【EVB-335X-II】I通过Modbus-RTU协议控制

feixiang20

【EVB-335X-II】之EVB-335X-II通过Modbus-RTU协议控制西门子S7-200 Smart系列PLC(真正的工业级应用案例)

从拿到EVB-335X-II开发板，开始上电测试板载的基本功能，然后搭建开发环境，编写基于寄存器的GPIO驱动程序，编写Linux GPIO库的蜂鸣器控制驱动程序，再到移植QT，软键盘测试，My SQL的移植及远程调用，My SQL数据库的图片存取，最后到Modbus从站在开发板上的应用开发，以及boa的Web服务调用，这一系列的功能应用，为我的车间级、工业级的数据采集服务器做了很好的技术铺垫。这篇试用报告，将结合我手头上的实际项目，综合应用QT+libmodbus库，完成对车间内的基于PLC的工业设备的远程控制与数据采集。
我现在正在做的项目是一个铸造车间的铁液熔炼控制项目，需要上位机系统实时采集熔炼炉中铁液的温度，以及当前铸造工件的模具温度。对于工业设备的自动化控制，由于编写PLC程序简单、快速、高效，以及其抗干扰能力强，当前国内主流方法，还是采用基于PLC的DCS系统控制，我当前的项目也不例外，我的电气控制方式是S7-1500+S7-200 Smart相结合的方式。
其中S7-200 Smart系列PLC天然支持Modbus RTU通讯协议，即可配置为主站，也可配置为从站。
在这篇使用报告中，我们将S7-200 PLC作为Modbus RTU从站，即作为被控制方和数据提供方，我们的EVB-335X-II作为Modbus-RTU主站，完成远程控制西门子PLC的Digital Output。
主要通过EVB-335X-II的QT界面控制PLC的输出接点输出或断开，并通过Modbus协议的线圈读取命令，读取PLC的输出状态。
有些网友可能觉得奇怪，为什么总是写控制GPIO的帖子？我想说的是，如果你真正做过工业过程控制项目，如果你从实际工作中的大部分项目的实际需求出发，不难发现，过程控制中，无非就是GPIO的输入、输出，以及模拟量的输入、输出，再加上相应的通讯，一个项目也就我完成了，并非一定要用到那些所谓的高大上的技术，比如OPencv视觉识别，这些对于一般的项目我们很少会用到，即使有这方面的需求，靠我们一个人两个人搞的一些入门级的测试，根本就过不了关，而是买一些应用比较成熟、稳定可靠的产品，通过标准的接口协议集成的我们的系统中。所谓的标准接口协议，无非就是profinet profibus dp  canopen devicenet和我们谈到的主角Modbus，相比较其他的通讯协议，Modbus最简单，最通用，也更容易实现，可以说，把Modbus搞定，我们去集成其他的第三方仪器仪表，一点儿问题没有，分分钟搞定。闲话少说，开始这次的试用之旅。
1. 西门子S7-200PLC侧Modbus RTU从站的程序分析与编写
1. 1西门子S7-200PLC侧Modbus RTU从站的程序分析
我们知道，对于PLC的控制程序开发，主要是采用梯形图编程语言，以电气工程师设计电气控制流程图的方式设计开发程序，即一系列的自锁、互锁等。S7-200 PLC本身就集成了Modbus RTU的库，我们只需要简单的几步即可是PLC工作在主站或从站模式。
首先启动PLC的编程软件，如图所示：



在菜单项中，点击“帮助-帮助”打开编程说明文档，定位到库编程章节，如图所示：



这一章节详细介绍了Modbus主站、从站的相关设置。我们主要关注从站的设置。
首先看一下S7-200支持的Modbus命令：



其他的命令都很好理解，唯有5和15这两个命令比较特殊。对于PLC来讲，主要涉及到过程控制稳定与安全，虽然S7-200支持通过Modbus RTU通讯协议的线圈写入命令来直接控制Q的输出状态，但是实际应用中，西门子是不会将通过Modbus 命令写入的对Q的控制直接驱动硬件，比如说，就是你通过命令，要求Q0.0输出1，命令可以执行成功，但是物理PLC上急速没有输出，只是西门子PLC设计人员故意这样做的。这么做的理由很简单，Q的输出，如果过程控制的逻辑判断，很可能造成工作现场人员的伤害，所以我是无法直接通过命令写线圈的状态来改变Q的输出。
配置Modbus从站只需两个步，初始从站模块的参数设置，启动Modbus命令监听。
1）通讯、寄存器参数设置
初始化参数的子功能块如图所示：



关于每个引脚的定义与说明，请查看帮助文档，主要完成：从站地址、波特率、奇偶校验、PLC RS485接口、保持寄存对应的V区起始地址等。
2）启动监听
配置好参数后，在PLC的每个扫描周期中执行如下功能块：



1. 2西门子S7-200PLC侧Modbus RTU程序编写
1）参数设置
我们设置PLC作为从站的地址为1，开发上位机主站时，也要在访问从机的函数中设置从站地址为1。波特率为9600，无校验，VB起始地址从VB0开始，共2000个字节，即1000个字，程序如下所示：



2）启动服务监听



3）Q的输出控制
通过上面的分析，我们无法直接操作线圈COIL命令来控制PLC的Q输出，我们这里采用一种通过写入保存寄存器的数据，即将数据写入V区，由V区的位控制Q的输出。对于西门子PLC，以VW0Q为例，其高字节放置VB0，低字节放在VB1，如果我们想通过VW0控制Q0.0-Q0.7，对应关系应该为V1.0-V1.7与Q0,.0-Q0.7对于，控制程序如图所示：



1. 3硬件连接
S7-200与上位机通讯需要专用的PPI电缆，对通讯原理比较熟悉的应该知道，所谓的PPI电缆，说白了，就是一根RS232转RS485电缆，我们这里采用一根简易的RS232转RS485电缆，将S7-200 PLC与EVB-335X-II开发板相连，如图所示：



2. EVB-335X-II侧QT上位机软件开发
EVB-335X-II开发板上运行QT上位机程序，作为Modbus RTU主站，这里我们采用前面移植好的libmodbus库，如何创建基于libmodbus的QT工程请看我之前的试用报告。
软件主界面如图所示：



构造函数中初始化libmodbus库，并绑定checkbox与按钮的槽函数：



用户点击checkbox复选框，系统将判断该复选框是选择状态还是取消选择状态，进而控制PLC上的Q输出，程序如图所示：



为了验证我们的QT Modbus主机是否能够通过读取线圈命令，返回PLC输入或输出信息，我们这里采用读取8个Q输出的当前值，以检查读取的值是否和PL上Q输出指示灯相一致，读取函数如下所示：



如果PLC先启动，并且设置了Q的输出，我们后启动QT程序时，如果我们不做一些细节处理，8个复选框都处于未选中状态，无法真实反映当前PLC Q的真是情况，所以，在QT启动后，首选通过Modbus协议读取PLC的Q输出信息，并根据Q的输出为1还是为0，设置相应的复选框的选中状态，程序代码如下：



程序编译结果如图所示：



将libmodbus_s7-smart-plc_rtu拷贝到NFS共享目录
3. 上电测试
1）给PLC和EVB-335X-II上电
上电效果，机系统初始状态如图所示：



2）配置EVB-335X-II
设置EVB-335X-II的IP：
ifconfig eth0 192.168.1.221
挂载NFS文件系统：
mount -t nfs 192.168.1.109:/nfsshare /mnt-o nolock
3）启动QT程序并测试
cd /mnt
./ libmodbus_s7-smart-plc_rtu
QT程序界面如图所示：



初始状态Q0.0-Q0.7均没有输出，复选框都处于未被选中状态。
我在EVB-335X-II触摸屏上选中Q0.2 Q0.4 Q0.7，发现PLC的输出LED灯依次被点亮，如图所示：



来张PLC的特写：



我们点击查看按钮，查看PLC的Q0.0-Q0.7的输出状态结果，如图所示：



来张读取Q状态的特写：



从读取PLC上的Q输出状态，以及物理PLC的指示灯状态，与我们在触摸屏上选中的复选框对应的Q编号是一致的。
4. 小结
通过前面对libmodbus的移植，结合西门子S7-200 PLC的特点，成功的完成了基于ARM的开发板QT程序对PLC的控制，做了EVB-335X-II工业应用的基本尝试，测试效果达到 了我当前项目的通讯要求。写下来，看似很简单，中间分析、测试S7-200的从站线圈、保持寄存器的起始地址，以及线圈的写入不成功的分析，和线圈读取数据的测试，话费了一晚上的时间，只好白天补一觉，下一篇我们将做EVB-335X-II做Modbus TCP主站与西门子S7-1500的通讯测试，S7-1500是西门子PLC中、高端产品，是原来S7-300/S7-400的升级版，期待下一篇测试报告吧，今天就聊这么多，洗洗睡觉去。