基於Modbus現場總線的智慧化工業控制器網路｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	謝孟言 Meng-Yen Hsieh
論文名稱：	基於Modbus現場總線的智慧化工業控制器網路 Intelligent Industrial Controller Network Based on Modbus Fieldbus
指導教授：	陳慶瀚 Pierre Chen
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	資訊電機學院 - 資訊工程學系 Department of Computer Science & Information Engineering
論文出版年：	2019
畢業學年度：	107
語文別：	中文
論文頁數：	117
中文關鍵詞：	工業現場總線、分散式控制、時間同步
外文關鍵詞：	Modbus, PLC, IEEE 1588
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摘要
在工業物聯網與智慧製造應用的推動需求下，為了達到分散式工業控制器網路的開發和佈署是個重要的課題。本研究設計一個工業控制器網路閘道器，結合Grafcet 虛擬機器，可用於快速開發和佈署與部屬分散式控制器裝備。我們提出一個三微控制器架構的閘道器架構，三個核心分別為通訊協定管理引擎、Modbus裝置管理引擎，和即時資料收集與監控引擎。通訊協定管理引擎負責閘道器與雲端的通訊，提供網實(cyber/physical)系統的實現機制。裝置管理引擎使用Modbus RTU與底層PLC控制器進行通訊管理，此一引擎具有IEEE1588時間同步協定，提供PLC控制器時間戳功能和同步機制。即時資料收集與監控引擎負責資料排序管理功能，讓資料庫管理上具有高效率的資料查詢功能。在論文最後，我們以多個PLC控制器和機械手臂運動控制實驗來驗證此一工業控制器網路的功能可用性和優秀的效能。

Abstract
Under the impetus of industrial IoT and smart manufacturing applications, in order to reach the development and deployment of decentralized industrial controller networks is an important issue. This thesis designed an industrial controller network gateway, combined with the Grafcet virtual machine, for rapid development and deployment with distributed decentralized controller equipment. The research propose a gateway architecture with three microcontroller architectures, three cores are respectively the communication protocol management engine, the Modbus device management engine, the real-time data collection and monitoring engine. The communication protocol management engine is responsible for transmission between the gateway and the cloud system, it provides an implementation mechanism for cyber/physical system. The device management engine uses Modbus RTU to communicate with the underlying PLC controller. This engine hold an IEEE1588 time synchronization protocol that provides PLC controller time stamping and synchronization mechanisms. The real-time data collection and monitoring engine is in charged with the data sorting management function, it is use to let the database management has an efficient data query function. At the end of the study, it based on multiple PLC controllers and robotic arms motion control experiments to validate this industrial controller network functional usability and excellent performance.

目錄
摘要    I
Abstract    II
誌謝    III
目錄    IV
圖目錄    VI
表目錄    X
第一章 緒論    1
1.1、研究背景    1
1.2、研究目的    2
1.3、論文架構    3
第二章 技術回顧    4
2.1、物聯網閘道器    4
2.2、Modbus現場總線通訊協定    6
2.3、PLC與IEC61131-3標準    11
2.4、精密時鐘同步協定    17
2.4.1、PTP封包格式    20
第三章 PLC控制器網路架構設計    23
3.1、PLC控制器網路架構    23
3.1.1、通信協定管理引擎設計    24
3.1.2、即時資料蒐集與監控引擎設計    26
3.1.3、Modbus裝置管理引擎設計    27
3.1.4、Modbus裝置時間同步設計    28
3.2、PLC控制器設計    29
第四章 PLC控制器網路實作    39
4.1、Modbus總線閘道器實作    39
4.1.1、通信協定管理引擎實作    39
4.1.2、即時資料收集與監控引擎實作    43
4.1.3、Modbus裝置管理引擎實作    44
4.1.4、Modbus裝置時間同步實作    46
4.2、PLC控制器實作    48
4.3、系統合成    57
第五章 PLC控制器網路實驗    59
5.1、硬體開發環境    59
5.2、硬體實驗架構圖    63
5.3、Modbus總線閘道器驗證    63
5.3.1、通信管理引擎驗證    63
5.3.2、即時資料蒐集與監控引擎驗證    71
5.3.3、Modbus裝置管理引擎驗證    76
5.3.4、Modbus時間同步驗證    79
5.4、PLC控制器驗證    81
5.5、機械手臂同步控制驗證    92
第六章 結論與未來展望    98
6.1、結論    98
6.2、未來展望    99
參考文獻    100

 
圖目錄
圖2.1、典型的物聯網架構    4
圖2.2、Modbus通信流程    6
圖2.3、傳統 Modbus封包格式    8
圖2.4、Modbus Function Code的種類與其範圍    8
圖2.5、Modbus RTU封包格式    9
圖2.6、Modbus ASCII封包格式    10
圖2.7、Modbus TCP/UDP 封包格式    10
圖2.8、MBAP標頭內容    11
圖2.9、IL指令語句表    14
圖2.10、LD語言的PLC 程式    15
圖2.11、FBD語言的PLC 程式    15
圖2.12、ST指令語句表    16
圖2.13、 SFC 語言的PLC程式    17
圖2.14、主時鐘與從時鐘架構    19
圖2.15、PTP封包交換步驟    20
圖4.1、Modbus總線閘道器IDF0    39
圖4.2、通信管理引擎離散事件建模    40
圖4.3、Modbus TCP(eMBPoll)離散事件建模    40
圖4.4、Modbus接收控制器離散事件建模    41
圖4.5、Modbus Function code離散事件建模    42
圖4.6、Modbus回應控制器離散事件建模    42
圖4.7、SPI Transaction離散事件建模    43
圖4.8、即時資料收集與監控引擎離散事件建模    44
圖4.9、Modbus裝置管理引擎離散事件建模    45
圖4.10、Modbus Transaction離散事件建模    46
圖4.11、PTP Master離散事件建模    47
圖4.12、PTP Slave離散事件建模    48
圖4.13、PLC控制器裝置離散事件建模    49
圖4.14、PLC控制器Modbus Function code離散事件建模    50
圖4.15、Counter模式離散事件建模    50
圖4.16、CTU模式離散事件建模    51
圖4.17、CTD模式離散事件建模    51
圖4.18、CTUD模式離散事件建模(一)    52
圖4.19、CTUD模式離散事件建模(二)    52
圖4.20、Timer模式離散事件建模(一)    53
圖4.21、Timer模式離散事件建模(二)    53
圖4.22、TB1模式離散事件建模    53
圖4.23、TB2模式離散事件建模    54
圖4.24、TON模式離散事件建模    54
圖4.25、TOF模式離散事件建模    55
圖4.26、TP模式離散事件建模    55
圖4.27、TRG模式離散事件建模    56
圖4.28、PWM模式離散事件建模    56
圖4.29、TRC模式離散事件建模    57
圖4.30、TRCC模式離散事件建模    57
圖5.1、STM32 Nucleo-144    60
圖5.2、STM32 Nucleo-144實驗開發板正面元件    61
圖5.3、STM32 Nucleo-144實驗開發板背面元件    61
圖5.4、Micro SD Card模組    62
圖5.5、UART轉RS485模組    62
圖5.6、硬體實驗架構圖    63
圖5.7、GRAFCET應用程式編輯器示意圖    64
圖5.8、雲端Modbus TCP/IP與通信管理引擎響應驗證    65
圖5.9、SPI傳送Coding table data通信驗證    66
圖5.10、SPI Master端詢問Modbus裝置管理引擎斷線時間驗證    67
圖5.11、SPI Master端傳送斷線時間至即時資料收集與監控引擎驗證    67
圖5.12、雲端取得底層PLC控制器狀態驗證    68
圖5.13、雲端取得底層PLC控制器計數次數驗證    68
圖5.14、通信管理引擎取得雲端傳送的世界時間驗證    69
圖5.15、詢問Modbus裝置管理引擎PLC控制器狀態驗證    69
圖5.16、詢問Modbus裝置管理引擎PLC控制器counter計數次數驗證    70
圖5.17、SPI Master要求Modbus裝置管理引擎取得世界時間驗證    71
圖5.18、不同的Slave ID及Modus Translation資料示意圖    72
圖5.19、Modbus Poll軟體，透過不同Slave ID傳送數據    73
圖5.20、Slave ID資料夾    74
圖5.21、傳送coding table次數    74
圖5.22、coding table資料    75
圖5.23、裝置斷線時間    75
圖5.24、Modbus RTU Master端問答機制驗證    77
圖5.25、Modbus RTU Master端傳送coding table驗證    78
圖5.26、Master到Slave執行一次Modbus PTP同步所需時間    79
圖5.27、每10秒鐘同步一次Modbus時間同步趨勢圖    80
圖5.28、每2秒鐘同步一次Modbus時間同步趨勢圖    81
圖5.29、Modbus RTU Slave接收coding table響應驗證    82
圖5.30、雲端GPP傳送Action參數    83
圖5.31、GVM解譯，執行狀態與參數驗證(一)    84
圖5.32、GVM解譯，執行狀態與參數驗證(二)    85
圖5.33、CTU波行驗證    86
圖5.34、CTD波行驗證(一)    87
圖5.35、CTD波行驗證(二)    87
圖5.36、CTUD波行驗證    88
圖5.37、TB1波行驗證    88
圖5.38、TB2波行驗證    89
圖5.39、TON波行驗證    89
圖5.40、TOF波行驗證    90
圖5.41、TP波行驗證    90
圖5.42、TRG波行驗證    91
圖5.43、TRC波行驗證    91
圖5.44、TRCC波行驗證    92
圖5.45、PLC網路，控制機械手臂架構圖    92
圖5.46、具時間同步機械手臂控制GRAFCET流程圖    93
圖5.47、PLC使用者介面    94
圖5.48、手臂運動示意圖    95
圖5.49、非同步的情況，機械手臂運動誤差。    96
圖5.50、同步的情況，機械手臂運動誤差。    96

 
表目錄
表2.1、部分的公用的功能碼定義    9
表2.2、封包Header格式    21
表2.3、Sync與Delay Req封包格式    21
表2.4、Follow Up封包格式    21
表2.5、Delay Resp封包格式    22
表3.1、節點時間同步功能碼使用說明    29
表4.1、PTP Master離散事件建模說明表    47
表4.2、PTP Slave離散事件建模說明表    48
表4.3、通信管理引擎合成使用的資源    58
表4.4、即時資料收集與監控引擎合成使用的資源    58
表4.5、Modbus裝置管理引擎合成使用的資源    58
表4.6、PLC控制器合成使用的資源    58
表5.1、GPP Action對照表    85
表5.2、具時間同步機械手臂控制流程圖說明表    93
表5.3、PLC控制器網路比較    97


                                

參考文獻
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