专利名称：Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业生产过程控制系统中现场总线及工业以太网技术，属于现场总线与PLC系统集成的Modbus现场总线控制技术。
技术背景Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统的背景技术分叙如下1、Modbus通信技术基于国家标准GB/T19582. 2-2008关于“Modbus协议的工业自动化网络规范”为编制本次Modbus现场总线系统通信协议软硬件设计的依据。该规范执行国际标准化组织ISO模型的1物理层，2串行链路层，7应用层的Modbus协议。串行链路协议是一个主-从协议，系统有一个主节点UO主站6向从站发出请求命令，并处理响应。 执行国家GB技术标准规范研发Modbus现场总线通信系统技术，具有自主知识产权的国产化广品。2、PLC控制技术DI_16路监测仪是PLC技术的具体应用，PLC为可编程控制器，早在1992年国际电工委员会IEC61131-1可编程控制器最新定义“可编程控制器是一种能直接在工业环境下应用而设计的数字远程操作的电子装置。控制各种类型的机械或生产过程”。PLC以微处理器CPU为核心，具有开关量DI、DO模拟量Al、A0，脉冲量PI，高速记数， 快速响应等功能灵活多样的I/O功能块，及数字运算，判断处理，过程控制，PID模拟量闭环控制等可编程控制实用可靠的工业控制装置。面向用户、面向控制过程的PLC，在工业自动化领域得到了广泛的应用。特别是PLC与现场总线控制系统无缝集成更具有现场分散控制可靠性高、体积小巧、易于安装、成本低、操作简便等其它电子产品不可替代的优势。3、Modbus现场总线控制技术Modbus现场总线控制系统是将主站(主结点)与从站(分结点)具有PLC功能的监测仪用屏蔽双绞线作为总线连接，执行Modbus通信协议，组成的现场总线控制系统。也称为主结点与多个分结点的网络系统。它把计算机技术，PLC技术与通信技术三大技术进行系统集成，充分发挥了现场总线技术优势，成为当今工业控制领域第五代控制技术的最高点。即称为FCS (Fieldbus Control System).数字式全开放全分散的现场总线控制系统。现场总线控制技术，较好解决“五化”技术问题。1)数字化即数字式数据采集，数字计算，数字变换，数字报文通信等环节的数字化处理。2)网络化实现主结点与各分结点的网络化系统。3)解决了主站上位机与设备最底层设备之间底层化的通信控制技术。4)分布式控制通过分站的PLC监测仪较好解决当地从站分散化控制问题。5)由于应用Modbus国家GB标准解决了本次申报的专利软硬件技术有自主知识产权的国产化问题。现场总线使自控系统与现场设备具有通信能力与分散控制能力，把它们连接成网络系统加入到信息网的行列。使现场总线在实际应用中具有非常实用，非常经济，非常可靠的实用效果，现场总线从1994年先后推出美国的FF、德国的ftOfibus等现场总线至今，现场总线技术高速发展，全面推广应用，获得用户的欢迎有力地证明把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端是不过份的。现场总线控制技术有其突出的优点，但在实用中出现的问题也很严重如现场总线控制系统在串行链路上从站可以串接247个点而当串点多时数据响应时间远远超过自动化技术条件规定，系统不达标无法应用；系统运行中通信数据上不来，即上位机收不到现场数据出现“没数据” “死机”甚至通信芯片烧坏、系统不能运行的严重后果；现场总线控制系统的优点是分散性，从站PLC放置在远离主站监控室的现场设备中或附近尤其放在高压电控柜附近，虽已在规定控制距离外还可能出现怪数、大数、错数，解决抗电磁干扰仍是个问题，同时平衡双绞线D0、D1、RS485接口 A+B-点应用公共端、屏蔽层接地技术处理对系统可靠运行至关重要。由于Modbus-RTU数字式数据通讯传输系统是采用低电压(3_5伏)低阻抗几十欧姆，半双工国产RVVP屏蔽双绞线的基带传输方式，在强电环境下抗干扰能力较弱，易出现 “死机”或系统不正常运行，为解决此问题本系统软硬件设计采取以下措施1、采取接地线、零线保护措施，即地线要执行GB/T标准接地绝缘电阻小于4欧姆的地线，DC/DC隔离的12V电源零线，A+B-点经屏蔽双绞线、PLC屏蔽的盒体保护起来，不与底层从站地线、零线相接。通信芯片过压过流保护措施及电源、CPU、I/0节点一体化抗电磁干扰措施。2、系统程序设计严格执行GB/T Modbus协议的工业自动化网络规范，“必须”执行技术要求及认真执行国家GB/T标准有关自动化控制，响应时间等有关规定。3、软件设计采取防止出大数、错数、数字滤波、比较判断、纠错等技术措施。4、建立可视诊断功能，红绿灯显示收发报文运行情况，出现不正常运行情况及时有线、无线报警功能。5、建立Modbus现场总线系统操作、使用、维护说明书，及时培训操作、技术管理人员提高科学管理水平。通过以上技术措施，Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统在电站高压柜IOKV低压柜380V的强电环境下已连续安全运行6年以上52560h > 20000h平均无故障时间的技术规定，实现安全可靠长期运行。Modbus-RTU现场总线与PLC系统集成的自动化控制系统其经济、社会效益是相当明显的。如在电力综合自动化系统实现以下功能一、节能减排功能根据负荷率季节变化，在人为指导下自动投入或减少负荷设备-变压器负荷大小及数量，始终保持在满负荷或较满负荷下运营，提高设备利用率；可以通过运行报表如峰谷差率、移峰填谷节约电度量节省电费，可以通过负荷不平衡率减少无功损耗，提高用电质量等。二、安全生产运行功能过去由于操作不当，带负荷拉闸，地线没摘合闸，造成人机伤亡大事故，屡见不鲜。自动化系统实现微机五防功能、动态模拟屏实时显示现场设备运行状态，合闸或拉闸接地刀闸状态，并有CRT显示屏、LED条屏、显示运行电流、电压、温度、有功功率变化，并有操作票管理制度，从站监测有线、无线报警功能，杜绝人机伤亡重大事故的发生或减少发生事故率到最低点。[0025]三、自动化管理功能主站上位机可以自动、手动打印20多种实用的节能、安全运行等各种分析管理用报表，很实用，减少人工抄表、计算、传输等功能。四、实时有线、无线报警显示功能，出现事故按照规范规定3秒-5秒内及时报警及时处理，防止重大事故发生。五、主站联网功能数据远传、数据交换，实现网络功能共享。Modbus-RTU现场总线与PLC系统集成的自动化控制系统实现五大功能深受用户欢迎，其经济社会效益非常明显。当前，国内现场总线控制系统基本都是选用进口全套软硬件，多数单位对现场总线控制系统技术服务力量不足，只能按说明书要求会用会操作，出了一般问题会换部件， 新上系统运行约几年后技术服务跟不上，控制系统可能出现局部自动化系统或大部分不能用，只能人工操作、造成产量低、质量差、费用高、安全运行没保证的后果，给国家企业造成巨大经济损失。
发明内容本实用新型的目的是基于国家GB标准提出国产化Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统，针对现有技术存在的问题，通过自主研发系统网络设计，系统软件硬件产品设计实现国产化的Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统服务于社会。为了实现上述控制系统，本实用新型的技术方案如下现场设备开关量通过16路开关量采集端子Jl与1-16路开关量采集电路连接， 1-16路开关量采集电路的LED发光二级管控制U4-U7光电耦合隔离电路，U4-U7光电耦合隔离电路输出端连接Ul从站；从站Ul为实时微处理器，在从站Ul上分别还连接有波特率设置电路、DIP开关地址设置电路和U2看门狗电路；从站Ul和U8-U10收发报文控制电路， U3收发驱动器通信电路经A+B-点Jl端子的现场总线与主站6 UO双向通信，实现主站UO 发出请求报文或从站Ul发出响应报文经RS 485半双工双向通信连接。整个电路系统由直流12V电源供电。本系统为Modbus现场总线主站上位机与从站PLC系统无缝集成的数字化网络化的Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O的控制系统。1、应用Modbus协议在串行链路上主从协议原理进行报文通信技术特征是应用Modbus协议RTU模式的现场总线实现Modbus主站与从站控制系统，主站向从站DI-16 路PLC发出主站请求Modbus-RTU报文帧，经Jl RS 485两线制A+B-串口经U3收发驱动器通信电路、U8-U10收发报文控制电路、从站Ul微处理器读取请求报文帧；从站Ul响应 Modbus-RTU报文帧、Ul子程序实时采集开关量数据，经Jl 16路开关采集端子，1-16路开关量采集电路、U4-U7光电耦合隔离电路、从站Ul发出响应报文帧、经U8-U10收发报文控制电路、U3收发驱动器通信电路、RS485两线制A+B-串口 Jl端子进入主站上位机UO读取响应报文帧，实现Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统的全过程。2、Modbus-RTU报文帧数据传输技术=Modbus现场总线系统主站UO或从站通信数据传输是以报文形势(地址、功能码、数据、CRC校验)实现数字式数据交换。Modbus报文帧是把Modbus报文放置在已知起始位和结束位的帧中，主站UO发出请求报文帧，从站Ul 发出响应报文帧进行完整的报文帧数据交换，实现数据远程I/O传输、报文帧技术保证传输的数据准确无误。3、完整的Modbus报文帧技术=Modbus报文帧不仅要放置在已知起始位和结束位的帧中并规定起始位要> 3. 5字符时间，帧间间隔要大于3. 5个字符时间，2个字符之间的间隔要大于1. 5个字符时间，不符合这个规则称为报文帧不完整，必须完整的报文帧才能进行报文帧的接受或发送，完整的报文帧传输数据具有RS485两线制A+B_极性“ 1” “O”高低电平跳变，每位改变极性，含有同步时钟信息，交变电压的串行数据编码保证通信数据传输准确可靠。4、DI-16监测仪PLC控制技术特征DI_16路检测仪是Modbus现场总线控制系统的从站PLC产品，是按照国际电工委员会IEC61131-1可编程控制器PLC定义的一种直接在工业环境下应用的DI-16路监测仪PLC产品。通过Modbus现场总线主站与从站、报文传输过程实现从站对现场设备的控制。1)DI-16路开关量采集控制电路取现场设备的开关量信号与J1 25点接线端子一对一物理连接，经V。el12VDC上拉电阻Rll、R13，发光二极管，现场设备干接点及GND相连接。当设备的开关合闸干接点变为常闭状态，发光二极管导通相应U4、U5、TO、U7光电耦合三极管导通输出为“O”低电平，反之输出为高电平“1”，开关量数据采集是用高、低电平脉冲信号来表达数据“1”或“O”状态的数据编码，经从站监测仪微处理器Ul管脚Pl. O Pl. 7和P2. O P2. 7读取为2个字节的二进制开关量数据并实时RAM数据寄存器存储。2)U8-U10收发报文控制电路从站Ul管脚TXD、TO、RXD与U8 U9 UlO收发报文控制电路对应点相连接，当从站Ul管脚TO P3.4控制置低电平“O”时，U9工作RE为低电平，相应连接U3收发驱动器通信电路RS 485低功耗收发器的RO接收报文有效，从站3U1 R )读取串行输入的主站请求报文数据。反之当从站Ul TO P3. 4置高电平“1”时则DE高电平，相应U3收发驱动器Dl发送报文有效，从站Ul T)(D发出响应报文。收发报文控制电路、控制输出输入报文信号，经过A+B_点、Jl接线端子、现场总线、9针232/485转换器与主站上位机连接，主站UO读取从站响应报文数据，完成含有2个8位数16进制的字符串进行报文帧的数据通信，实现主站、从站收发报文的可靠控制。一项DI-16路监测仪PLC与Modbus现场总线系统无缝集成的国产化Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统成功研制，它的突出优点是UModbus现场总线控制系统技术的先进性、新颖性、创造性，PLC功能的多样实用性，广泛应用在工业自动化控制系统。2、现场总线控制系统实现全过程的数字化技术，传输速度快，数据准确可靠，抗干扰能力强，及网络化技术，便于与其它有线、无线网连接，应用范围更广，实用范围更强，有助于老系统的升级改造。
图IModbus-RTU主/从站报文传输系统流程图图2DI-16电子线路原理图图3是图2中1-16路开关量采集电路1和U4-U7光电耦合隔离电路2原理放大图图4是图2中从站Ul、波特率设置电路7、DIP开关地址设置电路8和U2看门狗电路9原理放大图和U8-U10收发报文控制电路4原理放大图图5是U3收发驱动器通信电路5原理放大图及直流电源10原理放大图具体实施方式
结合附图例分二个部分说明如下一、Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O主站与从站电路控制系统具体实施方式
如下1、主/从站请求、响应报文的传输系统的控制①UO主站6上位机发请求报文的传递是主站(6) UO上位机发送请求报文帧，经现场总线A+B-点Jl接线端子，U3收发驱动器通信电路(5)，U8-U10收发报文控制电路0)， 从站C3)U1读取主站6的请求报文帧。②从站3U1发送响应报文的传递是从站3U1发送响应报文帧，启动Ul子程序，采集开关量数据、经1-8、9-16开关量采集电路(1)、U4-U7光电耦合隔离电路O)，从站(3)U1 发出响应报文帧经U8-U10收发报文控制电路(4)，U3收发驱动器通信电路( ，A+B_点J1 接线端子，现场总线，主站(6)，上位机UO读取从站响应报文帧数据。2、开关量数据采集电路将现场设备干接点开关信号与16路开关量接线端子J1,1-8路，9-16路开关量采集电路1 一对一物理连接，经VDa12VDC上拉电阻R11、R13，发光二极管，干接点及GND连接， 并与光电耦合隔离器连接，当现场设备处于合闸状态常开触点闭合，开关量电路的发光二极管导通，相应U4 U7光隔的光电三极管导通，光电耦合隔离器输出低电平为“0”，反之设备分闸状态触点断开，发光二极管不导通，光电耦合器输出为高电平“1”。从站监测仪Ul 启动子程序，及采用循环扫描串行工作方式，将采集的高低电平“1”或“0”开关信号经软件设计的数字滤波对高、低电平复核判断，消除尖脉冲误码错数，因触点频繁动作产生的抖动，及光电耦合器有效抑制干扰、噪音等软硬件技术措施、保证数据准确可靠。并经从站Ul 管脚Pl. 0 Pl. 7、P2. 0 P2. 7将16路开关量用高低电平脉冲信号来表达“ 1”或“0”状态数据编码读取为2个字节的二进制数据存入RAM数据寄存器。3、从站Ul外围设置电路7、8、9 波特率设置电路7 从站3微处理器Ul与晶振时钟电路连接、Ul管脚XTAL1、XTAL2 与晶振11. 0592MHZ及起振电容连接，提供定时器T1、模式2、SMOD置0、初值FDH参数设置的通信速率为9600bit/s，用于Modbus通信报文数据传输。U2看门狗电路9 从站Ul微处理器管脚P2. 0 RXD P2. 5 Tl与U2的RST，ST管脚对应连接，U2看门狗电路，定时发出RESET 复位信号防止程序死机。DIP开关监测仪地址设置电路8 从站Ul ADD地址设置电路、采用 8位PID开关经5VDe上拉电阻R13与从站3U1微处理器管脚的P0. 0 P0. 7连接，通过DIP 开关给定高、低电平进行从站DI-16路监测仪地址设置。主站6U0与从站3U1根据用户程序读取该访问的从站3 Ul的8位数据地址并放置在报文字段中，在Modbus报文帧通信中每个从站地址为1 M7中的一个是唯一的。4、U8-U10收发报文控制电路4 从站Ul管脚T)(D、TO、RXD与U8 U9 UlO收发报文控制电路对应点相连接，当从站 Ul管脚TO P3.4控制置低电平“0”时，U9工作RE为低电平，相应连接U3收发驱动器通信电路RS 485低功耗收发器的RO接收报文有效，从站3U1 RXD读取串行输入的主站请求报文数据。反之当从站Ul TO P3. 4置高电平“1”时则DE高电平，相应U3收发驱动器Dl发送报文有效，从站Ul T)(D发出响应报文。主站UO读取从站响应报文数据，完成含有2个8 位数16进制的字符串进行报文帧的数据通信，实现主站、从站收发报文的可靠控制。软件设计规定从站3 Ul发出响应报文后Ul将TO设置为低电平“0”以备实时接收主站6 UO的请求报文。二、Modbus现场总线DI 16路监测仪远程I/O主站6 UO与从站3 Ul报文帧的通信系统具体实施方式
1、主站6 UO发送请求报文帧通信报文传递为主站(6) UO上位机发送请求报文帧、经现场总线A+B_点J1接线端子，U3收发驱动器通信电路( 、U8-U10收发报文控制电路、从站C3)U1读取请求报文帧数据。2、从站3 Ul响应报文帧通信报文传递为从站3 Ul开关量采集子程序、经1_8、、 9-16开关量采集电路(1)、U4-U7光电耦合隔离电路O)、从站(3)U1发出响应报文帧、 U8-U10收发报文控制电路(4)、U3收发驱动器通信电路( 、A+B-点Jl接线端子、经现场总线进入主站(6)上位机UO取响应报文数据。3、Modbus主/从协议技术本次通信系统设计选用Modbus--RTU远程终端模式通信CRC16位校验方式，并设定通信速率为9600bit/s。Modbus串行链路协议是一个主从协议，在同一时间，只能有一个主站6 UO和一个或多个从站进行通信；Modbus通信总是由主站6 UO发起、当从站3 Ul没有收到来自主站6 UO的请求时，不会发送数据，从站之间不能相互通信。主站6 UO选用单播模式向从站发出 Modbus请求报文主站6 UO通过将从站地址放在报文地址字段中来寻址单个从站，从站接收并处理完请求之后，向主站6 UO返回响应报文，将自己的地址放到响应地址字段中，使主站6 UO知道哪个从站在响应。报文寻址技术使每个从站有唯一的地址(1147)这样才能区别于其它站独立的被寻地址。4、Modbus报文数据传输技术Modbus通信数据传输都是以报文形式完成。主站6 UO发送报文称为请求，从站发送报文称为响应。报文格式见表一Modbus报文格式表一
权利要求1.现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统，其特征是现场设备开关量通过16路开关量采集端子Jl与1-16路开关量采集电路(1)连接，1-16路开关量采集电路(1)的输出端连接到U4-U7光电耦合隔离电路(2)，U4-U7光电耦合隔离电路(2)输出端连接Ul从站(3)；从站C3)U1为实时微处理器，在从站C3)U1上分别还连接有波特率设置电路(7)、 DIP开关地址设置电路⑶和U2看门狗电路(9)；从站(3)U1和U8-U10收发报文控制电路 (4)，U3收发驱动器通信电路(5)经A+B-点Jl端子现场总线与主站6 UO双向通信，实现主站UO发出请求报文或从站Ul发出响应报文经RS 485半双工的双向通信连接，整个电路系统由直流电源(10)供电。
专利摘要Modbus现场总线DI-16路监测仪远程I/O控制系统是应用Modbus主/从协议RTU模式的现场总线，主站6 U0与从站3 U1报文传递主站(6)UO经端子J1、收发驱动通信电路(5)、收发报文控制电路(4)，从站(3)U1读取请求报文帧。U1子程序采集开关量数据，经J1端子、开关量采集电路(1)、光电耦合隔离电路(2)、从站(3)U1发出响应报文帧，经收发报文控制电路(4)，收发驱动器通信电路(5)，端子J1、主站(6)U0读取响应报文帧。DI-16路监测仪是现场开关量采集的从站产品，并具有可视诊断功能、抗电磁干扰能力的电源、CPU、I/O节点一体化结构，外形小巧、易于安装接线调试的PLC产品。
文档编号G05B19/418GK202230360SQ20112027482
公开日2012年5月23日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年8月1日
发明者李中旭, 李遇浦 申请人:北京星河瑞博特自动化科技有限公司, 李中旭, 李遇浦