Работа с устройством Modbus

В этом примере будет разобран случай работы с частотным преобразователем посредством сети Modbus.

Внимание!!! Организация работы со сторонними устройствами Modbus прежде всего сводится к следующим задачам:

Сложность задачи состоит в основном в необходимости поиска нужной информации. Эти сведения часто достаточно хаотически раскиданы по разного рода описаниям и сопроводительной документации. Сам по себе процесс организации обмена между контроллером и устройством очень прост при наличии всей нужной информации.

Часто бывает, что устройства довольно-таки отдалённых прошлых лет разработки не отличаются особым "интеллектом", либо вообще работают по принципу автоматов состояний, не допускающих произвольного следования управляющих команд. Именно для этих устройств может возникнуть нужда составления макросов, реализующих управляющие последовательности.

Современными же устройствами как правило можно управлять с помощью одной-двух команд, вместо десятка или даже двух десятков в особо запущенных случаях.

Ярким примером служит сравнение частотных преобразователей Altivar 21 серии (особенно с программным обеспечением первых версий) с частотными преобразователями Delta серии VFD. Для управления Альтиваром нужно после включения питания дождаться готовности и последовательно произвести инициализацию нескольких модулей внутри самого устройства, непрерывно контролируя состояния этих модулей. Неправильная команда, либо команда, отданная не вовремя может запросто ввести преобразователь в "состояние аффекта", из которого он выводится не менее сложными последовательностями команд. Для управления частотником от Дельты достаточно записать нужную частоту в регистр задания и дать команду "Работа" в регистр управления. Как только это будет возможно, преобразователь самостоятельно инициализирует свои внутренние модули и запустится в работу.

Поэтому подключение к любому устройству прежде это всего исследовательская работа. Сама по себе наладка связи - очень простое и быстрое действие. В данном примере невозможно охватить весь спектр присутствующих на рынке устройств, но хотя бы будут разъяснены принципы и критерии поиска нужной информации.

Шаг первый. Поиск технической документации на устройство. В идеальном случае эта документация приложена в печатном виде к частотному преобразователю. Как правило она актуальна для этого преобразователя, но проверить это лишний раз не помешает. Следующий хороший случай, когда документация содержится в электронном виде на приложенном компакт-диске. Если ни того ни другого нет, то ищем документацию в интернете в поисковых машинах. Скачиваем абсолютно всё, что попадётся на пути поиска и складируем в отдельную папку.

Шаг второй. Путём внимательного осмотра наклеек на преобразователе выясняем два номера - это так называемые "ревизии" или "версии" ("revision", "rev.", "version", "ver."). Между "версией" и "ревизией" нет никакой разницы, какое слово используется - зависит от производителя преобразователя. Версии бывают двух типов: аппаратная и программная. Аппаратная версия определяет внутреннюю схемотехнику преобразователя и нам неинтересна. Наша цель - программная версия. Как правило она обозначается как "SW Version" или "Soft Ver." или "S/W Version" или другой комбинацией слов "software version". Иногда чтобы найти номер версии нужно открыть первое попавшее описание и выяснить расположение этой маркировки. Узнав номер версии подбираем описание, подходящее для этой версии. Это обязательное действие, т.к. производители преобразователей непрерывно совершенствуют свою продукцию и иногда всё же вносят изменения в программный обмен данными.

Из наклейки выясняем, что в ПЧ использована программа управления версии 1.03 и подбираем нужный документ:

Шаг третий. Найдя нужный документ (или несколько документов) открываем их и внимательно изучаем. Если преобразователь сам по себе является знакомым в работе устройством, то достаточно пройтись по документам поиском по специфическим словам:

"Modbus" - слово для поиска широкого спектра, применяется для определения требующих просмотра мест в документе

"RTU" - слово, позволяющее быстро выяснить наличие у устройства именно Modbus-RTU. Modbus-ASCII не подходит!

"Baud" - по этому слову можно быстро найти место, описывающее возможности и настройки связи в преобразователе:

При описании часто используют следующие сокращения:

− "bps" - это сокращение от "скорость передачи"
− "9.6", "9k6" - это значение скорости связи, равное 9600 бит/сек (115.2 = 115200 бит/сек)
− "None", "Even", "Odd" - означает настройку проверки чётности
− "9600 8N2" - это сокращенная форма написания "Скорость 9600 бит/сек, 8 бит данных, проверка отсутствует, 2 стоповых бита"
− "38400 8E1" - "Скорость 38400 бит/сек, 8 бит данных, проверка на чётность, 1 стоповый бит"
− "38k4 8O1" - "Скорость 38400 бит/сек, 8 бит данных, проверка на нечётность, 1 стоповый бит"

Шаг четвёртый. Ищем схему подключения кабеля связи и цоколёвку разъёма. Здесь очень хорошие результаты даёт поиск по словам "connection" и "485".

Шаг пятый. Ищем описание регистров Modbus. Правильное название этого описания - "карта памяти" ("memory map"). Регистры ещё могут называть как "переменные", "слова управления", "регистры управления", "слова состояния" ("control map", "status map", "register map", "modbus variables"):

В подавляющем числе случаев регистр управления содержит в своем названии слово "Command" - "команда". Регистр задания скорости так и называется: "Speed reference" или "Speed setpoint".

Шаг шестой. Определяем тип адресации переменных. В стандарте Modbus существуют два различных типа адресации: это так называемые физическая и логическая адресация. В итоге возникла путаница, которую всё время нужно решать.

Итак, физическая адресация. Её признаки следующие:

Нужно особо отметить, что номера переменных в логической адресации обязаны обозначаться пятизначным числом, однако не все производители и не всегда следуют этому предписанию, чем ещё более запутывают новичков. Иногда это сделано для обхода ограничений логической адресации. В этом случае используется числа, состоящие из шести цифр.

Также нужно отметить, что не бывает таких случаев, когда логическая и физическая адресации перемешаны внутри одного описания или одной линейки продуктов. Либо то, либо другое.

Что же такое физическая адресация и чем она отличается от логической?

Физическая адресация - это "правильная адресация". Правильная она в том смысле, что полностью соответствует расположению и назначению переменных и протоколу обмена.

Логическая адресация - это надстройка, призванная упростить понимание технической документации людьми, не являющимися программистами. Т.к. она является упрощённой моделью, то у неё присутствуют некоторые ограничения по сравнению с физической адресацией.

Изначально Modbus как протокол был создан для очень простых электронных устройств, которые не могли обрабатывать сложные структуры данных "взрослых" протоколов, для реализации которых нужен более мощный процессор и некоторое количество буферной памяти. Ни того ни другого в простейших устройствах на момент разработки протокола не было. Всё бы ничего, но это заставило использовать несколько запутанную систему обозначения единиц данных и не менее запутанную систему их записи и чтения. Последующий технический прогресс нисколько не добавил прозрачности в документацию устройств, использующих Modbus, реализовав различные возможности, недоступные ранее.

Перво-наперво все понятия отталкиваются от аппаратных ресурсов. Если в "обычных" протоколах есть понятие "переменная", т.е. участок памяти, куда можно записать или откуда можно считать какое-либо значение, которое потом внутри устройства будет как-то обработано, то в Modbus переменных попросту нет. Есть регистры ("register") - это в самом прямом смысле аппаратные регистры: ЦАП (цифро-аналоговых преобразователей - для вывода напряжения), регистры АЦП (аналого-цифровых преобразователей - для считывания напряжения или тока), статусы ("status") - отдельные биты регистров дискретных входов и дискретных выходов (напрямую включающие реле). Логично перевести на русский язык название "status" невозможно по той простой причине, что в русском языке отсутствует аналог использующегося значения этого слова. Ниже будет использовано слово "бит" именно как более логичный заменитель слова "статус".

В итоге в Modbus есть четыре типа данных:

Coil Status - буквально "состояние катушки [реле]": единица, записанная в этот бит включает дискретный выход устройства, т.е. реле, к нему подключенное

Input Status - "состояние входа": число, считанное из этого бита, напрямую сообщает о том, замкнут контакт на этом входе или разомкнут

Holding Register - "регистр удерживания": в него записывается число, определяющее напряжение, удерживаемое на аналоговом выходе. Часто название этого регистра переводят на русский язык как "регистр хранения", но это глубоко ошибочный перевод, т.к. собственно для хранения этот регистр использовать не предполагается. Для полного понимания работы Modbus об этом никогда нельзя забывать

Input Register - "входные данные". Это число напрямую считывается из АЦП и отражает величину напряжения или тока, приходящего от датчика, подключенного к этому входу

Очень важно понимать, что невозможно получить состояния входа из типа "Coil Status", т.к. какие входные данные может дать катушка реле, подключенные к выходу? Можно лишь узнать, включено ли реле или нет. То же самое относится и к "Holding Register" - чтением мы можем лишь проверить что мы туда записали. Таким образом имеется два типа данных на запись и два типа данных на чтение. Эти два типа - дискретные и аналоговые сигналы.

Для большего понимания можно отобразить это графически:

На картинке изображены четыре Input Status: 0, 1, 2 и 3, к которым подключены "сухие контакты"; четыре Input Register: 0, 1, 2 и 3, к которым подключены датчики температуры, давления и напряжения; три Coil Status: 0, 1 и 2, управляющие тремя лампочками и три Holding Register, являющиеся выходами 0..10В. Таким образом, чтобы включить среднюю лампочку, нужно записать единицу в Coil Status по адресу 1. А чтобы узнать давление, нужно прочитать Input Register также по адресу 1. Как видно, адреса одинаковы. Разница заключается в том, что это данные разных типов, физически размещены в разных местах устройства и работа с ними осуществляется разными командами чтения/записи.

Логическая адресация призвана упростить работу с устройством следующим образом:

В логической адресации собственно "адрес" складывается из двух составляющих: базы + номера клеммы. Таким образом, чтобы включить среднюю лампу, нужно записать единицу по "адресу" 00002, а чтобы узнать давление, нужно прочитать значение по "адресу" 30002. При этом фактические чтение/запись произойдут по адресу 1, а из первой цифры "адреса" (базы) будет вычислено, с чем нужно работать: с Coil Status или с Input Register.

Таким образом, логическая адресация существует исключительно "на бумаге" или в настроечном интерфейсе, но сами устройства всегда работают с правильными адресами и типами данных. При этом существуют следующие ограничения:

Адреса всегда записываются в десятичном виде. Любой другой вид записи - отступление от стандарта

База адреса чётко определяет тип данных, т.е. "Зажечь лампу по адресу 30002" не получится

"Адрес" складывается из двух чисел: база + номер регистра или бита ("coil" = "бит"). Нумерация при этом производится с единицы, т.е. начальные адреса имеют следующие значения: 00001; 10001; 30001 и 40001

Самое главное ограничение: диапазон доступных номеров регистров и битов лежит в пределах четырёхзначных чисел. Учитывая нумерацию с единицы этот диапазон лежит от 0001 до 9999. Таким образом все данные должны размещаться в диапазонах "адресов" 00001..09999; 10001..19999; 30001..39999 и 40001..49999. Это может быть проблемой, если данные в устройстве размещены за пределами 9999 номеров, например Input Status с физическим адресом 42850 попросту недосягаем для логической адресации

Иногда первая цифра логического адреса отделяется символом "x" от остальных. Т.е. имеет вид, например, "0x0001" или "4x0111" - это просто одна из форм записи, призванная увеличить наглядность действий, производимых пользователем. "0x0001" соответствует "00001", а "4x0111" соответствует "40111"

Карта памяти, представленная на рисунке ниже, являет собой пример неудачного оформления распределения переменных. С одной стороны, такие технические детали, как колонка "Command" и "Type" как правило не приводятся в документации, описывающей логические адреса: из самого адреса и так понятно, что читаем или что записываем и как мы это делаем. С другой стороны, нумерация переменных производится с единицы безо всякой видимой причины, что является недвусмысленным намёком, что адреса всё же логические. Но опять же, логические адреса не записываются в таком виде, они должны быть записаны числом, имеющем пять цифр.

В итоге принимаем, что всё же это логическая адресация. Следовательно интересующие нас переменные "Command", "Speed reference" и "Error code / Drive status" в карте памяти SMLogix будут выглядеть следующим образом:

В случае ошибки составленную карту памяти всегда можно исправить после натурных испытаний на ПЧ.

Шаг седьмой. Шаг довольно-таки ответственный. Если до этого момента все устройства по сути не отличались друг от друга, то здесь уже между различными устройствами лежит пропасть в виде различающихся моделей поведения. Где-то достаточно записать одно число в один регистр, где-то нужно записать пять регистров и ещё два вычислить и записать в другие места. Естественно в этом примере нельзя объять необъятное, поэтому дальнейшее описание можно воспринимать как указание направления поиска, а не как руководство к действию.

В данном случае функции управления сконцентрированы в регистре, названном "Drive command". Регистр разделён на 16 частей - битов. Каждый бит выполняет свою уникальную функцию.

Обратите внимание: здесь регистр управления назван как "Drive command", а в карте памяти он же имеет название просто "Command". Это связано исключительно с невнимательностью составителей документации, никаких других, в том числе и скрытых смыслов данное разделение не имеет. К этому нужно относиться как к данности.

В FBD-программе кодирование битов в регистр осуществляется блоком "bool->int" из раздела "Преобразование типов":

Этот блок нужно перетащить в программу и в его свойствах задать 4 входа, после чего блок примет свой конечный вид, изображённый справа на рисунке выше. Почему четыре входа? Это следует из описания регистра "Drive command" - в нём использованы младшие 4 бита: "bit0", "bit1", "bit2" и "bit3". Эти биты соответствуют входам "bool0".."bool3" блока "bool->int". Для удобства блок можно оформить в макрос, подписав биты осмысленными названиями:

Далее разбираемся с переменной задания скорости: из описания следует, что записывать нужно значение в десять раз большее чем то, которое мы хотим установить. Так, для установки 12.3Гц в эту переменную нужно записать число 123. Это число внутри ПЧ поделится на 10 и будет получено актуальное значение скорости в герцах. Такой приём часто применяется из-за отсутствия в modbus переменных вещественного типа.

Для удобства можно составить нехитрый макрос:

Теперь очередь переменной, отражающей состояние ПЧ и возникающие в нём ошибки. Находим описание этой переменной и составляем макрос для удобства нашего восприятия. При составлении макроса пользуемся блоком, раскодированием битов из регистра. Этот блок называется "reg16->bits".

Однако макрос, обрабатывающий эту переменную сложнее, чем оба предыдущих. Это связано с тем, что одна и та же переменная фактически служит для реализации двух разных задач: индикации состояния ПЧ с одной стороны и для индикации произошедших с ним ошибок и аварий.

Таким образом, нам нужно разделить полученную переменную на две части и обработать их в соответствии с данными описания на ПЧ. Первое, что мы делаем, это разделяем полученную переменную на две части - верхние 8 бит (это код ошибки) и нижние 8 бит (код состояния):

Далее обрабатываем нижние 8 бит (нижнее слово). В нём содержится число, отражающее состояние ПЧ: "0" - двигатель остановлен, "1" - двигатель запущен и "2" - произошла ошибка. Для этого используем блок DC - демультиплексор, который выдаёт единицу на тот выход, номер которого пришёл на его вход:

Аналогичным образом поступаем с верхним словом за той разницей, что демультиплексор включается при получении состояния ПЧ "Tripped" - это явно указано в описании на ПЧ:

В итоге получаем макрос, который удобен для нашего понимания:

Теперь подключаем все три макроса к "своим" переменным и создаём программу-стенд для проверки полученной информации. Программа проста, она позволяет запустить двигатель нажатием кнопки "Enter" на контроллере и остановить двигатель её отпусканием. Также, при возникновении аварии, её можно сбросить нажатием на кнопку "Esc". Частота вращения двигателя установлена как 25.5Гц. В исходном состоянии должна гореть вторая снизу лампочка на лицевой панели контроллера, после запуска двигателя она должна погаснуть и загореться нижняя, показывающая работу двигателя. При возникновении какой-либо аварии включится "пищалка" контроллера, привлекая наше внимание:

Шаг восьмой. Настройка ПЧ на работу по сети. По умолчанию все приборы имеют настройку на локальное управление - с панели оператора или со специально выделенных для этого входов.

Находим описание настройки управления через modbus, используя выражения "switch control", "DI function", "modbus". В итоге находим, что на панели оператора ПЧ нужно произвести следующие действия:

Шаг девятый. Изготавливаем кабель связи и подключаем ПЧ к контроллеру. Проводим тесты.