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泗博自動化Modbus轉CANopen網關在機械加工行業的應用
——實現人機界面HMI和機床運動控制器的通信
關鍵詞：機械加工行業，Modbus，CANopen，CAN總線，HMI，伺服驅動系統
一、引言
隨著國民經濟飛速發展工業自動化，制造業向著高、精、尖方向發展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術、航空航天的迅猛發展，對機床的精度和生產效率要求也越來越高，主軸轉速12000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精機床已經是機床行業流行的趨勢。現在加工中心逐漸成為機械加工業中最主要的設備，機電、通信一體化已成為主流發展方向。本文就某機床加工中心項目，介紹SiboTech的Modbus轉CANopen網關MCO-421如何實現HMI（人機界面系統）與機床運動控制器的通信。在實現HMI和運動控制器的通信中，泗博自動化的Modbus轉CANopen網關MCO-421表現出了其穩定、可靠的優點。
二、系統概述
1、系統結構及功能
數控系統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是操作人員與數控裝置進行信息交流的工具，主要用來實現系統各個參數的狀態值等監視、設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動系統。該伺服驅動系統采用分布式供電結構，由供電模塊和軸模塊兩部分組成，內置兩個獨立CAN總線接口，可以完成高速大容量現場通信。HMI與伺服驅動系統之間進行通信，實時采集機床實際運行中的各項參數并給定相關參數值調整控制器相關動作。HMI提供RS485串口作為通信接口，能夠作為Modbus從站與Modbus主站設備實現現場總線通信。伺服驅動系統作為CANopen主站，能實時將控制器參數上傳到人機界面HMI，并且根據人機界面HMI的給定量參數值進行相關動作調整。為實現這兩種不同總線協議之間的通信，SiboTech的Modbus轉CANopen網關MCO-421發揮了非常重要的作用。
系統結構如下圖1所示。其中，網關MCO-421在CANopen側做CANopen從站，在Modbus側做Modbus主站。用戶在泗博公司提供的產品配置軟件CM-123中設置相關的現場總線參數及命令，進行不同總線間的數據地址映射，并將配置下載到網關中使其生效，即可實現不同現場總線間數據的雙向傳輸。
圖1 系統結構
2、通信網絡組成
2.1、通信網絡組成
Modbus協議是一種適用于工業控制領域的主從式串口通信協議，它采用查詢通信方式進行主從設備的信息傳輸，可尋址1-247個設備地址范圍。協議包括廣播查詢和單獨設備查詢兩種方式，二者區別就是廣播查詢不需要從設備回應信息，主、從設備查詢通信過程見圖2：
圖2 Modbus主、從設備查詢響應
Modbus協議常用功能碼如圖3所示：
圖3 Modbus協議常用功能碼
Modbus協議有兩種傳輸模式：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據，所以工業網絡大都采用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通信協議幀結構：
圖5 RTU通信協議幀格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：主設備查詢。
圖6 主設備查詢格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：從設備響應。
圖7 主設備查詢格式
2.2 CANopen協議簡介
在CANopen網絡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）：網絡管理報文（NMT）、服務數據對象（SDO）、過程數據對象（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），SDO采用客戶機服務器模式。SDO客戶機能夠訪問設備（服務器）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，允許傳送任何長度的數據（當數據超過4個字節時分拆成幾個報文）。SDO協議是確認服務類型。服務器為每個消息生成一個應答（一個SDO需要兩個ID）。SDO請求和應答報文總是包含8個字節（沒有意義的數據長度在第一個字節中表示，第一個字節攜帶協議信息）。
PDO對象用來傳輸實時數據，PDO對象采用生產者消費者模式。數據從一個生產者傳到一個或多個消費者。數據傳送限制在1到8個字節（例如，一個PDO可以傳輸最多64個數字I/O值，或者4個16位的AD值）。PDO通信沒有額外的協議規定。PDO有兩種類型的使用：數據發送和數據接收。它們以TPDO和RPDO區分。
PDO可以有多種傳輸方式，其中，同步傳輸是指為了使設備同步，由一個同步應用程序周期性地發送一個同步對象（SYNC對象）。異步傳輸是由遠程幀觸發傳送或由設備子協議中規定的對象特定事件觸發傳送。
三、Modbus轉CANopen網關MCO-421功能及接口特性
MCO-421是實現CANopen主站和Modbus從站通信的的協議轉換網關，在網關內存中有輸入、輸出數據緩存區（分別為512字節，輸入、輸出針對網關Modbus端而言）。凡支持Modbus從站接口的設備都可以通過MCO-421與CANopen主站設備互聯并實現數據雙向交換。其中MCO-421在與CANopen主站設備通信時作為CANopen從站，MCO-421在與Modbus從站設備通信時，作為Modbus主站。泗博自動化也提供CANopen從站設備（如變頻器等）與Modbus主站設備（如DCS等）通信的網關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協議
- CANopen支持CANopen DS301V4.02；支持NMT、PDO、SDO；波特率支持5Kbit/s～1Mbps
- 支持CANopen協議的最多8個字節的TPDO、最多8個字節的RPDO、最多4個字節快速Download SDO和最多4個字節快速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+節點地址（0x180+節點地址） 或 640+節點地址（0x280+節點地址） 或 896+節點地址（0x380+節點地址） 或 1152+節點地址（0x480+節點地址）；RPDO的 COB-ID只能為：512+節點地址（0x200+節點地址） 或 768+節點地址（0x300+節點地址） 或 1024+節點地址（0x400+節點地址） 或 1280+節點地址（0x500+節點地址）
- 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）；數據位：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導軌
四、Modbus轉CANopen網關MCO-421的配置
1、 Modbus轉CANopen網關MCO-421的硬件配置
通過雙擊網關面板上的配置按鈕可使MCO-421處于配置狀態或者正常運行狀態。
當MCO-421處于配置狀態（數碼管顯示“CF”）時，用戶可以通過配套配置軟件CM-123設置相關Modbus讀寫命令、CANopen相關PDO命令等參數。在配置模式下，雙擊配置按鈕，則網關能保留當前配置并等待一段時間后會復位系統，并進入運行狀態。用戶需使用RS232串口交叉線連接網關和電腦串口進行配置。當網關提供的串口（DB9 針）為RS485接口時，用戶還需要RS485/232轉換器。
當MCO-421處于正常運行狀態，數碼管顯示當前配置的CANopen從站地址。如果CAN發送異常，數碼管則顯示“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CANopen網關MCO-421的軟件配置
網關串口與電腦串口正確連接，給網關上電。雙擊配置按鈕使MCO-421處于配置狀態，打開安裝的配置軟件（產品光盤或者訪問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”，設置MCO-421作為CANopen從站的通信波特率、節點地址等參數。用戶在軟件中設置的“CANopen波特率”需和CANopen總線波特率參數一致（CANopen主站設備即伺服驅動系統通信波特率）。
圖8 MCO-421的軟件配置界面
在CANopen從站下配置實際應用中需要的TPDO以及RPDO命令，并設置命令的COB-ID、字節數，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主站發送過來的數據在網關內存輸出緩存區中的存儲地址。TPDO的“映射地址”為發送給CANopen主站的數據在網關輸入緩存區中的存儲地址。
圖9 RPDO命令的配置界面
在配置軟件主界面，點擊“Modbus”，設置串口通信參數：波特率、數據位、校驗類型、停止位、傳輸格式等。注意：串口通信參數需與要連接的Modbus從站設備（即HMI）的串口通信參數一致。
圖10 串口通信參數配置界面
右鍵點擊“Modbus”，在軟件中增加節點“Node-x”并設置節點地址（該節點地址即為所要連接的Modbus從站設備HMI的從站地址）及讀寫命令。
圖11 Modbus讀數據命令配置界面
在上圖中，節點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”命令參數界面如圖11右側所示，“Modbus寄存器起始地址”指網關要讀取的數據的寄存器地址。“數據個數”指該命令連續讀取的寄存器（字）的個數。“內存映射起始地址”指該條命令讀取的HMI相應的數據在網關輸入緩存區的地址（通過軟件的“自動映射”功能自動分配）。Modbus寫命令的“內存映射起始地址”指該條命令發送給HMI的數據在網關輸出緩存區的地址（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關系如下圖所示
圖12 地址映射關系
“TPDO映射地址”對應“1、2、3、4（Modbus讀命令）內存映射地址”：網關讀取Modbus從站設備（HMI）的數據（通過Modbus讀命令）存儲在網關的輸入緩存區，并通過配置的TPDO命令將網關輸入緩存區的數據發送給CANopen主站設備。
“RPDO映射地址”對應“5、6、15、16（Modbus寫命令）內存映射地址”:網關接收CANopen主站設備（伺服驅動系統）的數據（網關接收RPDO命令）存儲在網關的輸出緩存區，并通過配置的Modbus寫命令將網關輸出緩存區的數據發送給Modbus從站設備。
五、數據讀寫舉例
假如在配置軟件CM-123中做了如下設置：
圖13 軟件配置舉例
1、HMI伺服驅動系統
網關MCO-421在串口側輪詢輸出03 命令讀取節點地址為1的HMI的寄存器地址為0的連續4個數據（4個寄存器），并將讀取到的數據存儲在網關輸入緩存區的0～7字節位置。 當輸入緩存區0～7字節位置數據變化時，網關MCO-421在CANopen側輸出1條TPDO（COB-ID=0x0181H），即將輸入緩存區0～7中的數據發送給CANopen主站（伺服驅動系統）。注意，網關CANopen側的TPDO命令為“逢變輸出”，即當輸入緩存區的數據發生變化時，才會輸出相應映射地址的TPDO命令。即完成伺服驅動系統對HMI數據的讀取。
2、伺服驅動系統HMI
網關CANopen側接收到CANopen主站（伺服驅動系統）發送過來的對應的RPDO（COB-ID=0x0201H）命令，并將相應的數據存儲在輸出緩存區的0～7字節位置。當輸出緩存區0～7字節位置數據變化時（配置軟件中，輸出命令方式配置為“逢變輸出”，若配置為“連續輸出”，則寫數據命令與讀數據命令類似，按照輪詢周期連續輸出），網關在串口側輸出 配置的16命令，將輸出緩存區0～7字節數據發送到節點地址為1的HMI的寄存器地址為10的連續4個寄存器。即完成伺服驅動系統數據的輸出。
五、結束語
在該加工中心的數控系統中，MCO-421作為人機界面和伺服驅動系統之間的橋梁，能夠使這兩種完全不同的現場總線設備實現正常數據通信。在整個系統中，上海泗博自動化提供的Modbus轉CANopen網關MCO-421表現了其穩定、可靠的性能，大大方便了機械加工行業各種現場總線的應用。
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