ДонНТУ   Портал магистров

Серпуховитин Юлиан Евгеньевич

Факультет компьютерных наук и технологий

Кафедра компьютерной инженерии

Специальность Информатика и вычислительная техника

Разработка промышленной микроконтроллерной сети на основе протокола MODBUS

Научный руководитель: к.т.н., доц. Краснокутский Владимир Алексеевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 3.1 Обзор международных источников
• 3.2 Обзор национальных источников
• 4. Промышленная микроконтроллерная сеть на основе протокола MODBUS
• 4.1 Понятие промышленной сети
• 4.2 Виды промышленных сетей
• 4.3 Обзор протокола MODBUS
• 4.4 Разработка принципиальной схемы локальной сети
• 4.5 Разработка программного обеспечения локальной сети
• 4.6 Исследование локальной сети
• Выводы
• Список источников

Введение

Использование устройств удаленного мониторинга и регистрации событий, проходящих во внешней среде, является важной частью автоматизации на предприятии. Очень часто основной проблемой является объединение нескольких разнотипных устройств, имеющих датчики и / или исполнительные механизмы в единую сеть для надежного обмена необходимой информацией между ними. Для этого можно применить готовые сложные решения, которые обычно требуют значительных затрат. Но в ряде случаев возможно использовать более дешевые, простые в исполнении и отладке, но не менее надежные микроконтроллерные технологии.

Современные микроконтроллеры является хорошим техническим решением многих подобных проблем. Также рынок сетевых технологий предлагает много протокольных вариантов для построения промышленной или даже бытовой сети. Среди них был избран протокол Modbus, который имеет четкую спецификацию, широко распространен, надежный и простой с точки зрения разработки. Целью дипломного проекта является аппаратно-программная реализация сети Modbus, узлами которой являются персональный компьютер и связан с ним по последовательным интерфейсом устройство на основе микроконтроллера.

Этот проект направлен на использование, прежде всего, в промышленных сетях связи, но может применяться и для решения бытовых проблем управления различными процессами с обычного компьютера. Одним из главных факторов целесообразности проекта должна быть экономическая выгода от реализации. Именно от этого зависит возможность широко распространить проект с целью покрытия первоначальных затрат и получения прибыли. В свою очередь предприятия смогут минимизировать затраты на технику и получить хорошие результаты работы сети.

1. Актуальность темы

Проект в основном нацелен на применение на промышленных предприятиях для контроля и управления производством, а также для использования в бытовых и образовательных задачах. Анализ затрат и выгод показал хорошие результаты с точки зрения рентабельности проекта, потому что производство такого оборудования дешевле, чем использование готового дорогостоящего оборудования. Работа актуальна для разработчиков систем автоматического управления и контроля. Это простой и надежный способ решения производственных или бытовых задач.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Предметом исследований и разработок являются микроконтроллерные сети, которые работают, в частности, на основе протокола Modbus. Цель работы - аппаратная и программная реализация сети Modbus на последовательном порту.

Основные задачи исследования:

1. Ведомое устройство на базе микроконтроллера с поддержкой связи через RS-232
2. Программная прошивка для ведомого устройства
3. Программное обеспечение для ПК с возможностью опроса подчиненного устройства

3. Обзор исследований и разработок

Исследуемая тема достаточно популярна в национальных и международных источниках. И увы не популярна в локальных.

3.1 Обзор международных источников

В [1] источнике представленна самая большое и полное описание протокола MODBUS, его функций, модификации, команды, диагностика, и прочее. Данное пособие окажет неоценимую помощь при изучении и использовании протокола. Автором выступает MODICON, Inc. Северный Андовер - это город в графстве Эссекс, штат Массачусетс, США. Это руководство написано для тех, кто будет использовать протоколы Modicon Modbus и сообщения для связи в приложениях программируемых контроллеров Modicon. Он описывает, как создаются сообщения и как происходят транзакции, используя протокол Modbus. В [2] руководстве по организации сети Мерлина Герина подробно описаны характеристики среды передачи данных, используемой для оборудования системы Power Logic. Будут рассмотрены следующие вопросы: реализация на уровне устройств (уровень 1), протокол Modbus, поддерживаемый этой средой (соответствует уровню 2 модели OSI). В Главе 3 рассматриваются некоторые аспекты уровня приложений (Внедрение оборудования), однако в большей степени этот уровень касается прикладного программного обеспечения, что не является темой данного руководства. Следом, у нас [3] источник на компанию Atmel - изготовитель полупроводниковых электронных компонентов. В январе 2016 года фирма Microchip покупает Atmel за 3,56 млрд долларов. Из источника известно, что Первый микроконтроллер Atmel появился в 1993 году и был основан на классическом микроконтроллерном ядре Intel 8051. Также там рассматриваются микроконтроллеры MCS-51, AT91SAM и AT91CAP (основаны на ядре ARM), микроконтроллеры на их собственных ядрах Atmel AVR и AVR32, радиочастотные (RF) устройства, микросхемы памяти типов EEPROM и флеш (включая память, основанную на DataFlash), и некоторое количество других продуктов этой же отрасли.

3.2 Обзор национальных источников

Из [4] нам известно, что книга посвящена вопросам практического применения однокристальных микроконтроллеров AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. Рассмотрена архитектура, ее особенности. Приведены основные электрические параметры и временные характеристики. Подробно описано внутреннее устройство микроконтроллеров, системы команд, периферия, а также способы программирования с примерами реализации некоторых алгоритмов для конкретных цифровых устройств. Данная статья [5] посвящена работе с COM-портом с помощью потоков под ОС Windows. Все приведённые здесь программы написаны в С++Builder 6 с использованием Windows-интерфейса, объектных классов и функций WINAPI. Если вы ещё не работали с COM-портом в Windows, то рекомендуем сначала прочитать раздел "Описание программы", в котором приводится описание инициализации порта и работы с ним. Книга [6] содержит методические и справочные материалы по системам визуального объектно-ориентированного программирования C++Builder 6 и 2006, а также по предшествующим версиям C++Builder. Дается методика построения прикладных программ, реализующих текстовые и графические редакторы, мультипликацию и мультимедиа, работу с базами данных, создание отчетов, приложений для Интернета, распределенных приложений, клиентов и серверов. Рассмотрены технологии доступа к данным ADO, InterBase Express, dbExpress, компоненты-серверы COM, технология распределенных приложений СОМ, методика диспетчеризации действий, множество компонентов. Справочная часть книги содержит материалы по языку C++, функциям C++Builder и API Windows (свыше 570 функций), типам и классам C++Builder, их свойствам, методам и событиям. В [7] статье опубликованной в журнале Радиолюбитель Е.Бадло и С.Бадло - муж и жена описывают конвертор архивов на основе MODBUS. В следующем источнике [8] обозревают и сравненивают популярные открытые промышленные сети. В [9] источнике показана рыночные стоимости и приведены подробные характеристики для электронных компонентов. Статья [10] даёт нам понять, что при сохранении процессорного ядра и архитектуры AVR корпорация Atmel продолжает совершенствовать характеристики перефирийных блоков AVR.

4. Промышленная микроконтроллерная сеть на основе протокола MODBUS

4.1 Понятие промышленной сети

Промышленная сеть - сеть передачи данных, связывающей датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и используется в промышленной автоматизации. Устройства используют сеть в различных целях. Основная - это передача данных между датчиками, контроллерами и исполнительными механизмами. Исходя из нее, осуществляется конфигурирование датчиков, их питания и калибровки, управления теми или иными производственными процессами.

Промышленные сети имеют ряд преимуществ, среди которых:
- Увеличение расстояния до датчиков и исполнительных механизмов
- Упрощение управления периферийным оборудованием
- Упрощается внесение изменений в систему путем добавления или отключения некоторых узлов
- Удобство удаленного контроля, наладки и диагностики периферийного оборудования

Термин «микроконтроллерная сеть», который является ключевым в данной работе, в большинстве случаев можно объяснить следующим образом. Это несколько устройств на базе микроконтроллера, которые связаны между собой определенными физическим и программным средствам, выполняют:
а) прием и обработку информации от датчиков с целью управления параметром внешней среды или передачи этой информации другим устройством в сети
б) специфическую задачу, которую предоставляет им другое (возможно, главное) устройство в сети

4.2 Виды промышленных сетей

Для решения поставленных задач существует много протокольных решений. Наиболее распространенными в странах СНГ являются:
1) Industrial Ethernet - вариант Ethernet, применяется в промышленности, имеет такие преимущества, как относительно низкая цена, высокую скорость передачи больших объемов данных. При этом существуют большие расходы при передаче данных небольшого размера, большая физическая уязвимость по сравнению с другими сетями
2) HART - цифровой промышленный протокол для объединения аналоговых датчиков и их отладки. Он дешевый, простой в установке, имеет высокую помехозащищенность, но работает на низких скоростях
3) CAN - стандарт автомобильной автоматики, ориентированный на объединение в сеть различных датчиков и исполнительных механизмов, при этом имеет высокую скорость, помехоустойчивость, но есть и недостатки (ограниченный размер пакета, снижение скорости пропорционально росту сети);
4) ProfiBus - открытая промышленная сеть с широким диапазоном скоростей. Имеет относительную дороговизну по сравнению с другими решениями, высокие затраты при передаче коротких сообщений. Выбор протокольного решения, как и всегда, полностью определяется текущими задачами, которые необходимо решить на предприятии. Но при этом необходимо учитывать и возможность простой реорганизации сети, создание ее более универсальной.

4.3 Обзор протокола MODBUS

Modbus [1] - коммуникационный протокол с клиент-серверной архитектурой. Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использовать для передачи данных последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, а также сети TCP / IP (Modbus TCP). Modbus был разработан фирмой Modicon (в настоящее время принадлежит Schneider Electric) для использования в ее контроллерах с программируемой логикой. Сначала контроллеры MODICON использовали последовательный интерфейс RS-232. Позже стал применяться интерфейс RS-485, так как он обеспечивает более высокую надежность, позволяет использовать более длинные линии связи и подключать к одной линии несколько устройств.

Modbus относится к протоколам прикладного уровня сетевой модели OSI. Контроллеры на шине Modbus взаимодействуют, используя клиент-серверную модель, основанную на транзакциях, состоящих из запроса и ответа. Обычно в сети есть только один сервер, так называемый «главный» (англ. Master) устройство, и несколько клиентов - «подчиненных» (slaves) устройств. Главное устройство инициирует транзакции (передает запросы). Подчиненные устройства передают запрашиваемые главным устройством данные или выполняют запрашиваемые действия. Главный может адресоваться индивидуально к подчиненному или инициировать передачу широковещательного сообщения для всех подчиненных устройств.

Подчиненное устройство формирует сообщение и возвращает его в ответ на запрос, адресованный именно ему. При получении широковещательного запроса ответ не формируется. Протокол - необходимая часть работы системы. Он определяет, как Master (MS) и Slave (SL) устанавливают и прерывают контакт, как идентифицируются отправитель и получатель, каким образом происходит обмен сообщениями, как обнаруживаются ошибки. Протокол руководит циклом запроса и ответа, который происходит между устройствами MS и SL.

Некоторые характеристики протокола Modbus фиксированы. К ним относятся: формат кадра, последовательность кадров, обработка ошибок коммуникации и исключительных ситуаций и выполнение функций. Другие характеристики избираются пользователем. К ним относятся: тип средства связи, скорость обмена, проверка на четность, число стоповых бит и режим передачи (ASCII или RTU). Параметры, избираемых пользователем, устанавливаются (аппаратно или программно) на каждой станции. Эти параметры не могут быть изменены во время работы системы.

Modbus очень распространенным протоколом среди стран СНГ. Его используют десятки фирм, разработчики выбирают его благодаря простоте логики и независимости от типа интерфейса. Также он, наряду с другими протоколами, такими как CAN, Profibus, применяется в разработках автоматических систем домашнего управления «умный дом». Если говорить о промышленности, то наиболее распространенным интерфейсом для Modbus является последовательные линии связи RS-232/422/485. С точки зрения программной реализации сети разработчики обычно используют несколько стандартных функций, предусмотренных спецификацией (чтение, запись статусных входов, операции с битами и байтами), иногда добавляя пользовательские функции. Тип и формат таких функций зависит от конкретной аппаратной платформы, на которой строятся те SL-устройства, управляемые MS, но часто можно обойтись и без них. Фактически же, для реализации сети главными факторами являются наличие последовательного интерфейса между MS и SL, поддержка SL нескольких стандартных функций и рабочая программа главного компьютера для опроса SL. Все дополнительные элементы как в аппаратном, так и в программной сфере зависят от конкретных задач заказчика технологии. Протокол позволяет объединить в одной сети до 247 slave-устройств. Но физические линии передачи данных могут ограничить это количество. Например, интерфейс RS-485, который чаще всего используется в промышленных сетях Modbus, дает возможность подключить до 32 подчиненных устройств.
Сети Modbus имеют две основные топологии [2]:
- «шина»;
- «точка-точка».
Понятно, что в первой объединяются главный и несколько подчиненных устройств (сети RS-485). Во второй есть только один подчиненный устройство (RS-232 / RS-485).

С учетом того, что топология «точка-точка» является более простым вариантом для изучения и реализации, а также потому, что она позволяет использовать для соединения устройств обычный COM-порт, который пока достаточно распространен на настольных ПК, для реализации сети Modbus избирается топология «точка-точка» (рис.1).

Задача разработки состоит в аппаратно-программной реализации сети топологии «точка-точка», узлы которой будут обмениваться сообщениями по протоколу, а программное обеспечение обоих узлов будет полностью удовлетворять стандартную спецификацию Modbus.

Рассмотрим передачу сообщения.

Резюме Биография Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел