。網絡中的每個從設備都必須分配給一個唯一的地址，只有符合地址要求的從設備才會響應主設備發出的命令。
由于MODBUS總線系統開發成本低，簡單易用，并且現在已有很多工控器、PLC、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已經成為一種公認的通信標準。通過MODBUS總線，可以很方便地將不同廠商生產的控制設備連成工業網絡，進行集中監控。
MODBUS最初為PLC通信而設計，它通過24種總線命令實現PLC與外界的信息交換。這些總線命令對應的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的數據傳送。但不是很多MODBUS設備的控制只使用其中的幾條命令，對其余命令不做反應。
1.1 MODBUS通信格式
MODBUS協議定義了兩種傳輸模式，即RTU(Remote Terminal Unit)和ASCII。在RTU模式中，1字節的信息作為一個8位字符被發送，而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發送，如發送字符“20”時，采用RTU模式時為“00100000”，然而采用ASCII模式則成為“00110010”＋“00110000”（ASCII字符的“2”和“0”）。可見，發送同樣的數據時，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍。一般來說，數據量少而且主要是文本時采用ASCII；通信數據量大而且是二進制數值時，多采用RTU模式。
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數據格式： |
地址碼 |
功能碼 |
數據區 |
錯誤校檢 |
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數據長度： |
1字節 |
1字節 |
N字節 |
16位CRC碼（冗余循環碼） |
主站一次可向一個或所有從站發送通信請求（或指令），主設備通過消息幀的地址域來選通從設備。主站發送的消息幀的內容和順序為：從站地址、功能碼、數據域（數據起始地址、數據量、數據內容）、CRC校驗碼；從站應答的信息內容和順序與主站信息幀基本相同。MODBUS除了定義通信功能碼之外，同時還定義了出錯碼，標志出錯信息。主站接收到錯誤碼后，根據錯誤的原因采取相應的措施。從站應答的數據內容依據功能碼進行響應，例如功能代碼03要求讀取從站設備中保持寄存器的內容。
MODBUS部分功能碼
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功能碼 |
定 義 |
操 作（二進制） |
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02 |
讀開關量輸入 |
讀取一路或多路開關量狀態輸入數據 |
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01 |
讀開關量輸出 |
讀取一路或多路開關量輸出狀態數據 |
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03 |
讀寄存器數據 |
讀取一個或多個寄存器的數據 |
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05 |
寫開關量輸出 |
控制一路繼電器“合/分”輸出 |
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06 |
寫單路寄存器 |
把一組二進制數據寫入單個寄存器 |
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10 |
寫多路寄存器 |
把多組二進制數據寫入多個寄存器 |
1.2 CRC校驗的實現
MODBUS通信的RTU模式中，規定信息幀的最后兩個字節用于傳遞CRC（Cyclic Redundancy Check，循環冗余校驗）碼。發送方將信息幀中地址域、功能碼、數據域的所有字節按規定的方式進行位移并進行XOR（異或）計算，即可得到2字節的CRC碼，并把包含CRC校驗碼的信息幀作為一連續的流進行傳輸。接收方在收到該信息幀時按同樣的方式進行計算，并將結果同收到的CRC碼的雙字節比較，如果一致就認為通信正確，否則認為通信有誤，從站將發送CRC錯誤應答。
RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗方法，CRC-16的校驗碼為16位（2字節），其中低字節在前，高字節在后。實現CRC校驗有兩種方法：根據CRC校驗的定義公式進行計算，或者在程序中建立CRC校驗值表。在程序中使用前者更容易實現，這里需要使用CRC生成多項式X16＋X15＋X2＋1。該多項式對應的碼組系數為18005H（16進制），去除最高位，對應的16位余數為8005H，即為CRC-16常數。CRC-16校驗過程如下：將CRC寄存器的每一位預置為1；把該寄存器值與8bit的信息幀數據進行異或，結果存于該寄存器；對CRC寄存器從高到低進行移位，在最高位（MSB）的位置補零，而最低位（LSB，移位后已經被移出CRC寄存器）如果為1，則把寄存器與CRC-16常數進行異或，否則如果LSB為零，則無需進行異或。重復上述的由高至低的移位8次，第一個8bit數據處理完畢，用此時寄存器的值與下一個8bit數據異或并進行如前一樣的8次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內的值即為最終的CRC值。CRC添加到消息中時，先加入低字節，然后高字節。
1.3 鏈路特征
MODBUS標準的物理層可以采用RS-232串行通信方式，但在長距離通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多點通信情況下只采用RS-485方式，所以RTU模式下的MODBUS系統采用屏蔽雙絞線，通信距離可達1000m。一條總線上最多可配置31個從站設備。傳輸線上的信息交換是半雙工的，即同時只能有一臺設備允許發送信息，主站在發送下一條指令之前等待從站回應，從而避免了線路的沖突。
RTU模式的傳輸格式是1個數據位，2個停止位，沒有奇偶校驗位。通信數據安全由控制參數CRC-16碼保證。RTU接收設備依靠接收字符間經過的時間判斷一幀的開始，如果經過3個半的字符時間后仍然沒有新的字符或者沒有完成幀，接收設備就會放棄該幀，并設下一個字符為新一幀的開始。
2 松下PLC MODBUS控制的實現
松下PLC支持modbus協議，只需要在選項、PLC系統寄存器設置、COM1口設置中站號設成1，通訊模式設為MODBUS RTU，通訊速率和通訊格式與05驅動器的設置保持一致。設置完成后可通過F145 SEND指令實現與05的通訊。
例：
F0 MV ， H2 ，DT10 （發送2個字節）
F0 MV ， H1002 ，DT11 （通過1號COM口向2號站發數據）
F145 SEND， DT10 ，DT4 ，DT0 ，K1282
（把DT4，DT5的兩個字節通過COM1發送到2號站的K1282地址）
3 施耐德05A伺服驅動器的配置
首先過驅動器的HMI面板把控制方式設為modbus模式，把波特率、通訊格式設置成與PLC一致。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號