随着3C技术迅速发展，网络集成信息自动化正迅速应用到现场设备、控制中，现场总线控制系统正逐步取代传统的集散控制系统，其中Modbus现场总线协议在基于PLC的控制系统中得到了越来越广泛的应用。在本系统中，以PLC为主机、温度采集模块为从机，完成对生产过程的自动控制、工业流程及工艺参数的显示、修改，根据PLC的无协议通信功能，用Modbus现场总线协议实现主机与从机的通讯。
本文基于某监控系统的设计，实现了三菱FX2N系列PLC在无协议通信方式下与DS18b20型数字温度传感器的采集模块以Modbus协议通信，在电炉熔化工作过程中，对电炉、电容、冷却水等100多点的温度实现巡检。
1 系统硬件组成
温度监控部分系统的硬件由DS18b20型数字温度传感器、采集模块、FX2N系列PLC、FX2N-485-BD、HITECH触摸屏组成，其结构如图1所示。
图1 系统硬件组成
DS18b20是世界上首个支持单线总线接口(1wirebusinteRFace)的数字化温度传感器，单总线接口便于构建分布式的温度测控网络，数字化的输出提高了信号传输的可靠性，而且使外围电路大为简化。DS18b20具有很高的适应性和性价比，其测温范围为-55~125℃，测温精度为±0.5℃，测温距离为200m，测温方式使用3线制，本系统使用的传感器排序方式为指定排序。
DS18b20内部主要有3个数字部件：1个温度传感器、1个64位的激光刻蚀ROM、9字节高速暂存器Scratchpad RAM和3字节EERAM。ROM上64位数据是传感器的序列号。暂存器确保数据的完整性，数据先被写入暂存器，并可以被读回。数据经校验后，可以由拷贝暂存器命令传输到EERAM，以确保更改存储器时数据的完整性。暂存器为9个字节，第0和第1字节是温度编码的低字节和高字节。
第2和第3字节是温度编码的低字节和高字节的拷贝，第4字节是配置寄存器，其值决定温度转换的分辨率。
本系统采用的STA-D温度采集模块，是一种远程数字化温度采集系统，有10个通道，每个通道多可以挂接16个DS18b20型数字温度传感器,总共可以监控160个点的温度，以RS485方式同上位机通讯，通信协议为标准Modbus协议，波特率为9600bps，与上位机通信距离为1200m，工作电源为12~24V，工作温度为-20~75℃。与FX2N485BD采用两线制的485连线方式(图2)，接线要使用规范的屏蔽线。
图2 485连接图
台湾HITECH公司触摸屏PWS系列是专为PLC设计的互动式工作站，用232直接与PLC连接，可以直接读取PLC的数据寄存器，具有良好的人机界面，操作人员通过它可设置所有参数，控制系统自动运行。并且编程简便，运行稳定，可设置不同的管理权限，适合于本系统使用。
2 Modbus协议
标准的Modbus口是使用RS232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验，控制器能直接或经由Modem组网。控制器通信使用主从技术，即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)，其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。
表1 Modbus部分功能码定义
Modbus通讯协议有两种传送方式RTU方式和ASCII方式。本系统使用RTU模式，这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。
使用RTU模式时，消息发送至少要以3。5个字符时间的停顿间隔开始，如图3的T1-T2-T3-T4所示。传输的个域是设备地址，可以使用的传输字符是十六进制数值。通信期间，网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内，当个域(地址域)接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在后一个传输字符之后，至少要有3。5个字符时间的停顿以标定消息的结束，之后可开始新的消息传输。典型的消息帧如图3所示。使用RTU模式，消息包括了一个基于CRC方法的错误检测域。CRC域检测了整个消息的内容。
图3 Modbus消息帧结构
CRC域是两个字节，包含一个16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误，后面将具体讲述CRC算法的实现。
3 系统软件构成
考虑到操作的方便性，在系统初次安装时，先在PC机上用上位机软件将所有传感器的ID搜索出来，然后按实际安装位置给每个传感器编号，读温度测试传感器是否工作正常。在PLC上使用Modbus协议通信时首先要对通信格式进行设定，即对D8120寄存器进行写操作，在本系统条件下设置为0C87，即数据长度为8位，无校验，无起始位与停止位，波特率9600bps。修改D8120设置后，确保通断PLC电源一次。再用RS指令进行数据的传输，相关程序格式如图4所示。
图4 RS指令程序格式
按照上述程序格式，即可在数据发送区写入指令进行相应的操作。
1)读取温度，其指令格式：[设备地址][命令号][通道号][传感器编号][读取个数高8位][低8位][CRC低8位][CRC高8位]，其中CRC校验字节以子程序形式调用。设备响应：[设备地址][命令号][返回的字节个数][数据1][数据2]。。。[数据n][CRC低8位][CRC高8位]。
每个18b20读取温度的返回值占用两个字节。
转换方法：将实际温度扩大100倍，再将此数值分为两个字节传送出来即可。例如，实测出来温度是28。65℃，扩大100倍即2865，则发送的个字节是2865/256即是11，第二个字节是2865%256即49，那么传送的两个字节为0×0B和0×31。
需要注意的是，由于采用两线制的485连线方式，会产生回波通信，即接收端会先接收到自己发送出去的数据，但数据还是会正常发送给采集模块，此时接收端则应该避开前面的无用数据，接收后面模块响应的有效数据。
2)在系统运行后，若需更换传感器，则需执行以下两条指令，首先，搜索ID，[01][06][0c][00][00][00][CRC低][CRC高]，此指令为搜索模块1上各个通道的所有传感器。然后写编号，例如：[01][06][09][05][00][05][CRC低][CRC高]，表示将第9通道的原来编号为05的传感器更换后重新设定为05，执行此两条指令后，方可重新读取温度。
3)CRC校验字节的生成是比较关键的一步,其过程比较复杂，步骤如下：
①预置一个16位CRC寄存器为十六进制FFFF，即所有数位均为1。
②该16位寄存器的低8位字节与信息帧的个字节的低8位进行&异或运算。运算结果放入这个16位寄存器。
③把这个16寄存器向右移一位，用0填补高位。
④若向右(标记位)移出的数位是1，则生成多项式A001(1010000000000001)和这个寄存器进行“异或”运算;若向右移出的数位是0，则返回③。
⑤重复③和④，直至移出8位。
⑥重复③~⑤，直至该报文所有字节均与16位寄存器进行&异或运算，并移位8次。
⑦将得到的l6位CRC寄存器的高、低位字节进行，即2字节CRC，加到报文。
其程序流程如图5，以上面的温度读取指令为例，其CRC校验梯形图如图6。
图5 CRC校验流程
图6 CRC校验程序
在读取温度时，应严格遵守DS18b20的读写时序，否则就会出现错误，丢帧等，若用脉冲信号定时读取，则间隔应不小于100ms。一般出现错误帧时数据显示为0℃，此时可以进行简单的滤波，例如传回值为0时不显示数据，或者多组数据取平均值后再显示，以避免温度显示的大幅度跳动。DS18b20的初始化温度显示为85℃，若一直不变，则此传感器可能已经损坏或是接线不良，应进行相应的检查。
4 结束语
该系统应用于生产过程实时监控中，PLC既作为现场控制机完成对生产过程的自动控制，又作为主从通信的主机，与相关仪表连接，实现与基于Modbus现场总线协议的DS18b20型数字温度传感器的采集模块的主从通信，并通过PLC高速实时网络实现对其的远程监控。该系统目前处于试运行阶段，表现较为稳定，通信可靠，效果良好。
