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泗博自動化Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)在機械加工行業(yè)的應(yīng)用
——實現(xiàn)人機界面HMI和機床運動控制器的通信
關(guān)鍵詞：機械加工行業(yè)，Modbus，CANopen，CAN總線，HMI，伺服驅(qū)動系統(tǒng)
一、引言
隨著國民經(jīng)濟飛速發(fā)展工業(yè)自動化，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術(shù)、航空航天的迅猛發(fā)展，對機床的精度和生產(chǎn)效率要求也越來越高，主軸轉(zhuǎn)速12000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精機床已經(jīng)是機床行業(yè)流行的趨勢。現(xiàn)在加工中心逐漸成為機械加工業(yè)中最主要的設(shè)備，機電、通信一體化已成為主流發(fā)展方向。本文就某機床加工中心項目，介紹SiboTech的Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)MCO-421如何實現(xiàn)HMI（人機界面系統(tǒng)）與機床運動控制器的通信。在實現(xiàn)HMI和運動控制器的通信中，泗博自動化的Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)MCO-421表現(xiàn)出了其穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點。
二、系統(tǒng)概述
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能
數(shù)控系統(tǒng)是加工中心的重要組成部分，能控制機床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡，以及其他輔助功能。HMI是操作人員與數(shù)控裝置進行信息交流的工具，主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)各個參數(shù)的狀態(tài)值等監(jiān)視、設(shè)置加工初始值信息等。本加工中心的主要控制部分即運動控制器是德國倫茨的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。該伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用分布式供電結(jié)構(gòu)，由供電模塊和軸模塊兩部分組成，內(nèi)置兩個獨立CAN總線接口，可以完成高速大容量現(xiàn)場通信。HMI與伺服驅(qū)動系統(tǒng)之間進行通信，實時采集機床實際運行中的各項參數(shù)并給定相關(guān)參數(shù)值調(diào)整控制器相關(guān)動作。HMI提供RS485串口作為通信接口，能夠作為Modbus從站與Modbus主站設(shè)備實現(xiàn)現(xiàn)場總線通信。伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為CANopen主站，能實時將控制器參數(shù)上傳到人機界面HMI，并且根據(jù)人機界面HMI的給定量參數(shù)值進行相關(guān)動作調(diào)整。為實現(xiàn)這兩種不同總線協(xié)議之間的通信，SiboTech的Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)MCO-421發(fā)揮了非常重要的作用。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。其中，網(wǎng)關(guān)MCO-421在CANopen側(cè)做CANopen從站，在Modbus側(cè)做Modbus主站。用戶在泗博公司提供的產(chǎn)品配置軟件CM-123中設(shè)置相關(guān)的現(xiàn)場總線參數(shù)及命令，進行不同總線間的數(shù)據(jù)地址映射，并將配置下載到網(wǎng)關(guān)中使其生效，即可實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2、通信網(wǎng)絡(luò)組成
2.1、通信網(wǎng)絡(luò)組成
Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通信協(xié)議，它采用查詢通信方式進行主從設(shè)備的信息傳輸，可尋址1-247個設(shè)備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨設(shè)備查詢兩種方式，二者區(qū)別就是廣播查詢不需要從設(shè)備回應(yīng)信息，主、從設(shè)備查詢通信過程見圖2：
圖2 Modbus主、從設(shè)備查詢響應(yīng)
Modbus協(xié)議常用功能碼如圖3所示：
圖3 Modbus協(xié)議常用功能碼
Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式較ASCII模式能傳輸更多的數(shù)據(jù)，所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)大都采用RTU模式。RTU模式下的信息傳輸報文格式如圖4
圖4 Modbus RTU信息報文格式
它沒有起始位和停止位，而是由至少3.5個字符間隔時間作為信息的起始和結(jié)束標志。信息幀所有字符位由16進制字符0-9、A-F組成。
Modbus RTU通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)：
圖5 RTU通信協(xié)議幀格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數(shù)據(jù)示例：主設(shè)備查詢。
圖6 主設(shè)備查詢格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數(shù)據(jù)示例：從設(shè)備響應(yīng)。
圖7 主設(shè)備查詢格式
2.2 CANopen協(xié)議簡介
在CANopen網(wǎng)絡(luò)中的通信信息以對象來進行描述的。CANopen通信模型定義了4種報文（通信對象）：網(wǎng)絡(luò)管理報文（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO）、過程數(shù)據(jù)對象（PDO）和特殊功能對象。
SDO通過使用索引和子索引（在CAN報文的前幾個字節(jié)），SDO采用客戶機服務(wù)器模式。SDO客戶機能夠訪問設(shè)備（服務(wù)器）對象字典中的條目或項（對象）。 SDO通過CAL中多元域的CMS（CAN-based Message Specification）對象來實現(xiàn)，允許傳送任何長度的數(shù)據(jù)（當數(shù)據(jù)超過4個字節(jié)時分拆成幾個報文）。SDO協(xié)議是確認服務(wù)類型。服務(wù)器為每個消息生成一個應(yīng)答（一個SDO需要兩個ID）。SDO請求和應(yīng)答報文總是包含8個字節(jié)（沒有意義的數(shù)據(jù)長度在第一個字節(jié)中表示，第一個字節(jié)攜帶協(xié)議信息）。
PDO對象用來傳輸實時數(shù)據(jù)，PDO對象采用生產(chǎn)者消費者模式。數(shù)據(jù)從一個生產(chǎn)者傳到一個或多個消費者。數(shù)據(jù)傳送限制在1到8個字節(jié)（例如，一個PDO可以傳輸最多64個數(shù)字I/O值，或者4個16位的AD值）。PDO通信沒有額外的協(xié)議規(guī)定。PDO有兩種類型的使用：數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。它們以TPDO和RPDO區(qū)分。
PDO可以有多種傳輸方式，其中，同步傳輸是指為了使設(shè)備同步，由一個同步應(yīng)用程序周期性地發(fā)送一個同步對象（SYNC對象）。異步傳輸是由遠程幀觸發(fā)傳送或由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件觸發(fā)傳送。
三、Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)MCO-421功能及接口特性
MCO-421是實現(xiàn)CANopen主站和Modbus從站通信的的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)存中有輸入、輸出數(shù)據(jù)緩存區(qū)（分別為512字節(jié)，輸入、輸出針對網(wǎng)關(guān)Modbus端而言）。凡支持Modbus從站接口的設(shè)備都可以通過MCO-421與CANopen主站設(shè)備互聯(lián)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交換。其中MCO-421在與CANopen主站設(shè)備通信時作為CANopen從站，MCO-421在與Modbus從站設(shè)備通信時，作為Modbus主站。泗博自動化也提供CANopen從站設(shè)備（如變頻器等）與Modbus主站設(shè)備（如DCS等）通信的網(wǎng)關(guān)MCO-422。
1、CANopen從站接口特性
- CAN接口和電源端口共用五針端子，支持CAN2.0A協(xié)議
- CANopen支持CANopen DS301V4.02；支持NMT、PDO、SDO；波特率支持5Kbit/s～1Mbps
- 支持CANopen協(xié)議的最多8個字節(jié)的TPDO、最多8個字節(jié)的RPDO、最多4個字節(jié)快速Download SDO和最多4個字節(jié)快速Upload SDO
- TPDO和RPDO可以采用默認的COB-ID，也可以采用用戶自定義的COB-ID，默認的COB-ID：TPDO 的COB-ID只能為：384+節(jié)點地址（0x180+節(jié)點地址） 或 640+節(jié)點地址（0x280+節(jié)點地址） 或 896+節(jié)點地址（0x380+節(jié)點地址） 或 1152+節(jié)點地址（0x480+節(jié)點地址）；RPDO的 COB-ID只能為：512+節(jié)點地址（0x200+節(jié)點地址） 或 768+節(jié)點地址（0x300+節(jié)點地址） 或 1024+節(jié)點地址（0x400+節(jié)點地址） 或 1280+節(jié)點地址（0x500+節(jié)點地址）
- 可支持多達64條TPDO、64條RPDO命令
2、Modbus主站接口特性
- 串口采用DB9（針）端子，支持RS485接口或RS232接口（用戶訂貨時指明），半雙工，波特率：1200~115200bps（支持波特率：1200、2400、4800、9600、19200、38400、56700、115200bps）；數(shù)據(jù)位：8bit；校驗位：無、奇、偶可選；停止位：1位、2位可選
- 支持的功能碼：01H、02H、03H、04H、05H、06H、0FH、10H；
- 支持的通信格式：RTU、ASCII格式
3、其它特性
- 工作電源：直流24V（11V~30V），消耗電流最大為60mA（24V）
- 周圍空氣溫度：-20℃ ～ 60℃，且24小時的平均值不超過45℃（特殊定貨除外）
- 機械尺寸：100mm（長）×700mm（寬）×25mm（深）
- 安裝：35mm導(dǎo)軌
四、Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)MCO-421的配置
1、 Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)MCO-421的硬件配置
通過雙擊網(wǎng)關(guān)面板上的配置按鈕可使MCO-421處于配置狀態(tài)或者正常運行狀態(tài)。
當MCO-421處于配置狀態(tài)（數(shù)碼管顯示“CF”）時，用戶可以通過配套配置軟件CM-123設(shè)置相關(guān)Modbus讀寫命令、CANopen相關(guān)PDO命令等參數(shù)。在配置模式下，雙擊配置按鈕，則網(wǎng)關(guān)能保留當前配置并等待一段時間后會復(fù)位系統(tǒng)，并進入運行狀態(tài)。用戶需使用RS232串口交叉線連接網(wǎng)關(guān)和電腦串口進行配置。當網(wǎng)關(guān)提供的串口（DB9 針）為RS485接口時，用戶還需要RS485/232轉(zhuǎn)換器。
當MCO-421處于正常運行狀態(tài)，數(shù)碼管顯示當前配置的CANopen從站地址。如果CAN發(fā)送異常，數(shù)碼管則顯示“Eo”。
MCO-421的電源接口和CAN接口共用五針端子。其中，CAN接口1KV光電隔離。
2、 Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)MCO-421的軟件配置
網(wǎng)關(guān)串口與電腦串口正確連接，給網(wǎng)關(guān)上電。雙擊配置按鈕使MCO-421處于配置狀態(tài)，打開安裝的配置軟件（產(chǎn)品光盤或者訪問http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp ）。
配置軟件界面如下圖8所示：
在配置軟件主界面，點擊“CANopen”，設(shè)置MCO-421作為CANopen從站的通信波特率、節(jié)點地址等參數(shù)。用戶在軟件中設(shè)置的“CANopen波特率”需和CANopen總線波特率參數(shù)一致（CANopen主站設(shè)備即伺服驅(qū)動系統(tǒng)通信波特率）。
圖8 MCO-421的軟件配置界面
在CANopen從站下配置實際應(yīng)用中需要的TPDO以及RPDO命令，并設(shè)置命令的COB-ID、字節(jié)數(shù)，通過軟件“自動映射”功能自動計算“映射地址”。RPDO的“映射地址”為接收到CANopen主站發(fā)送過來的數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)內(nèi)存輸出緩存區(qū)中的存儲地址。TPDO的“映射地址”為發(fā)送給CANopen主站的數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)輸入緩存區(qū)中的存儲地址。
圖9 RPDO命令的配置界面
在配置軟件主界面，點擊“Modbus”，設(shè)置串口通信參數(shù)：波特率、數(shù)據(jù)位、校驗類型、停止位、傳輸格式等。注意：串口通信參數(shù)需與要連接的Modbus從站設(shè)備（即HMI）的串口通信參數(shù)一致。
圖10 串口通信參數(shù)配置界面
右鍵點擊“Modbus”，在軟件中增加節(jié)點“Node-x”并設(shè)置節(jié)點地址（該節(jié)點地址即為所要連接的Modbus從站設(shè)備HMI的從站地址）及讀寫命令。
圖11 Modbus讀數(shù)據(jù)命令配置界面
在上圖中，節(jié)點1下分別配置了1條讀寄存器命令和1條寫寄存器命令。其中，“讀保持寄存器”命令參數(shù)界面如圖11右側(cè)所示，“Modbus寄存器起始地址”指網(wǎng)關(guān)要讀取的數(shù)據(jù)的寄存器地址。“數(shù)據(jù)個數(shù)”指該命令連續(xù)讀取的寄存器（字）的個數(shù)。“內(nèi)存映射起始地址”指該條命令讀取的HMI相應(yīng)的數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)輸入緩存區(qū)的地址（通過軟件的“自動映射”功能自動分配）。Modbus寫命令的“內(nèi)存映射起始地址”指該條命令發(fā)送給HMI的數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)輸出緩存區(qū)的地址（通過軟件的“自動映射”功能自動分配）。
CANopen命令和Modbus命令的映射地址可通過軟件工具欄按鈕“自動映射”或者“菜單欄、操作、自動映射”自動分配，CANopen命令和Modbus命令映射地址之間的對應(yīng)關(guān)系如下圖所示
圖12 地址映射關(guān)系
“TPDO映射地址”對應(yīng)“1、2、3、4（Modbus讀命令）內(nèi)存映射地址”：網(wǎng)關(guān)讀取Modbus從站設(shè)備（HMI）的數(shù)據(jù)（通過Modbus讀命令）存儲在網(wǎng)關(guān)的輸入緩存區(qū)，并通過配置的TPDO命令將網(wǎng)關(guān)輸入緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送給CANopen主站設(shè)備。
“RPDO映射地址”對應(yīng)“5、6、15、16（Modbus寫命令）內(nèi)存映射地址”:網(wǎng)關(guān)接收CANopen主站設(shè)備（伺服驅(qū)動系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)（網(wǎng)關(guān)接收RPDO命令）存儲在網(wǎng)關(guān)的輸出緩存區(qū)，并通過配置的Modbus寫命令將網(wǎng)關(guān)輸出緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送給Modbus從站設(shè)備。
五、數(shù)據(jù)讀寫舉例
假如在配置軟件CM-123中做了如下設(shè)置：
圖13 軟件配置舉例
1、HMI伺服驅(qū)動系統(tǒng)
網(wǎng)關(guān)MCO-421在串口側(cè)輪詢輸出03 命令讀取節(jié)點地址為1的HMI的寄存器地址為0的連續(xù)4個數(shù)據(jù)（4個寄存器），并將讀取到的數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)關(guān)輸入緩存區(qū)的0～7字節(jié)位置。 當輸入緩存區(qū)0～7字節(jié)位置數(shù)據(jù)變化時，網(wǎng)關(guān)MCO-421在CANopen側(cè)輸出1條TPDO（COB-ID=0x0181H），即將輸入緩存區(qū)0～7中的數(shù)據(jù)發(fā)送給CANopen主站（伺服驅(qū)動系統(tǒng)）。注意，網(wǎng)關(guān)CANopen側(cè)的TPDO命令為“逢變輸出”，即當輸入緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，才會輸出相應(yīng)映射地址的TPDO命令。即完成伺服驅(qū)動系統(tǒng)對HMI數(shù)據(jù)的讀取。
2、伺服驅(qū)動系統(tǒng)HMI
網(wǎng)關(guān)CANopen側(cè)接收到CANopen主站（伺服驅(qū)動系統(tǒng)）發(fā)送過來的對應(yīng)的RPDO（COB-ID=0x0201H）命令，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲在輸出緩存區(qū)的0～7字節(jié)位置。當輸出緩存區(qū)0～7字節(jié)位置數(shù)據(jù)變化時（配置軟件中，輸出命令方式配置為“逢變輸出”，若配置為“連續(xù)輸出”，則寫數(shù)據(jù)命令與讀數(shù)據(jù)命令類似，按照輪詢周期連續(xù)輸出），網(wǎng)關(guān)在串口側(cè)輸出 配置的16命令，將輸出緩存區(qū)0～7字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點地址為1的HMI的寄存器地址為10的連續(xù)4個寄存器。即完成伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出。
五、結(jié)束語
在該加工中心的數(shù)控系統(tǒng)中，MCO-421作為人機界面和伺服驅(qū)動系統(tǒng)之間的橋梁，能夠使這兩種完全不同的現(xiàn)場總線設(shè)備實現(xiàn)正常數(shù)據(jù)通信。在整個系統(tǒng)中，上海泗博自動化提供的Modbus轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)MCO-421表現(xiàn)了其穩(wěn)定、可靠的性能，大大方便了機械加工行業(yè)各種現(xiàn)場總線的應(yīng)用。
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