郭慶+秦明達(dá)+許金

摘 要： 為了使PLC控制器能夠與BACnet國(guó)際樓宇自動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)契合，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于STM32控制芯片和MS/TP協(xié)議的PLC控制器?？刂破骺赏ㄟ^(guò)梯形圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，具有完整的控制邏輯，滿足BACnet的一致性要求。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，PLC控制器可以使用RS 485總線與PC上的BACnet虛擬機(jī)進(jìn)行通信，達(dá)到0.596 ms的響應(yīng)時(shí)間，并滿足PLC的穩(wěn)定性，具有編程簡(jiǎn)單、高效、實(shí)時(shí)性好、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： PLC控制器； BACnet； MS/TP； STM32； 樓宇自動(dòng)控制； 梯形圖編程

中圖分類號(hào)： TN876?34； TN710.1； TP368.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）02?0038?06

Abstract： To make PLC controller fit with the international building automation control standard of BACnet， the programmable logic controller （PLC） based on STM32 control chip and MS/TP protocol was designed and developed. The controller can be programmed in spot by using the ladder diagram， and has complete control logic to meet the conformance requirements of BACnet. The experiment result shows that the PLC can communicate with BACnet virtual machine on PC via RS 485 bus， whose response time can reach to 0.596 ms， and meet the stability of the PLC. The PLC has the characteristics of simple and efficient programming， high real?time performance， and stable operation.

Keywords： PLC controller； BACnet； MS/TP； STM32； building automation control； ladder diagram programming

0 引 言

PLC（Programmable Logic Controller）作為靈活方便、通用性強(qiáng)、可靠性高、接口簡(jiǎn)單、編程容易、穩(wěn)定實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)控制器，是目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)控制器之一。在空調(diào)控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)以及其他樓宇控制系統(tǒng)中，PLC控制器的應(yīng)用也十分廣泛，而隨著樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展和研究，BACnet（Building Automation and Control Networks）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也更多地應(yīng)用到樓宇控制系統(tǒng)中。由于不能便捷地與BACnet網(wǎng)絡(luò)通信，PLC控制器的發(fā)展和使用受到了極大的限制。

基于BACnet協(xié)議的PLC控制器，可以在不改變PLC編程方式的前提下，使操作人員可以從BACnet網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)控到PLC控制器以及其控制設(shè)備的狀態(tài)。這種新型的PLC控制器可以減少編程人員的培訓(xùn)成本，對(duì)我國(guó)智能建筑的發(fā)展和BACnet的研究和應(yīng)用是十分必要的。

1 基于BACnet協(xié)議的PLC控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

BACnet協(xié)議在OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model）模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了最大程度上的精簡(jiǎn)。精簡(jiǎn)后的結(jié)構(gòu)只留下應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[1]。根據(jù)協(xié)議結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的整體自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)采用MS/TP（Master?Slave/Token?Passing data link protocol）作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層，其是BACnet標(biāo)準(zhǔn)自己定義的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，協(xié)議以技術(shù)成熟的EIA?485標(biāo)準(zhǔn)作為物理層，在樓宇自動(dòng)控制中具有較好的穩(wěn)定性和操作性，是目前BACnet標(biāo)準(zhǔn)中使用最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議[1]。

PLC控制器選用STM32F103VET6作為主控芯片，其功能主要分為兩部分：一部分實(shí)現(xiàn)PLC控制器的基本功能，將梯形圖進(jìn)行下載編譯實(shí)現(xiàn)控制功能；另一部分與MS/TP網(wǎng)絡(luò)中的上下層設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)獲取控制信息以及傳輸數(shù)據(jù)等功能?？刂破鞯恼w的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

PLC功能實(shí)現(xiàn)部分：PLC部分程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)PLCopen所規(guī)定使用的IEC 61131?3標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)RS 232總線，實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)梯形圖編程軟件通信以及現(xiàn)場(chǎng)控制功能。

BACnet通信部分：通信程序的設(shè)計(jì)基于MS/TP協(xié)議，通過(guò)RS 485總線與上位機(jī)BACnet虛擬軟件進(jìn)行通信，獲取控制信息和數(shù)據(jù)。PLC根據(jù)控制信息調(diào)用FLASH內(nèi)的PLC程序，進(jìn)行相應(yīng)的控制以及數(shù)據(jù)獲取。

在保證與BACnet網(wǎng)絡(luò)正常穩(wěn)定通信的前提下，整體程序需要更新并調(diào)用PLC控制程序。整體程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

由圖3可知，整體程序完成了PLC控制功能和BACnet通信功能兩部分程序的統(tǒng)一調(diào)用和整體功能的實(shí)現(xiàn)。與網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通信后，依據(jù)獲取數(shù)據(jù)，控制器改變內(nèi)部控制參數(shù)，調(diào)用控制程序；依照控制結(jié)果，被控變量更新，控制器對(duì)下層設(shè)備進(jìn)行控制；如果需要更新PLC控制程序，控制器與上位機(jī)PLC編程軟件通信，更新程序，開始控制程序的下一個(gè)循環(huán)；如果不需要更新程序，控制器直接開始下一個(gè)循環(huán)。endprint

2 PLC基本功能的實(shí)現(xiàn)

PLC功能的實(shí)現(xiàn)主要由兩部分構(gòu)成：一部分將依據(jù)梯形圖解析得到的程序通過(guò)RS 232總線下載到控制器中并將其解析存儲(chǔ)到FLASH中；另一部分程序負(fù)責(zé)循環(huán)調(diào)用FLASH內(nèi)的程序，按照順序執(zhí)行步驟，對(duì)被控變量做出相應(yīng)改變，根據(jù)得到數(shù)據(jù)控制下層設(shè)備。

2.1 梯形圖的解析和下載

梯形圖是IEC 61131?3 PLC標(biāo)準(zhǔn)定義的5種PLC編程語(yǔ)言中應(yīng)用最廣泛的一種，具有簡(jiǎn)單、直觀、實(shí)用[2]等特點(diǎn)，是最簡(jiǎn)單易學(xué)的PLC語(yǔ)言。

梯形圖的解析就是要將簡(jiǎn)單直觀的圖形語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成機(jī)器可識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言，轉(zhuǎn)換的過(guò)程如圖4所示。具體的轉(zhuǎn)換方法如下：

1） 將根據(jù)IEC 61131?3的圖形化編程語(yǔ)言所編寫的梯形圖程序按從左到右、從上到下的順序轉(zhuǎn)換成指令表。

2） 編譯指令表，形成機(jī)器語(yǔ)言。

3） STM32控制芯片通過(guò)RS 232總線將機(jī)器語(yǔ)言從PC端下載到芯片自帶的FLASH中，存儲(chǔ)的起始地址為0x8070000H。

解析得到的PLC程序由于存放在FLASH中，和總程序存放的區(qū)域不同。因此，PLC控制程序不會(huì)因?yàn)榭刂破鞯綦娀蛘呖偝绦虻母淖兌淖儭?/p>

2.2 PLC控制程序的調(diào)用

控制器在與BACnet通信之后，從上層獲得數(shù)據(jù)，更新控制參數(shù)數(shù)組。進(jìn)入調(diào)用PLC控制程序中。調(diào)用具體過(guò)程如圖5所示。

控制器從PLC程序存儲(chǔ)的FLASH首地址0x8070000H開始讀取控制程序。根據(jù)PLC的特性，程序是順序執(zhí)行，并沒(méi)有跳轉(zhuǎn)和循環(huán)，因此，調(diào)用程序按順序從起始地址開始，逐條讀取?？刂谱兞繒?huì)根據(jù)讀取得到的控制邏輯而改變，直到讀取到“END”指令，PLC控制程序整體結(jié)束時(shí)，控制變量的參數(shù)更新。下層設(shè)備依據(jù)控制變量的變化，做出開關(guān)狀態(tài)的改變，控制程序調(diào)用完成一個(gè)周期。傳統(tǒng)的PLC控制器會(huì)一直不停地調(diào)用控制程序，進(jìn)行一個(gè)又一個(gè)周期的循環(huán)，直至設(shè)備工作結(jié)束，或者需要更新程序。加入MS/TP的PLC控制器，在每個(gè)周期會(huì)與BACnet網(wǎng)絡(luò)上下層設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)更新控制邏輯和控制變量的變化，操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控被控設(shè)備的狀態(tài)變化，如圖6所示。

3 BACnet通信的實(shí)現(xiàn)

BACnet所規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中，MS/TP協(xié)議是使用最廣泛、最穩(wěn)定的協(xié)議。MS/TP協(xié)議的工作過(guò)程通過(guò)接收狀態(tài)機(jī)、主站點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)機(jī)和從站點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)機(jī)三種狀態(tài)機(jī)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。由于主站點(diǎn)接收狀態(tài)機(jī)涵蓋了從站點(diǎn)接收狀態(tài)機(jī)的所有功能。因此，協(xié)議棧設(shè)計(jì)過(guò)程中將兩者合二為一，定義為發(fā)送狀態(tài)機(jī)。

3.1 接收狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)

接收狀態(tài)機(jī)從RS 485總線上接收得到數(shù)據(jù)和控制信息，過(guò)濾掉錯(cuò)誤和目的地址不是本站點(diǎn)的信息。需要注意的是：接收狀態(tài)機(jī)只會(huì)從數(shù)據(jù)幀中獲取數(shù)據(jù)段內(nèi)容和數(shù)據(jù)幀的類型，即BACnet報(bào)文的內(nèi)容，并存儲(chǔ)起來(lái)，但不會(huì)讀取、解析報(bào)文的內(nèi)容。所設(shè)計(jì)的接收狀態(tài)機(jī)中，共有4種狀態(tài)，分別是：

MSTP_RECEIVE_STATE_IDLE（空閑狀態(tài)）

MSTP_RECEIVE_STATE_PREAMBLE（前導(dǎo)同步狀態(tài)）

MSTP_RECEIVE_STATE_HEADER （幀頭狀態(tài)）

MSTP_RECEIVE_STATE_DATA （數(shù)據(jù)狀態(tài)）

以HEADER狀態(tài)為例：當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于PREAMBLE狀態(tài)時(shí)，讀取到同步前碼為“55 FF”，即每一幀數(shù)據(jù)的頭兩個(gè)字節(jié)，表示同步前導(dǎo)正確，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換為HEADER狀態(tài)。HEADER狀態(tài)主要功能是解析接收得到MS/TP數(shù)據(jù)幀中的目的地址和源地址，并對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)。接收狀態(tài)機(jī)處于HEADER狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)機(jī)會(huì)做出以下不同動(dòng)作：接收超時(shí)或錯(cuò)誤時(shí)，數(shù)據(jù)幀會(huì)被狀態(tài)機(jī)丟棄，接收狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)；經(jīng)過(guò)解析得到的源地址不為令牌持有站點(diǎn)或者目的地址不為本站點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或狀態(tài)機(jī)接收到了其他站點(diǎn)的信息，數(shù)據(jù)幀會(huì)被拋棄。接收到的數(shù)據(jù)幀將會(huì)被拋棄，接收狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)；數(shù)據(jù)幀的CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，數(shù)據(jù)幀被認(rèn)為是錯(cuò)誤的，狀態(tài)機(jī)將會(huì)拋棄該數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)；接收到的數(shù)據(jù)幀的目的地址、源地址以及CRC校驗(yàn)正確時(shí)，數(shù)據(jù)幀將會(huì)被保存，接收狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入DATA狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)段的解析。

3.2 發(fā)送狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)控制器為主站點(diǎn)中的一個(gè)時(shí)，發(fā)送狀態(tài)機(jī)的功能除了發(fā)送數(shù)據(jù)幀和需要響應(yīng)的內(nèi)容外，還會(huì)發(fā)送令牌輪詢幀，并產(chǎn)生、收發(fā)令牌幀，以管理和維護(hù)令牌。當(dāng)該站點(diǎn)為主站點(diǎn)并持有令牌時(shí)，會(huì)根據(jù)控制需求發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并分析接收狀態(tài)機(jī)接收得到的數(shù)據(jù)判斷其他站點(diǎn)的響應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)該站點(diǎn)為主站點(diǎn)但不持有令牌或者為從站點(diǎn)時(shí)，發(fā)送狀態(tài)機(jī)會(huì)分析接收狀態(tài)機(jī)接收得到的內(nèi)容，發(fā)送對(duì)應(yīng)的響應(yīng)幀。所設(shè)計(jì)發(fā)送狀態(tài)機(jī)中，共有9種狀態(tài)，分別是：

MSTP_MASTER_STATE_INITIALIZE（初始化狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_IDLE（空閑狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_USE_TOKEN（使用令牌狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_WAIT_FOR_REPLY（等待應(yīng)答

狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_DONE_WITH_TOKEN（令牌使用完畢狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_PASS_TOKEN（傳遞令牌狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_NO_TOKEN（無(wú)令牌狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_POLL_FOR_MASTER（主節(jié)點(diǎn)輪詢狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_ANSWER_DATA_REQUEST（應(yīng)答數(shù)據(jù)請(qǐng)求狀態(tài)）endprint

當(dāng)控制器作為從站點(diǎn)時(shí)，發(fā)送狀態(tài)機(jī)只有初始化狀態(tài)、空閑狀態(tài)和應(yīng)答數(shù)據(jù)請(qǐng)求狀態(tài)三種。

發(fā)送狀態(tài)機(jī)的具體工作流程如圖7所示。

以POLL_FOR_MASTER狀態(tài)為例：發(fā)送狀態(tài)機(jī)處于NO_TOKEN狀態(tài)時(shí)，在500 ms內(nèi)沒(méi)有監(jiān)聽到總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送狀態(tài)機(jī)判斷令牌丟失，需要產(chǎn)生令牌，狀態(tài)機(jī)宣布成為令牌持有主站點(diǎn)，并轉(zhuǎn)入POLL_FOR_MASTER狀態(tài)；當(dāng)發(fā)送狀態(tài)機(jī)處于DONE_WITH_TOKEN狀態(tài)，并且站點(diǎn)作為主站點(diǎn)已經(jīng)使用令牌50次或令牌在主站點(diǎn)傳遞次數(shù)達(dá)到50次，發(fā)送狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入POLL_FOR_MASTER狀態(tài)。POLL_FOR_MASTER狀態(tài)主要功能是發(fā)送主節(jié)點(diǎn)輪詢幀，詢問(wèn)MS/TP網(wǎng)絡(luò)中是否有新的主站點(diǎn)加入。發(fā)送狀態(tài)機(jī)向MS/TP的主站點(diǎn)地址發(fā)送主節(jié)點(diǎn)輪詢幀。

發(fā)送狀態(tài)機(jī)處于POLL_FOR_MASTER狀態(tài)時(shí)：接收到其他主節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)幀，需要向該站點(diǎn)傳遞令牌，發(fā)送狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入PASS_TOKEN狀態(tài)；狀態(tài)機(jī)沒(méi)有接收到主站點(diǎn)的響應(yīng)幀時(shí)，并且沒(méi)有輪詢到所有127個(gè)主站點(diǎn)時(shí)，發(fā)送狀態(tài)機(jī)繼續(xù)處于POLL_FOR_MASTER狀態(tài)，準(zhǔn)備向下一個(gè)主站點(diǎn)發(fā)送主節(jié)點(diǎn)輪詢幀；狀態(tài)機(jī)沒(méi)有接收到主站點(diǎn)的響應(yīng)幀時(shí)，并且輪詢到所有127個(gè)主站點(diǎn)時(shí)，本站點(diǎn)宣布成為單一主站點(diǎn)，MS/TP變?yōu)橹?從網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入U(xiǎn)SE_TOKEN狀態(tài)。

協(xié)議棧的狀態(tài)機(jī)是控制器和BACnet網(wǎng)絡(luò)交互的最核心的內(nèi)容。狀態(tài)機(jī)可以完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能，并對(duì)上下層的請(qǐng)求做出正確的響應(yīng)。在保證傳輸正確性和穩(wěn)定性的前提下，協(xié)議棧將很多不必要的功能進(jìn)行了刪減，并將很多功能進(jìn)行了合并，保證了協(xié)議棧的輕量化，并在一定程度上加快了程序的運(yùn)行速度。

3.3 BACnet報(bào)文（數(shù)據(jù)段）內(nèi)容解析與包裝

從MS/TP數(shù)據(jù)幀中得到的數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)包含網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)（NPDU）和應(yīng)用層數(shù)據(jù)（APDU）。目前，控制器只針對(duì)在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)使用的情況，因此，控制器的設(shè)計(jì)將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的解析進(jìn)行了刪減，控制器只針對(duì)APDU數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

應(yīng)用層數(shù)據(jù)采用的是BACnet標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記編碼方式，這種編碼方式基本上采用ASN.1的基本編碼規(guī)則中的編碼算法，但根據(jù)自身的特點(diǎn)定義對(duì)TLV編碼方式進(jìn)行修改，使之更好地適用于APDU[4]。BACnet的標(biāo)記編碼結(jié)構(gòu)如圖8所示。

解析過(guò)程為：數(shù)據(jù)段的前16位數(shù)據(jù)與BACnet標(biāo)準(zhǔn)中APDU的標(biāo)準(zhǔn)編碼類型進(jìn)行對(duì)比，得到服務(wù)類型。從第17位開始的數(shù)據(jù)內(nèi)容，與BACnet的標(biāo)記編碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)照，解析APDU內(nèi)容。

以解析“10 00 C4 02 00 00 01 22 01 E0 91 00 21 05”為例。根據(jù)圖8所示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和BACnet標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式的規(guī)定，以上數(shù)據(jù)可以做出如下解析：

“10 00”：非證實(shí)服務(wù)“請(qǐng)求”產(chǎn)生的I?AM報(bào)文；

“C4 02 00 00 01”：設(shè)備的對(duì)象類型為8，即為設(shè)備類型；

“22 01”：最大長(zhǎng)度為280 B；

“91 00”：不支持分段；

“21 05”：生產(chǎn)廠商的識(shí)別號(hào)為5。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的8BI，8BO，2AI的基于MS/TP的PLC控制器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試使用BACnet上位機(jī)對(duì)控制器的輸出口進(jìn)行控制，測(cè)試上位機(jī)控制到控制器動(dòng)作經(jīng)過(guò)的時(shí)間，即為控制器的響應(yīng)時(shí)間，測(cè)試到的響應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，控制器的響應(yīng)時(shí)間在0.596 ms左右，而一般的PLC響應(yīng)時(shí)間在4.5 ms左右，相當(dāng)于響應(yīng)速度提升了將近9倍，并且可以靈活應(yīng)用于BACnet網(wǎng)絡(luò)中，相對(duì)于傳統(tǒng)PLC有很大的優(yōu)勢(shì)。

PLC另一個(gè)很重要的參數(shù)是控制器的穩(wěn)定性。分別對(duì)8BO口進(jìn)行500次的開關(guān)測(cè)試，記錄其正確動(dòng)作的次數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可看到，每個(gè)BO在100次的開關(guān)中，均可正確的動(dòng)作，控制器具有良好的穩(wěn)定性，可在控制系統(tǒng)中穩(wěn)定工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于MS/TP的PLC控制器是針對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)BACnet設(shè)計(jì)的。在保證快速響應(yīng)和穩(wěn)定性的前提下，相對(duì)于傳統(tǒng)的PLC，更加靈活、應(yīng)用方式更加簡(jiǎn)便。而和其他的MS/TP現(xiàn)場(chǎng)控制器相比，有著編程簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試更加便捷，對(duì)操作人員的要求也相應(yīng)的降低。熟練使用PLC編程的工程師，可以不經(jīng)過(guò)培訓(xùn)直接對(duì)控制器編程，減少了人員培訓(xùn)的成本。因此，隨著BACnet的不斷發(fā)展和應(yīng)用，基于BACnet協(xié)議的PLC控制器會(huì)很廣泛地應(yīng)用于樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)促進(jìn)樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展而言，有著重大意義。

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