ДонНТУ   Портал магістрів

Серпуховітін Юліан Євгенович

Факультет комп'ютерних наук та технологій

Кафедра комп'ютерної інженерії

Спеціальність Інформатика та обчислювальна техніка

Розробка промислової микроконтроллерной мережі на основі протоколу MODBUS

Науковий керівник: к.т.н., доц. Краснокутський Володимир Олексійович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2019 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання дослідження, плановані результати
• 3. Огляд досліджень і розробок
• 3.1 Огляд міжнародних джерел
• 3.2 Огляд національних джерел
• 4. Промислова мікроконтролерна мережу на основі протоколу MODBUS
• 4.1 Поняття промислової мережі
• 4.2 Види промислових мереж
• 4.3 Огляд протоколу MODBUS
• 4.4 Розробка принципової схеми локальної мережі
• 4.5 Розробка програмного забезпечення локальної мережі
• 4.6 Дослідження локальної мережі
• Висновки
• Список джерел

Вступ

Використання пристроїв віддаленого моніторингу та реєстрації подій, проходять у зовнішньому середовищі, є важливою частиною автоматизації на підприємстві. Дуже часто основною проблемою є об'єднання декількох різнотипних пристроїв, мають датчики і / або виконавчі механізми в єдину мережу для надійного обміну необхідною інформацією між ними. Для цього можна застосувати готові складні рішення, які зазвичай вимагають значних витрат. Але в ряді випадків можливе використовувати дешевші, прості у виконанні і налагодженні, але не менш надійні мікроконтролерні технології.

Сучасні мікроконтролери є хорошим технічним рішенням багатьох подібних проблем. Також ринок мережевих технологій пропонує багато протокольних варіантів для побудови промислової або навіть побутової мережі. Серед них був обраний протокол Modbus, який має чітку специфікацію, широко поширений, надійний і простий з точки зору розробки. Метою дипломного проекту є апаратно-програмна реалізація мережі Modbus, вузлами якої є персональний комп'ютер і пов'язаний з ним по послідовним інтерфейсом пристрій на основі мікроконтролера.

Цей проект спрямований на використання, перш за все, в промислових мережах зв'язку, але може застосовуватися і для вирішення побутових проблем управління різними процесами зі звичайного комп'ютера. Одним з головних чинників доцільності проекту повинна бути економічна вигода від реалізації. Саме від цього залежить можливість широко розповсюдити проект з метою покриття початкових витрат і отримання прибутку. У свою чергу підприємства зможуть мінімізувати витрати на техніку і отримати хороші результати роботи мережі.

1. Актуальність теми

Проект в основному націлений на застосування на промислових підприємствах для контролю і управління виробництвом, а також для використання в побутових та освітніх завданнях. Аналіз витрат і вигод показав хороші результати з точки зору рентабельності проекту, тому що виробництво такого обладнання дешевше, ніж використання готового дорогого устаткування. Робота актуальна для розробників систем автоматичного управління і контролю. Це простий і надійний спосіб вирішення виробничих або побутових завдань.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Предметом досліджень і розробок є мікроконтролерні мережі, які працюють, зокрема, на основі протоколу Modbus. Мета роботи - апаратна і програмна реалізація мережі Modbus на послідовному порту.

Основні завдання дослідження:

1. Ведений пристрій на базі мікроконтролера з підтримкою зв'язку через RS-232
2. Програмна прошивка для веденого пристрою
3. Програмне забезпечення для ПК з можливістю опитування підлеглого пристрою

3. Огляд досліджень і розробок

Досліджувана тема досить популярна в національних і міжнародних джерелах. І на жаль не популярна в локальних.

3.1 Огляд міжнародних джерел

У [1] джерелі представлена сама велика і повний опис протоколу MODBUS, його функцій, модифікації, команди, діагностика, і інше. Даний посібник надасть неоціненну допомогу при вивченні і використанні протоколу. Автором виступає MODICON, Inc. Північний Андовер - це місто в графстві Ессекс, штат Массачусетс, США. Це керівництво написано для тих, хто буде використовувати протоколи Modicon Modbus і повідомлення для зв'язку в додатках програмованих контролерів Modicon. Він описує, як створюються повідомлення і як відбуваються транзакції, використовуючи протокол Modbus. У [2] керівництві по організації мережі Мерліна Геріна докладно описані характеристики середовища передачі даних, використовуваної для обладнання системи Power Logic. Будуть розглянуті наступні питання: реалізація на рівні пристроїв (рівень 1), протокол Modbus, підтримуваний цим середовищем (відповідає рівню 2 моделі OSI). У Главі 3 розглядаються деякі аспекти рівня додатків (Впровадження обладнання), проте більшою мірою цей рівень стосується прикладного програмного забезпечення, що ні є темою даного керівництва. Далі, в нас [3] джерело на компанію Atmel - виробник напівпровідникових електронних компонентів. У січні 2016 року фірма Microchip купує Atmel за 3,56 млрд доларів. З джерела відомо, що Перший мікроконтролер Atmel з'явився в 1993 році і був заснований на класичному Мікроконтроллерні ядрі Intel 8051. Також там розглядаються мікроконтролери MCS-51, AT91SAM і AT91CAP (засновані на ядрі ARM), мікроконтролери на їх власних ядрах Atmel AVR і AVR32, радіочастотні (RF) пристрої, мікросхеми пам'яті типів EEPROM і флеш (включаючи пам'ять, засновану на DataFlash), і деякий кількість інших продуктів цієї ж галузі.

3.2 Огляд національних джерел

З [4] нам відомо, що книга присвячена питанням практичного застосування однокристальнихмікроконтролерів AVR сімейств Tiny і Mega фірми ATMEL. Розглянуто архітектура, її особливості. Наведено основні електричні параметри і тимчасові характеристики. Детально описано внутрішнє пристрій мікроконтролерів, системи команд, периферія, а також способи програмування з прикладами реалізації деяких алгоритмів для конкретних цифрових пристроїв. Ця стаття [5] присвячена роботі з COM-портом за допомогою потоків під ОС Windows. Всі наведені тут програми написані в С ++ Builder 6 з використанням Windows-інтерфейсу, об'єктних класів і функцій WINAPI. Якщо ви ще не працювали з COM-портом в Windows, то рекомендуємо спочатку прочитати розділ "Опис програми", в якому наводиться опис ініціалізації порту і роботи з ним. Книга [6] містить методичні та довідкові матеріали по системам візуального об'єктно-орієнтованого програмування C ++ Builder 6 і 2006, а також по попереднім версіям C ++ Builder. Дається методика побудови прикладних програм, що реалізують текстові та графічні редактори, мультиплікацію і мультимедіа, роботу з базами даних, створення звітів, додатків для Інтернету, розподілених додатків, клієнтів і серверів. Розглянуто технології доступу до даних ADO, InterBase Express, dbExpress, компоненти-сервери COM, технологія розподілених додатків СОМ, методика диспетчеризації дій, безліч компонентів. Довідкова частина книги містить матеріали. Довідкова частина книги містить матеріали за мовою C ++, функцій C ++ Builder і API Windows (понад 570 функцій), типам і класам C ++ Builder, їх властивостям, методам і подіям. У [7] статті опублікованій в журналі Радіоаматор Е.Бадло і С.Бадло - чоловік і дружина описують конвертор архівів на основі MODBUS. У наступному джерелі [8] дивляться і сравненівают популярні відкриті промислові мережі. У [9] джерелі показали ринкові вартості і наведені докладні характеристики для електронних компонентів. Стаття [10] дає нам зрозуміти, що при збереженні процесорного ядра і архітектури AVR корпорація Atmel продовжує удосконалювати характеристики перефірійних блоків AVR.

4. Промислова мікроконтролерна мережу на основі протоколу MODBUS

4.1 Поняття промислової мережі

Промислова мережа - мережа передачі даних, що зв'язує датчики, виконавчі механізми, контролери і використовується в промисловій автоматизації. Пристрої використовують мережу в різних цілях. Основна - це передача даних між датчиками, контролерами і виконавчими механізмами. Виходячи з неї, здійснюється конфігурація датчиків, їх харчування і калібрування, керування тими чи іншими виробничими процесами.

Промислові мережі мають ряд переваг, серед яких:
- Збільшення відстані до датчиків і виконавчих механізмів
- Спрощення управління периферійним обладнанням
- Спрощується внесення змін до системи шляхом додавання або відключення деяких вузлів
- Зручність віддаленого контролю, наладки і діагностики периферійного обладнання

Термін «мікроконтролерна мережу», який є ключовим у цій роботі, в більшості випадків можна пояснити наступним чином. Це кілька пристроїв на базі мікроконтролера, які пов'язані між собою певними фізичним і програмних засобів, виконують:
а) прийом і обробку інформації від датчиків з метою управління параметром зовнішнього середовища або передачі цієї інформації іншим пристроєм в мережі
б) специфічне завдання, яку надає їм інше (можливо, головне) пристрій в мережі

4.2 Види промислових мереж

Для вирішення поставлених завдань існує багато протокольних рішень. Найбільш поширеними в країнах СНД є:
1) Industrial Ethernet - варіант Ethernet, застосовується в промисловості, має такі переваги, як відносно низька ціна, високу швидкість передачі великих обсягів даних. При цьому існують великі витрати при передачі даних невеликого розміру, велика фізична уразливість в порівнянні з іншими мережами
2) HART - цифровий промисловий протокол для об'єднання аналогових датчиків і їх налагодження. Він дешевий, простий в установці, має високу перешкодозахищеність, але працює на низьких швидкостях
3) CAN - стандарт автомобільної автоматики, орієнтований на об'єднання в мережу різних датчиків і виконавчих механізмів, при цьому має високу швидкість, стійкість перед перешкодами, але є і недоліки (обмежений розмір пакета, зниження швидкості пропорційно зростанню мережі);
4) ProfiBus - відкрита промислова мережа з широким діапазоном швидкостей. Має відносну дорожнечу в порівнянні з іншими рішеннями, високі витрати при передачі коротких повідомлень. Вибір протокольного рішення, як і завжди, повністю визначається поточними завданнями, які необхідно вирішити на підприємстві. Але при цьому необхідно враховувати і можливість простий реорганізації мережі, створення її більш універсальною.

4.3 Огляд протоколу MODBUS

Modbus [1] - комунікаційний протокол з клієнт-серверною архітектурою. Широко застосовується в промисловості для організації зв'язку між електронними пристроями. Може використовувати для передачі даних послідовні лінії зв'язку RS-485, RS-422, RS-232, а також мережі TCP / IP (Modbus TCP). Modbus був розроблений фірмою Modicon (в даний час належить Schneider Electric) для використання в її контролерах з програмованою логікою. Спочатку контролери MODICON використовували послідовний інтерфейс RS-232. Пізніше почали застосовувати інтерфейс RS-485, так як він забезпечує більш високу надійність, дозволяє використовувати більш довгі лінії зв'язку і підключати до однієї лінії кілька пристроїв.

Modbus відноситься до протоколів прикладного рівня мережевої моделі OSI. Контролери на шині Modbus взаємодіють, використовуючи клієнт-серверну модель, засновану на транзакціях, що складаються з запиту і відповіді. Зазвичай в мережі є тільки один сервер, так званий «головний» (англ. Master) пристрій, і кілька клієнтів - «підлеглих» (slaves) пристроїв. Головне пристрій ініціює транзакції (Передає запити). Підлеглі пристрої передають запитувані головним пристроєм дані або виконують запитувані дії. Головний може адресуватися індивідуально до підлеглого або ініціювати передачу широкомовного повідомлення для всіх підлеглих пристроїв.

Підлеглий пристрій формує повідомлення і повертає його у відповідь на запит, адресований саме йому. При отриманні широковещательного запиту відповідь не формується. Протокол - необхідна частина роботи системи. Він визначає, як Master (MS) і Slave (SL) встановлюють і переривають контакт, як ідентифікуються відправник і одержувач, яким чином відбувається обмін повідомленнями, як виявляються помилки. Протокол керує циклом запиту і відповіді, який відбувається між пристроями MS і SL.

Деякі характеристики протоколу Modbus фіксовані. До них відносяться: формат кадру, послідовність кадрів, обробка помилок комунікації і виняткових ситуацій і виконання функцій. Інші характеристики обираються користувачем. До них відносяться: тип засобу зв'язку, швидкість обміну, перевірка на парність, число степових біт і режим передачі (ASCII або RTU). Параметри, що обираються користувачем, встановлюються (апаратно або програмно) на кожній станції. Ці параметри не можуть бути змінені під час роботи системи.

Modbus дуже поширеним протоколом серед країн СНД. Його використовують десятки фірм, розробники вибирають його завдяки простоті логіки і незалежності від типу інтерфейсу. Також він, поряд з іншими протоколами, такими як CAN, Profibus, застосовується в розробках автоматичних систем домашнього управління «розумний дім». Якщо говорити про промисловість, то найбільш поширеним інтерфейсом для Modbus є послідовні лінії зв'язку RS-232/422/485. З точки зору програмної реалізації мережі розробники зазвичай використовують кілька стандартних функцій, передбачених специфікацією (Читання, запис статусних входів, операції з битами і байтами), іноді додаючи призначені для користувача функції. Тип і формат таких функцій залежить від конкретної апаратної платформи, на якій будуються ті SL-пристрої, керовані MS, але часто можна обійтися і без них. Фактично ж, для реалізації мережі головними факторами є наявність послідовного інтерфейсу між MS і SL, підтримка SL декількох стандартних функцій і робоча програма головного комп'ютера для опитування SL. Всі додаткові елементи як в апаратній, так і в програмній сфері залежать від конкретних завдань замовника технології. Протокол дозволяє об'єднати в одній мережі до 247 slave-пристроїв. Але фізичні лінії передачі даних можуть обмежити цю кількість. Наприклад, інтерфейс RS-485, який найчастіше використовується в промислових мережах Modbus, дає можливість підключити до 32 підлеглих пристроїв.
Мережі Modbus мають дві основні топології [ 2 ]:
- «шина»;
- «точка-точка».
Зрозуміло, що в першій об'єднуються головний і кілька підлеглих пристроїв (мережі RS-485). У другій є тільки один підлеглий пристрій (RS-232 / RS-485).

З урахуванням того, що топологія «точка-точка» є більш простим варіантом для вивчення і реалізації, а також тому, що вона дозволяє використовувати для з'єднання пристроїв звичайний COM-порт, який поки досить поширений на настільних ПК, для реалізації мережі Modbus обирається топологія «точка-точка» (мал.1).

Завдання розробки полягає в апаратно-програмної реалізації мережі топології «точка-точка», вузли якої будуть обмінюватися повідомленнями по протоколу, а програмне забезпечення обох вузлів буде повністю задовольняти стандартну специфікацію Modbus.

Розглянемо передачу повідомлення.

Резюме Біографія