1 Práctica MODBUS: Bus Modbus

Transcripción

1 1 Práctica MODBUS: Bus Modbus 1.1 Objetivos El objetivo de esta práctica y de las siguientes es la utilización y la programación de una red modbus. El alumno debe ser capaz de: Diferenciar los tres niveles fundamentales de la red modbus: 1. Nivel físico: RS Nivel de protocolo. Trama básica del protocolo modbus: cabecera, funciones, direcciones, datos, CRC. Organización maestro/esclavo. 3. Nivel de aplicación. Tipos de funciones disponibles en el equipo que se conecta vía modbus. Datos que se pueden leer del equipo. Información que se puede enviar al equipo. Trabajar la red modbus en modo programación y en modo mantenimiento: 1. Programación: montar la red con un maestro y varios esclavos. Programar el maestro para crear un sistema complejo dirigido por el maestro (un PC o un PLC). Aquí se incluye la versión más básica donde el maestro es la herramienta windmill. 2. Mantenimiento: utilizar una herramienta como windmill para capturar la información que circula entre maestro y esclavos con el fin de detectar anomalías. La herramienta trabaja como un espía. 1.2 Primeros pasos con el CP2003 En este apartado el alumno aprenderá a establecer una comunicación básica con el multiconvertidor CP2003 a través de la RS485 mediante protocolo MODBUS para leer información. También aprenderá a trabajar con el windmill en modo maestro de una red modbus y con el windmill en modo espía. El alumno aprenderá qué primeros pasos debe seguir cuando en la vida profesional tiene que poner en marcha un nuevo aparato: ver el manual del equipo, establecer la red, utilizar un programa de prueba (en nuestro caso windmill), intentar los ejemplos más sencillos que da el fabricante en su manual, etc. El CP2003 es un multiconvertidor que mide tensión, intensidad, potencia, etc. Permite enviar dichas medidas a un ordenador o un centro de control a través de una RS485 mediante protocolo MODBUS. En el laboratorio el alumno puede utilizar en vez del CP2003, equipos similares de la casa SACI (MAR144, LDA) con un direccionamiento MODBUS muy similar. El CP2003 está montado sobre una caja con las siguientes conexiones y bornas: Conexión de alimentación. Conexiones para RS485: +, - y GND. Bornas 24V, RL0 y RL1. Son dos salidas por contacto que proviene de 2 relés que llevan internamente el multiconvertidor. Los contactos están colocados entre 24V y RL0, y entre 24V y RL1. A través del protocolo MODBUS se pueden activar y desactivar dichos contactos. Bornas A01 y A02. Son dos salidas analógicas en intensidad que se pueden regular a través del protocolo MODBUS. Normalmente están definidas para que con el valor máximo se obtenga 20 ma y con el valor mínimo 0 ma. J.A. Rodríguez Mondejar 1 de 13

2 Una de las fases de medida de tensión está conectada a través de un divisor de tensión a 220V. El divisor de tensión está formado por una resistencia fija de 100K y una resistencia variable de 100K, también. Además, hay una conexión externa lateral para conectar una carga al convertidor. Con el potenciómetro y la carga, se puede medir tensión, intensidad y potencia en una fase. MODBUS es un protocolo que permite ver a un instrumento desde un sistema remoto como un banco de registros contiguos. Cada registro tiene una dirección dentro del rango 0x0000 a 0xFFFF, y tiene un tamaño de 16 bits. Su equivalente pensando en una CPU es un mapa de memoria de 16 bits en el bus de direcciones y 16 bits en el bus de datos. Según el tipo de instrumento no todos los registros están disponibles y cada uno almacena un determinado tipo de información (tensión, intensidad, etc.) o tiene una determinada función (activar/desactivar un relé, disparar una alarma, etc.). El protocolo MODBUS permite mediante tramas enviadas a través de la RS485 consultar o actualizar el valor de dichos registros. Cada trama corresponde a función o comando dentro del protocolo. La tabla siguiente presenta las funciones o comandos del protocolo que se van a utilizar en esta práctica: Tabla 1 Comandos básicos del protocolo MODBUS Comando Función Modo de uso 0x04 ó 0x03 Lectura de registros M->S: MA,0x04,AH,AL,NH,NL,CRCL,CRCH S->M: MA,0x04,NR,R0H,R0L,R1H,R1L,..,CRCL,CRCH 0x06 0x10 Escritura de un registro Escritura de múltiples registros M->S: MA,0x06,AH,AL,RH,RL,CRCL,CRCH S->M: MA,0x06,AH,AL,RH,RL,CRCL,CRCH M->S: MA,0x10,AH,AL,NH,NL,NB,R0H,R0L,..,CRCL,CRCH S->M: MA,0x10,AH,AL,NH,NL,CRCL,CRCH M->S=Dirección maestro-esclavo S->M=Dirección esclavo-maestro MA=Dirección MODBUS del dispositivo AH,AL=Parte alta y baja de la dirección de un registro NR=Número de bytes transmitidos NH,NL=Número de registros ocupando 2 bytes NB=Número de bytes equivalente al número de registros (2*número de registros) RxH,RxL o RH,RL=Parte alta y baja de un valor leído o a escribir en un registro En la página 3 del manual del equipo CP2003 (ver web del laboratorio) se describe el formato de las tramas que acepta el equipo, que se corresponden con la tabla anterior. A partir de la página 13 del manual hay ejemplos de las tramas que acepta y de las tramas de respuesta. Para poner en marcha la comunicación vía protocolo MODBUS entre el ordenador, que actúa como maestro, y el CP2003, que actúa como esclavo, el primer paso es comprobar que el equipo funciona. Este paso se basa en utilizar los ejemplos que lleva el manual del CP2003. En la práctica profesional, cuando se recibe un nuevo equipo, el primer paso es J.A. Rodríguez Mondejar 2 de 13

3 intentar una comunicación sencilla siguiendo los ejemplos que da el fabricante. En este caso, siguiendo la página 13 del manual, utilizaremos el comando 04 para leer el número de serie del aparato que se encuentra a partir de la dirección 04B0 y que ocupa 5 registros (10 bytes). Se supone que el equipo tiene la dirección MODBUS 4C (76 en decimal). Pasos a seguir: 1. Conecte el CP2003 a la red RS485, si no está ya montado. 2. Conecte el adaptado RS232/RS485 por un lado a la red RS485 y por otro al COM1 del ordenador. 3. Arranque el programa Windmill con la configuración COM1, 9600, 8 bits, sin paridad y un bit de stop. 4. Envíe al CP2003 el siguiente comando escrito en hexadecimal para preguntarle su identidad: 0x4C,0x04,0x04,0xB0,0x00,0x05,CRC. CRC es un número de 16 bits que es calculado como el CRC del resto de la trama. Para incluir el CRC pulse CRC en el menú superior del Windmill. Windmill lo calcula automáticamente cada vez que se envía la trama. Al comando enviado desde el PC, el CP2003 deberá responder tal como muestra la siguiente figura: Nota importante 1: Si varios grupos del laboratorio están conectados al mismo instrumento, sólo un grupo podrá hablar en cada momento con el instrumento. En la ventana de respuesta del windmill del resto de grupos aparecerá la conversación entre el grupo que está hablando (maestro) con el CP2003 (esclavo). Los grupos que sólo escuchan están actuando como espías. El modo espía es muy útil en la práctica para detectar problemas en una red modbus o de otro tipo. Por ejemplo: en un windmill en modo espía se puede ver el verdadero CRC que envía el windmill que está trabajando en modo maestro. J.A. Rodríguez Mondejar 3 de 13

4 Nota importante 2: Si no responde el CP2003 puede ser debido a que la dirección MODBUS utilizada no es la correcta. El CP2003 tiene una dirección MODBUS a la que siempre responde: 0xC7 (199). Esta es una dirección muy útil para mantenimiento pero que no debe utilizarse nunca en operación. Envíe la trama cambiando 0x4C por 0xC7. Para saber cuál es la dirección del dispositivo en operación lea el registro situado en la dirección 0x04B5 (0xC7,0x04,0x04,0xB5,0x00,0x01,CRC). Con esta nueva dirección intente nuevamente leer 5 registros a partir de la dirección 0x04B0. En la página 13 del manual se describe lo que envía el CP2003 (primer ejemplo). A lo largo del manual del CP2003 aparecen una serie de tablas donde se indica la información que se puede encontrar en cada dirección o la función que se puede ejecutar. Por desgracia, las direcciones indicadas no son absolutas, sino relativas a una dirección base. En el caso del CP2003 la dirección base es 1000 (si no se modifica). Por ejemplo: en la tabla del apartado se dice que el número de serie se encuentra a partir del registro situado en la dirección 200. La verdadera dirección no es 200 sino 1200 (0x4B0), como ya hemos visto en el ejemplo anterior. Siguiendo las páginas 13, 11 y 3 del manual, las breves indicaciones dadas en este apartado y las vistas en clase, explique la trama enviada al CP2003 en el ejemplo anterior y la trama de respuesta del CP2003. Para determinar el verdadero valor del CRC mire lo capturado en el windmill de otro grupo trabajando en modo espía. Pregunta 1: Explique la trama enviada y la respuesta. En este caso y en los siguientes no es necesario indicar el valor real del CRC enviado, basta con indicar CRC al final de la trama). Siguiendo el ejemplo anterior lea el tipo de aparato (ver tabla del manual del CP2003). El número de registros a leer es 3. Póngase de acuerdo con el resto de grupos para evitar demasiadas colisiones a la hora de acceder al CP2003, si está compartido. Pregunta 2: Explique la trama enviada y la respuesta. 1.3 Lectura de datos del CP2003 En este apartado el alumno comprenderá la problemática de trabajar con información de varios tipos (byte, cadena de caracteres, palabra o word, datos en coma flotante) distribuida sobre un esquema rígido de registros de 16 bits. El CP2003 maneja entre otros los siguientes tipos de datos: Byte: ocupa los 8 bits bajos de un registro de 16 bits. La parte alta está a 0. Word o palabra: ocupa un registro completo de 16 bits. IEEE754 de 32 bits (IEEE32 en adelante): es el formato de coma flotante simple (32 bits) y ocupa 2 registros. Cuando se transmite, primero se envía el registro bajo y después el registro alto. En el anexo 2 (página 17 del manual del CP2003) se explica cómo pasar de coma flotante en binario a decimal. Ejemplo: 0x40 0xA0 0x00 0x00 significa 5. El ejemplo anterior cuando se transmite aparece en la trama como 0x00 0x00 0x40 0xA0. String o cadena de caracteres: Es una cadena de caracteres que utiliza registros contiguos, 1 registro por cada 2 caracteres. Es el caso del ejemplo anterior Lectura de datos de tipo byte J.A. Rodríguez Mondejar 4 de 13

5 Siguiendo la tabla del apartado 1.2.6, leer la dirección modbus del equipo. Para ello enviar al CP2003 la trama: 0x4C,0x04,0x04,0xB5,0x00,0x01,CRC. El equipo responderá con la dirección del equipo. Pregunta 3: Explique brevemente la trama enviada y la respuesta Lectura de datos de tipo IEEE Siguiendo la tabla del apartado leer la escala de intensidad del aparato. Recuerde que ocupa 2 registros. Comprobar que coincide que lo indicado en la tabla de características del aparato (5A). Utilice el anexo 2 del manual del CP2003. Pregunta 4: Explique la trama enviada y la respuesta. Calcule el valor en decimal. De igual forma preguntar al CP2003 por la escala de tensión. Pregunta 5: Calcule el valor en decimal de la respuesta. De igual forma preguntar al CP2003 por un valor de tensión en una de las entradas. Hay que descubrir entre qué fases está conectado el potenciómetro, a partir de los manuales del aparato. Pregunta 6: Calcule el valor en decimal de la respuesta con el potenciómetro al máximo y al mínimo. Opcional. Colocar una carga y leer el valor en intensidad de la carga. Hay que descubrir a qué fase está conectada la carga. Pregunta 7: Opcional. Calcule el valor en decimal de la respuesta. 1.4 Escritura de datos en el CP Manejo de relés para activar pilotos Mediante la función de escritura (0x06 o 0x10) se puede activar los 2 relés de salida del CP2003 (RL0 y RL1). J.A. Rodríguez Mondejar 5 de 13

6 24V RL0 RL1 0V HV1 HV2 Para probar el funcionamiento de los relés conecte las salidas RL0 y RL1 según el siguiente esquema a la placa de pilotos ( pupitre de mando, ver figura). Como fuente de alimentación utilice la fuente de alimentación de los bastidores de los autómatas (bornas rojas rotuladas con +24V y bornas negras GND, ver figura). Para el resto de convertidores la conexión es la misma. Pupitre de control: Pulsadores con contacto NO HV1 HV2 HR SV1 SV2 SR Pulsador de seta de Paro de Emergencia Piloto de señalización Pulsador con contacto NC Conmutador de 3 posiciones SC J.A. Rodríguez Mondejar 6 de 13

7 Bastidor con PLC: Fuente de alimentación PLC Entradas/s 24V 0 V Según el manual del CP2003 para trabajar con los relés primero hay que configurarlos en modo SW y después activarlos o desactivarlos (página 11 del manual). Siga los siguientes pasos: 1. Envíe la trama siguiente 0x4C,0x06,0x04,0xB9,0x00,0x01,CRC para configurar los relés en modo SW (Tabla del apartado 1.2.7). 2. Envíe 0x4C,0x06,0x04,0xBA,0x00,0x01,CRC para activar el RL0. 3. Envíe 0x4C,0x06,0x04,0xBA,0x00,0x00,CRC para desactivar el RL0. Realice la misma maniobra de activar y desactivar con el relé RL1. Pregunta 8: Indique las tramas enviadas y su respuesta para el caso activar y desactivar el relé RL Manejo de relés para controlar un motor En este apartado el alumno comprenderá la importancia de la seguridad y cómo solucionarla insitu para evitar males mayores. Por desgracia, las comunicaciones tienden a ocultar la problemática de los sistemas reales. Situaciones que no ocurren cuando se dan órdenes a un equipo en local pueden ocurrir cuando se dan en remoto, es decir, a través de un sistema de comunicaciones. Ejemplo: una situación evidente como es no dar orden a un motor para que gire en dos sentidos simultáneamente, puede presentarse a través de órdenes enviadas vía comunicación. Esto hace necesario la implantación de circuitos de protección en el sistema a controlar, como son los enclavamientos. J.A. Rodríguez Mondejar 7 de 13

8 Monte el siguiente circuito para controlar el giro de los motores mediante RL0 y RL1. 24V Circuito de control Circuito de potencia 24V RL0 RL1 KA KA KA KA KA1 A2 A1 HV1 KA2 A2 A1 HV2 M Para ello utilice la placa pupitre de control anterior y la placa siguiente simulador de planta. Simulador de planta: Final de carrera SF1 BI M SF2 Sensor de proximidad inductivo Relé KA1 KA2 Sensor de proximidad capacitivo Motor El esquema para conexión de los relés es el siguiente: Un relé es un elemento electromecánico de control formado por contactos (11 con 12 y 14, 21 con 22, 24, etc.) cuya apertura y cierra se controla a través de una bobina (A1, A2). Cuando no pasa corriente por la bobina el relé está en reposo y se permite el paso de la corriente a través de (21-22 y 31-32), tal como indica la figura. Cuando pasa corriente suficiente, la bobina se activa y los contactos basculan hacia la posición contraria. Ahora se permite el paso de la corriente a través de (21-24 y 31-34). Active RL0 y RL1 para arrancar el motor en giro a derechas, giro a izquierdas y pararlo. J.A. Rodríguez Mondejar 8 de 13

9 Pregunta 9: Por qué no ocurre nada catastrófico si simultáneamente se envía orden de giro a derechas y giro a izquierdas al motor desde el Windmill? Manejo de salidas analógicas En este apartado el alumno aprenderá a manejar una salida analógica en intensidad desde el ordenador y en formato coma flotante. Siga los siguientes pasos: 1. Conecte un multímetro con la escala en 20 ma o superior a la salida A01 del multiconvertidor CP Configure la salida A01 como manual escribiendo en la posición de memoria CONF_MANUAL. 3. Envíe la trama de ejemplo dada en la página 15 para escribir en la salida A01 (posición AN_OVER0). Calcule qué valor se envía (está en formato IEEE32). Compruebe el valor que mide el multímetro con el valor enviado. 4. Vuelva a realizar el paso 3 para conseguir que el multímetro marque 20 ma y -20 ma. Si el equipo es de 0-5 ma, en vez de 20 ma utilice 5mA. Pregunta 10: Indique la trama enviada para conseguir -20 ma (o en su caso -5 ma) 1.5 Manejo de 2 o más equipos desde la red MODBUS En este apartado el alumno trabajará con dos o más esclavos sobre una única red modbus. El objetivo es entender la importancia de la dirección física: cada equipo en la red modbus debe tener una dirección diferente. Siga los siguientes pasos: 1. Póngase de acuerdo con otros grupos para asignar a cada equipo una dirección diferente. Por ejemplo: CP2003 del grupo 1 tiene la dirección 1, CP2003 del grupo 2 tiene la dirección Cambie la dirección de su equipo por la dirección asignada. Puede utilizar la dirección actual del equipo o la dirección Conecte la red RS485 entre varios grupos: por un lado estarán los multiconvertidores conectados y por otro lado los ordenadores personales. Uno de los ordenadores actuará como maestro y el resto como espía. 4. Compruebe que se pueden activar y desactivar los relés de cada uno de los multiconvertidores. Si no se ha desmontado la parte de motores, se puede comprobar el control de la red de motores. Pregunta 11: Dibujo de la red RS485 con los equipos conectados y su dirección. 1.6 Programación de un red MODBUS En este apartado el alumno aprenderá los rudimentos básicos para montar una aplicación de control sobre una red MODBUS. J.A. Rodríguez Mondejar 9 de 13

10 Una vez cubierta la fase de familiarización de la red MODBUS y con los equipos conectados a ella, el siguiente paso es dotarse de las herramientas necesarias para poder montar una aplicación. Dos tipos de herramientas son necesarias: 1. Preparar una librería que encapsule los detalles de la red MODBUS y las operaciones repetitivas. Esta librería debería estar formada por: Utilidades para preparar la trama como el cálculo del CRC, convertir un número real a formato IEEE sobre MODBUS y viceversa, etc. Funciones para ensamblar y desensamblar la trama. Funciones para transmitir y recibir la trama. 2. Programas de prueba más sofisticados que Windmill. Windmill es muy útil pero está muy limitado: para cualquier comunicación hay que bajar al nivel byte. Si se quiere probar que los relés de los multiconvertidores funcionan correctamente vendría muy bien una aplicación del tipo: > 23 RL0 1 > 23 OK > 23 RL0 0 > 23 OK El objetivo de los siguientes apartados es crear un librería que pueda ser utilizada en prácticas posteriores, y crear un programa de prueba para manejo cómodo de los relés Cálculo del CRC El objetivo es construir una función para el cálculo del CRC. Siguiendo las notas dadas al final del manual del CP2003 o en la propia documentación para implantación del MODBUS sobre una línea serie, programe una función para calcular el CRC con el polinomio del MODBUS. El prototipo de la función será: // Obtiene el CRC de 16 bits según MODBUS de una cadena de bytes unsigned char *MODBUSCRC(int l, // Tamaño de la cadena unsigned char *pb, // Dirección de la cadena de bytes unsigned char *pcrc // Dirección de una cadena de 2 // bytes donde se deposita el CRC // calculado ); // Devuelve la dirección de dicha cadena Para probar la función puede utilizar las propias tramas transmitidas o la que aparece como respuesta en el apartado 1.2. Como programa de prueba puede utilizar el siguiente: int main(){ unsigned char mc[5]={0xc7,0x04,0x02,0x53,0x41}; // CRC es CDE1 unsigned char mcrc[2]; MODBUSCRC(5,mc,mCRC); printf("%02x%02x",mcrc[0],mcrc[1]); return 0; } J.A. Rodríguez Mondejar 10 de 13

11 Para programar utilice el entorno MinGW de la práctica 3 de Fundamentos de comunicaciones industriales : Para programar el CRC resultan útiles los siguientes operadores y recomendaciones de C: >> permite desplazar hacia la derecha los bits de un número n posiciones (a=b>>n;) << para desplazar hacia la izquierda. permite realizar la función OR de dos números bit a bit (a=b c); & permite realizar la función AND de dos números bit a bit (a=b&c); Una variable de tipo int ocupa 32 bits, lo mismo que un float (IEEE32). Para obtener el byte más alto de un número b de 32 bits: a=b>>24. De la misma manera se procedería con el resto de bytes. Para asignar el byte más alto de un número a un determinado valor respetando el resto habría que hacer: a=(a&(0x00ffffffl)) (b<<24). Pregunta 12: Comprobar el cálculo del CRC con una trama de respuesta del CP Rutina para transmitir y recibir una trama Programe una función para transmitir una trama y otra para recibir basándose en APIRS232. Los prototipos de las funciones serán: // Envía una trama int MODBUSEnvia( HANDLE hport, int l, // Tamaño de la trama unsigned char *pb // Trama a enviar con CRC incluido ); // Devuelve 0 si ha habido error en la transmisión, 1 si no ha habido // Recibe una trama int MODBUSRecibe( HANDLE hport, int lmax, // Tamaño máximo admisible de la trama unsigned char *pb // Trama recibida ); // Devuelve 0 si ha habido error en la recepción, >=1 indica la longitud de la trama Para probar la función se utilizará el siguiente programa de prueba. int main(){ unsigned char mc[8]={0xc7,0x04,0x04,0xb0,0x00,0x01,0x00,0x00}; unsigned char mcrec[100]; int l; hport=openserialport("com1",cbr_9600,8,noparity,twostopbits,10); J.A. Rodríguez Mondejar 11 de 13

12 if (hport==invalid_handle_value) { printf("error abriendo puerto com1"); return 1; } MODBUSCRC(6,mc,mc+6); printf("\ntrama enviada: "); MODBUSImprime(8,mc); MODBUSEnvia(hPort,8,mc); l=modbusrecibe(hport,100,mcrec); printf("\ntrama recibida: "); MODBUSImprime(l,mcRec); CloseSerialPort(hPort); return 0; } La función MODBUSImprime tiene el siguiente código: // Imprime la trama por pantalla void MODBUSImprime( int l, unsigned char *pb){ int i; for(i=0;i<l;i++){ printf("%02x",pb[i]); } } Pregunta 13: Entregar el código para transmitir y recibir (mondejar@upcomillas.es) Programa de prueba para relés A partir de las rutinas anteriores, preparar un programa de prueba para relés que permita activar y desactivar cómodamente los reles de cada multiconvertidor conectado a la red MODBUS. La interfaz hombre-máquina de dicho programa será de este estilo en una versión simple: > 23 RL0 1 > 23 RL0 0 > 2 RL0 1 > 2 RL0 0 El primer caso está dirigido al multiconvertidor con la posición 23 y el segundo al multiconvertidor con la posición 2. Pregunta 14: Entregar el código para probar los relés (mondejar@upcomillas.es) J.A. Rodríguez Mondejar 12 de 13

13 1.6.4 Opcional Programa de prueba para relés con chequeo Mejorar el programa anterior para chequear que la trama de vuelta es correcta. El IHM (interfaz hombre-máquina) sería ahora: > 23 RL0 1 > 23 OK > 23 RL0 0 > 23 OK > 2 RL0 1 > 2 OK > 2 RL0 0 > 2 OK Donde OK indica que la respuesta dada por el multiconvertidor es correcta. Pregunta 15: Opcional. Entregar el código para probar los relés (mondejar@upcomillas.es) Opcional Programa de prueba para las salidas analógicas Ampliar el programa anterior para probar las salidas analógicas: > 23 A01 50 > 23 OK > 23 A02 75 > 23 OK > 2 RL0 1 > 2 OK > 2 A > 2 OK Pregunta 16: Opcional. Entregar el código ampliado (mondejar@upcomillas.es) J.A. Rodríguez Mondejar 13 de 13