PC+PLC通过Modbus协议构建工控系统

 

一、 概述

工业设备采用HMI+PLC控制是比较常见的方案，随着工业自动化的要求越来越高，现在很多设备都要求接入企业MES系统，MES系统一般为WEB系统，接口形式大部分为HTTP协议，这种传统方案和MES系统接口就比较麻烦。

本文提供一种简单的PC+PLC的工控方案，可以采用C#开发控制端人机交互页面，PLC做控制中心，两者通过Modbus协议通信交换数据。通过这个方案也可以对旧设备进行改造增加MES接口功能。

具体方案如下：

1、 试验下位机采用SIMENS S7-200 Smart，上位机应用程序采用C#开发，软件和PLC之间采用Modbus TCP协议进行通信。

2、 通信时，上位机避免访问PLC的IQ、AI、M等区域，只通过V区域进行数据交换：PLC实时将设备状态信息复制到指定位置，上位机每隔200ms去取一次状态数据，并根据设备状态和用户指令进行相关操作；

3、 上位机将PLC需要执行的动作指示传输到指定位置，PLC每次执行程序扫描时根据数据做出相应反应。PLC应对数据的有效性进行检验，如果检验不通过将拒绝执行动作，并报错。

4、 PLC还需要对一些安全方面的控制进行直接检查，不需要等待上位机指示。包括：急停响应、限位开关、过压等。

 

二、 方案说明

理论上，通过Modbus协议，上位机是可以直接访问I/O、A/D、D/A等端口的，也就是说可以直接读取输入状态，并控制输出。但我们不建议这种方案，主要有下面几个原因：

1、  PC向PLC询问的时间不可能很及时，我们设定为200ms，这个时间对控制系统来说响应时间有点长了，PLC扫码周期一般只几有个ms，响应较快；

2、 通讯过程存在不稳定性，当通讯异常时，PLC恰好处于一个不安全的状态就太危险了。

所以应保证PLC是具备控制能力的，当上位机向PLC发送命令时，如果出现异常，也应该保证PLC处于一个安全的状态。

 

三、 试验

我们做一个人简单的试验程序，它只有两个功能

1、  将输入（I0.0）的状态显示在程序界面上；

2、 通过上位机控制输出状态（Q0.0）

PLC部分程序：

 

 一共有3行程序：

第1行：启动一个ModBus Server

说明：

1) MaxIQ：设置IQ的访问范围；

2)MaxAI设置AD的访问范围；

3)HoldStart：参数 HoldStart 为指向 V 存储器中保持寄存器起始位置的指针。通常将该值设置为 &VB0（VB0 地址）；

4)MaxHold：参数 MaxHold 设置可用于 Modbus 地址 4xxxx 的 V 存储 器中的字保持寄存器数；

5)即使HoldStart不指向VB0，Modbus寻址仍是从0开始，范围为0~MaxHold，如果超出范围将报告非法数据地址的错误；

 第2行：将输入状态映射到V0.0

第3行：将V2.0数据映射到输出状态

 

上位机界面：

   

程序通过一个方块的颜色显示PLC输入口的状态；Start和Stop按钮控制PLC输出端口状态。

客户端通过EasyModbusTCP库来实现基础通讯，首先通过Nuget下载依赖库。

   

状态读取：

int[] words = _modbusClient.ReadHoldingRegisters(0, 10);

byte VB0 = (byte)(words[0] >> 8);

byte VB1 = (byte)(words[00] & 0x00FF);

bool IsEmergencyStop = (VB0 & 0x01) == 1;

说明：

1）  首先从地址0读取10个字（WORD），由于设置了HoldStart为VB0，所以会读取VB0~VB20，共20个字节， words长度为10，每两个字节形成一个int数据，低位在前，高位在后；

2）  通过第一个int数据取得VB0和VB1，然后再取得VB0.0即可得到位信息。

 

控制输出：

       public void StartTest()

        {

            //V2.0

            _modbusClient.WriteSingleRegister(1, 0x0100);

        }

 

        public void StopTest()

        {

            //V2.0

            _modbusClient.WriteSingleRegister(1, 0x0000);

        }

 

WriteSingleRegister也是按照WORD来进行寻址的，例如：

WriteSingleRegister(10, 0x1234)

表示：VB20设置为0x12，VB21设置为0x34；

双方交换float类型的实数也是可以的，这里就不详细介绍了。

 

示例项目地址：https://gitee.com/seabluescn/plcsamples.git