中小规模可编程逻辑控制器的研制硕士学位论文 精品.docx

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中小规模可编程逻辑控制器的研制硕士学位论文精品

分类号：

密级：

硕士研究生学位论文

中小规模可编程逻辑控制器的研制

分类号：

密级：

硕士研究生学位论文

中小规模可编程逻辑控制器的研制

专业：

信号与信息处理

研究方向：

信号获取与处理

研究生：

指导教师：

论文起止日期：

2011年4月至2012年5月

Development of SmallandMedium-scale ProgrammableLogicController

Major：

SignalandInformationProcessing

DirectionofStudy：

Signal acquisitionandprocessing

GraduateStudent：

KanWei

Supervisor：

Prof.WengHuihui

SchoolofElectronics&Information

YangtzeUniversity

April,2011toMay,2012

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要

可编程逻辑控制器（PLC），是一种为工业控制特别设计的专用计算机。

因为它易于设置和编程，运行可预估，甚至在恶劣的生产环境下还可以保持正常工作，所以广泛应用于工业控制。

本课题设计了一个基于dsPIC30F4013单片机的小型通用控制器，目的是在小型控制系统中能够替代PLC，实现更加灵活的应用方案并在保证可靠性的基础上大大降低成本。

本课题所设计的系统在硬件上参照PLC的体系结构，在dsPIC30F4013单片机的基础上扩展了丰富的外围设备，实现了PLC的大部分功能，包括中央处理器（CPU）、数字量I/O、高速脉冲HSC、模拟量I/O、串口及以太网通信等，并设计了专门的输入输出点处理电路，使系统具有良好的抗干扰特性和驱动能力。

在软件设计上针对MODBUS通讯协议的特点，采用C函数编程实现了通信数据的提取、解析和发送。

采用CRC校验方法，保证了通信数据的准确性。

基于dsPIC30F4013的中小规模可编程逻辑控制器的研制，适应了工业控制机向嵌入式发展的趋势，提供了更灵活的软、硬件方案，并大大降低了控制系统的成本[13]，具有较高的实用价值。

本控制器是集远程数据采集、计量与自动控制于一体的PLC。

主要市场定位于天然气长输管道的各个阀室中，阀室一般只有阀门和管道，而没有计量调压设备，因此I/O点数相对较少，工艺流程相对简单。

以往用户都是选用进口的PLC控制器来对阀室进行数据采集和监控，一定程度上造成了PLC系统资源的浪费，且其高昂的成本也使用户较难接受。

针对这种情况，我们研制出一款基于MODBUS协议的中小型PLC系统来满足这种特定的市场需求。

系统采用一体化结构并集成了AI、AO、DI、DO和HSC五类信号输入输出通道。

AI通道能采集现场仪器仪表的标准4—20mA信号，通过板内的跳线设置，能接受两线制或三线式仪器仪表；DI通道提供开关数据采集通道，输入信号类型为干触点输入；AO通道有两种可选择的输出信号类型，分别是4—20mA或者1—5V信号；DO通道提供开关数据输出通道，输出信号类型为干触点输出，且可通过板上的拨动开关选择常开触点输出或常闭触点输出两种方式；HSC通道能检测频率不超过15KHz的信号。

现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场设备之间的联系。

MODBUS作为一种有效支持分布式控制和实时控制的现场总线协议，以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低等优点越来越受到人们的重视，并被公认为最有前途的现场总线之一。

很多工业设备，诸如PLC、DCS，智能仪表等都使用MODBUS协议作为它们之间的通信标准。

因此，基于MODBUS协议的现场总线的研究与开发具有非常现实的意义。

本文在简要分析了当前最具影响的几种现场总线协议的基础上，对MODBUS总线协议进行了深入研究,主要包括MODBUSRTU和MODBUSTCP两种协议，设计了基于MODBUS协议的中小规模可编程逻辑控制器，同时对设计的系统的可行性在实际中的应用做了说明，并给出了本控制器在工业现场实际应用的例子，内容包括以下三个部分：

1、研究并阐述了MODBUS协议的格式和定义及其体系结构，对该总线协议的各个部分，包括协议的传输方式、帧的构成、错误校验、功能码等给出了详尽的描述；

2、研究了基于MODBUS协议的中小规模可编程逻辑控制器的设计思想和系统结构，并完成了控制器实物的设计。

该控制器本质上是一种对生产现场进行控制和管理的网络，具有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性，通过专门的接口和设备完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。

3、通过文字、数据、图片等方式展示了该控制器在一个实际的工业工程控制领域的成功应用，体现了设计的基于MODBUS协议的中小规模可编程控制器的可行性。

同时，简要说明了系统应用的情况和市场前景。

通过实际应用表明，基于MODBUS总线协议设计的控制器在可靠性、容错处理、数据交换、系统管理、抗干扰等方面都比传统仪表组成的系统功能强。

在控制系统领域将会有很大的发展空间和市场。

关键词：

PLC,dsPIC30F4013单片机,MODBUS协议,控制器

Abstract

Programmablelogiccontrollers,alsocalledprogrammablecontrollersorPLCs,arespecial-purposecomputersusedforindustrycontrol.Theyareeasytoconfigureandprogram,foreseeablewhenrunning,andcankeepworkingwellevenintoughindustryenvironment.SoPLCsarewidelyappliedinindustrycontrol.Asmallgeneral-purposecontrollerbasedondsPIC30F4013isdesignedinthispaper,asasubstituteforPLCsinsomesmallcontrolsystems.Thiscontrollercanbeconfiguredandprograminamoreflexibleway,andreducesthecostlargelyonthepremiseofgoodreliability.

Inrespectofhardwaredesign,thesysteminthispaperdesignedplentyofperipheralequipmentbasedondsPIC30F4013accordingtothearchitectureofPLCs,realizesmostofthenecessarymodulesofPLCs,includingCPU（CentralProcessUnit）,digitalI/O,HSC（high-speedpulse）,analogI/O,serialportcommunication,human-machine-interface,andsoon.SpecialprocesscircuitsaredesignedforI/Odevice,whichenhancethesystem’sabilityforanti-interferenceanddrive.Astosoftware,accordingtothecharacteristicofMODBUSinformationframe,thesystemachievesthefunctionofcapturing，analyzingandsendinginformationdatabytheprogramcompiledinCfunctionprogramminglanguage.TheapplicationadoptsCRCchecksummethodtoensuretheaccuracyofcommunicationdata．ThedesignofthisembeddedcontrollerbasedondsPIC30F4013complieswiththetrendofthedevelopmentofindustrycontrol,andprovidesamoreflexiblewaytodevelopcontrolsystem,andreducesthecostlargely,butpossessedhighpracticalvalue.

Thiscontrollerisasetofremotedataacquisition,measurementandautomaticcontrolinonePLC.Themajormarketpositionisinthevalvechambersoflonggaspipeline.Valvechambers,generallyonlyhavevalvesandpipes,andnomeasurementofpressurecontrolequipment,sothenumberofI/Opointsisrelativelysmallandtheprocessisrelativelysimple.Inthepast,theusersadopttheimportedPLCcontrollerstodatacollectionandmonitoringforthevalvechambers,tosomeextentitisawasteofresourcesforthePLCsystem,anditisdifficultforuserstoacceptthehighcost.Inviewofthissituation,wedevelopasmallandmedium-sizedPLCsystemsbasedonMODBUSprotocoltomeetthemarketdemand.

ThesystemusestheintegratedstructureandtheintegrationofAI,AO,DI,DO,andHSCfivetypesofsignalswhichareinputandoutputchannels.ThechannelsofAIcancapturethestandard4-20mAsignaloffieldinstrumentation,andtheycanacquirethesignaloftwo-wireorthree-wireinstrumentationthroughboardjumpersettings.ThechannelsofDIprovideswitchdataacquisitionchannels,andthetypeoftheinputsignalisdrycontactinput.ThechannelsofAOhavetwoselectableoutputsignaltypes,namely,4-20mAor1-5Vsignals.ThechannelsofDOprovideswitchdataoutputchannels,andthetypeoftheoutputsignalisdrycontactoutput,besides,wecanselectnormallyopenedcontactoutputornormallyclosedcontactoutputbythepaneltoggleswitch.ThechannelsofHSCcandetectthefrequencywhichisnomorethan15KHzsignal.

Fieldbusisoneofthehotspotinautomationdevelopment，andwhichisregardedasacomputerLANinautomationarea．Asafoundationofindustrialcommunicationnetwork,fieldbuslinksupthefieldequipmentsofproductionprocess．MODBUSfieldbusisatechnologywhichefficientlysupportsdistributedrealtimewithaveryhighlevelofsecurity.Itattractsattentionwithaveryhighlevelofcapabilityandaveryhighlevelofsecurityandaverybetterofanti-jammingandaveryfastofcommunicationspeedandaverylowofmaintenancecostandaparticulardesign.Itisregardedasoneoffieldbuswithexpansibility.Manyindustrialequipments，suchasPLC，DCSandintelligentinstrumentsuseMODBUSastheircommunicationstandards.Itisrealisticmeaningtoresearchanddevelopinstrumentbasedonfieldbus.

Inthisdissertation,themostpopularMODBUStechniquescurrentlyusedarereviewedbriefly,asystematicanalysisontheMODBUSbasedfieldbuscontrolsystemispresented．AGeneral-PurposeControllerbasedonMODBUSisdesignedwhileitsfeasibilityandpotentialapplicationsisdemonstrated．Themainworkofthisdissertationislistedbelow：

First,theformatandthendefinitionofthesystemstructureofMODBUSprotocolareintroducedbriefly.Thispartindetaildescribedthedifferentpartsofthebusprotocol，whichincludethetransmissionmethod,theframestructure,errorverification,functioncode,andsoon．

Second,thedesigntheoryandsystemstructurebasedontheMODBUSprotocolinthefieldbuscontrolsystemareinvestigated．TheGeneral-PurposeControllerisconstructedaccordingtothisprotocol．Thissystembasicallyisacontrolandmanagenetwork,whichhashighreal-time，highreliability,dataintegrality,andusability．Thedataexchangeandtransferbetweenthissystemandthecompanyinformationsystemarerealizedbythespecialinterfacesandequipment．

Third,asuccessfulapplicationoftheGeneral-PurposeControllerisdemonstratedintheareaoftheindustrialengineering,bytext,dataandfigures．TheGeneral-PurposeControllerisprovedbythisapplication．Thepotentialsystemapplicationsandmarketforecastareintroducedaswellinthispart．

Throughtheapplicationintherealworld，comparingwiththetraditionalcontrolsystem,thesystemproposedinthispaperhasbeenfoundthattheMODBUScontrolsystemshowsgreatadvantagesintermsofreliability,error-handling,dataexchange，systemmanagement,aswellasanti-interruptionforenvironmental．Therefore,itwillhaveagreatfutureandmarketininstrumentcontrolarea．

Keywords:

PLC,dsPIC30F4013Microcontroller,MODBUSProtocol,

Controller

目录

摘要I

AbstractIII

目录V

第1章绪论1

1.1课题的研究背景1

1.2可编程逻辑控制器概述1

1.3现场总线5

1.4课题研究的意义10

1.5基于MODBUS协议的控制器的发展现状12

1.6论文的主要研究内容13

1.7本章小结13

第2章MODBUS通讯协议研究14

2.1MODBUS协议标准14

2.3MODBUS协议在串行链路上的实现20

2.4MODBUS协议在TCP/IP上的实现23

2.5本章小结28

第3章中小规模可编程逻辑控制器的方案设计29

3.1系统设计要求29

3.2总体方案设计29

3.3dsPIC30F4013单片机简介30

3.4CPU资源分配32

3.5本章小结34

第4章中小规模可编程逻辑控制器的硬件设计35

4.1基于dsPIC30F4013的最小系统设计35

4.2通信接口电路设计38

4.3系统电源设计42

4.4系统I/O接口电路设计44

4.5本章小结52

第5章中小规模可编程逻辑控制器的软件设计53

5.1开发环境介绍53

5.2总体软件设计53

5.3主站系统软件设计55

5.4从站系统软件设计57

5.5模拟量输入通道接口程序设计63

5.6开关量输入通道接口程序设计64

5.7模拟量输出通道接口程序设计65

5.8开关量输出通道接口程序设计66

5.9高速脉冲计数通道接口程序设计66

6.0本章小结67

第6章系统调试及应用68

6.1上位机软件开发68

6.2系统I/O通道调试69

6.3系统通讯调试69

6.3调试结论70

6.4实际应用70

6.5本章小结73

第7章总结和展望74

7.1全文总结74

7.2展望74

致谢76

参考文献77

个人简介79

第1章绪论

1.1课题的研究背景

可编程逻辑控制器（PLC），又称为可编程控制器（PC）[1]，是一种为工业控制特别设计的专用计算机。

因为它易于设置和编程，运行可预估，甚至在恶劣的生产环境下还可以保持正常工作，所以广泛应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，成为工业自动化领域强有力的工具，并且与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。

在所有的PLC种类中，微型PLC是占有市场份额最大的一种。

微型PLC是指I/O点数少于64点的PLC，这一类PLC主要应用于单台设备的控制，在纺织机械、数控机床、塑料加工机械、小型包装机械和小型疲劳试验机等设备上运用广泛。

微型PLC的应用比例占到所有PLC产品的40%以上。

我国PLC市场绝大部分被国外的产品所占领，主要是欧美，日韩等发达国家，国产化率很低，国内PLC的制造厂家基本上以合资企业为主，拥有自主知识产权的国内厂家很少。

这主要是由于PLC的核心技术被发达国家垄断，尤其是CPU模块，而CPU又是PLC工作的核心部件。

近几年来，随着微控制器技术的发展，