Modbus协议在立体车库实时监控中的应用

周 余，张 伟，丁跃华

(1.重庆复融科技有限公司，重庆 401220；2.重庆工程职业技术学院电气工程学院，重庆 402260)

0 引言

随着我国人民生活水平的不断提高，如今的汽车已经如同电视和手机一样，进入到每个人的生活。随之而来的问题是，我国的汽车保有量在近年出现了爆发式增长，停车位严重供不应求。在这样的背景下，立体车库应运而生。立体车库的安全运行关乎人们的生命财产安全。但传统立体车库由于设备的特殊性和成本限制，尚未实现对载车板运行的实时监控。如当载车板运行过程中钢丝绳(或链条)断裂或发生其他机械故障时，控制器无法及时停止载车板运行，也就无法避免重大安全事故的发生。为此，设计了基于Modbus协议的数据采集系统。

1 系统设计

本系统由可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)、Modbus通信模块、ZigBee模块、倾角开关四个部分构成，其结构如图1所示。

倾角开关安装在载车板上，随着载车板的运行一起升降横移。倾角开关通过Modbus协议与PLC通信，将立体车库中载车板的姿态信息实时传送给PLC。但由于立体车库的特殊性，倾角开关的供电和信号传输线路不便采用有线连接的方式。本设计采用基于ZigBee协议的无线数据传输模块，实现倾角开关与PLC之间的无线通信。ZigBee协议依据IEEE 802.15.4标准，以接力的方式将数据从一个传感器传递到另一个传感器[1]。ZigBee协议是一种低成本、低功耗、可靠性高且复杂度低的短程无线通信协议，能够满足小型、低成本的固定、便携或移动设备的无线组网要求[2]。由于倾角开关和ZigBee模块的功耗低，因此本设计采用可充电锂电池供电，由立体车库中已有的线路，为锂电池周期性地充电。

PLC选用西门子S7 315F-2DP，Modbus通信模块选用西门子CP341-RS485/422(以下简称CP341)。PLC 与CP341之间通过背板总线连接；CP341与Zigbee模块、ZigBee模块与倾角开关之间都采用标准两线制RS-485总线[3](以下简称总线)相连。

PLC通过CP341不间断地向倾角开关发出数据请求，倾角开关根据PLC发出的请求，将指定寄存器中保存的载车板的姿态信息发送给PLC。由于在控制器与倾角开关之间布线复杂而困难，因此采用ZigBee模块进行无线通信。在本设计中，只需要将ZigBee之间的无线连接想象为一根标准两线制总线即可。

ZigBee主站(Coordinator)与CP341相连，ZigBee从站与倾角开关相连。ZigBee主站与CP341的波特率应当一致，但应当大于ZigBee从站，ZigBee从站各自的波特率可以互不相同。

ZigBee模块的工作电压为DC 5～38 V。与CP341连接的ZigBee模块为主站(称为ZigBee主站)，ZigBee主站与CP341共用DC 24 V电源；与倾角开关相连的ZigBee模块为从站(称为ZigBee从站)。由于倾角开关的工作电压为DC 5 V，因此ZigBee从站与倾角开关共用DC 5 V电源。

2 Modbus协议

Modbus协议由美国Modicon公司于1979年提出[4]。由于其传输机制简单、可靠，至今仍广泛应用于现场工业组网中。Modbus协议采用主从工作方式[5]。在同一个通信网络中，只存在一个主站。通信以主站和从站之间的请求和响应形式，或者主站通过广播的形式向所有从站发送指令的形式建立[6]。Modbus协议可以选择的传输方式有两种，美国信息交换标准码(american standard code for information interchange，ASCII)模式和远程终端单元(remote terminal unit，RTU)模式[7]。本设计采用RTU模式。

PLC为Modbus主站，通过CP341主动发起通信请求；倾角开关为Modbus从站，被动地根据主站的请求发送指定寄存器中的数据。主站不间断地将消息帧发送到总线上。总线上的所有从站都将消息帧包含的站地址与自己的进行比较。站地址相同即执行消息帧中的功能码对应的请求，不同则丢掉消息帧且不响应任何请求。

本设计中，设定Modbus通信的格式为数据位8位、停止位1位，无校验。Modbus协议要求通信双方之间的通信格式一致，否则无法建立通信。Modbus协议共有8个功能码，分别是01H、02H、03H、04H、05H、06H、0EH、10H。不同的功能码代表不同的请求[8]。本设计用到功能码03H，用于读取倾角开关多个寄存器数据。通过查询倾角开关用户手册，其内部寄存器地址0x34开始的12个字节的数据分别为X轴、Y轴、Z轴的倾斜角度、角速度、加速度的原始数据，因此消息帧格式如表1所示。

表1 消息帧格式

3 程序设计

编程软件为SIMATIC STEP 7 V5.5。打开编程软件后，首先新建一个项目，并将S7-300添加到项目中。打开硬件组态界面，将PLC和CP341添加到硬件组态中，并打开CP341的参数设置界面。按照前文所述设置Modbus通信参数，保存并编译后，将硬件组态下载到硬件中。完成上述操作后，打开项目中的OB1程序块，开始编程。本系统的程序主要包括两个部分：数据收发模块程序和数据处理模块程序。

数据收发模块的程序流程如图3所示[9-10]。

图2 数据收发模块的程序流程图

从站1和从站2的发送数据块分别为DB110和DB111。从站1的发送数据块如表2所示。从站2的发送数据块只需将站地址slave_adr改为B#16#11。从站1和从站2的接收数据块分别为DB120和DB121，包含一个长度为50的整型数组变量inidata[...]。在OB1中调用FB7(P_RCV_RK)和FB8(P_SND_RK)，并编写好轮询程序[10]，循环发送DB110和DB111中的消息帧。

表2 从站1的发送数据块

数据处理模块需要将接收数据块DB120和DB121中接收到的载车板的倾斜角度、角速度、加速度的原始数据inidata[n]，分别通过式(1)～式(3)，换算为对应的倾斜角度、角速度和加速度的实际值，并存储到数据块DB300和DB301中。

①倾斜角度计算公式为：

(1)

式中：n取值为10～12，计算结果分别表示X、Y、Z轴的倾斜角度。

②角速度计算公式为：

(2)

式中：n取值为4～6，计算结果分别表示X、Y、Z轴的角速度。

③加速度计算公式为：

(3)

式中：n取值为1～3，计算结果分别表示X、Y、Z轴的加速度；g为当地重力加速度。

4 结果分析

当安装有倾角开关和Zigbee模块的载车板作升降或横移运动时，数据块DB300和DB301中的数据实时更新。PLC实时读取载车板的姿态信息如表3所示。

表3 载车板的姿态信息

由于在运动过程中，载车板受到空气流动和自身机械结构震动的影响，其倾斜角度、角速度、加速度的值并不是一个恒定值，而是在一个极小的区间内波动。假设载车板运行正常时，其倾斜角度、角速度、加速度的波动范围的绝对值分别为Δd1、Δd2、Δd3，则可以分别从以下两大类情况分析载车板的倾斜角度、角速度、加速度与其运行状态之间的关系。

若载车板的倾斜角度值的波动范围小于等于Δd1，则表示载车板运行正常；若载车板的倾斜角度值的波动范围大于Δd1，则表示载车板可能发生了倾斜。此时，PLC应当控制载车板的横移电机立即停止运行。

载车板作匀速横移运动时，X轴、Y轴、Z轴的角速度应当近似为0。若载车板的角速度值的波动范围小于等于Δd2，则表示载车板运行正常；若载车板的角速度值的波动范围大于Δd2，则表示载车板可能发生了倾斜。此时，PLC应当控制载车板的横移电机，立即停止运行。

载车板作匀速横移运动时，X轴、Y轴的加速度值应当近似为零；Z轴的加速度受地球引力的影响，其值应当近似为重力加速度。若载车板的加速度值波动范围小于等于Δd3，则表示载车板运行正常；若载车板的加速度值的波动范围大于Δd3，则表示载车板可能发生了倾斜。此时，PLC应当控制载车板的横移电机立即停止运行。

5 结束语

本设计中的Modbus通信协议基于标准两线制RS-485总线。由于RS-485总线结构简单、传输数据量大、容错能力强，因此Modbus协议的数据传输可靠性高、实时性表现优异。而通过ZigBee模块替代有线连接实现无线通信，解决了在立体车库中布线困难的问题。综上所述，本设计实现了对载车板运行过程的实时监控，消除了电气监控盲区，解决了传统立体车库运行的安全问题，为传统立体车库的智能化改造和立体车库本身的广泛应用，提供了一种可靠性高、成本可控、易于实现的解决方案。