嚴(yán)懷龍

（內(nèi)蒙古烏海市集中收付中心 內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市 016000）

現(xiàn)場總線是控制室內(nèi)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場智能化儀器以及儀表設(shè)備進(jìn)行交互式連接的重要通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，搭載現(xiàn)場總線可實(shí)現(xiàn)具有多節(jié)點(diǎn)、多變量、雙向性、可串行以及數(shù)字化特點(diǎn)智能設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)采集，以現(xiàn)場總線技術(shù)為支持的現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)憑借可操作性高、全分散性、全數(shù)字化、以及全開放性的性能優(yōu)勢，備受業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視，更成為了工業(yè)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展轉(zhuǎn)型中的重要成果。本文即搭載現(xiàn)場總線技術(shù)，研究PLC可編程控制器與PIC單片機(jī)遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn)問題，望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視。

1 遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC可編程控制器具有較高的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，對惡劣不良現(xiàn)場環(huán)境條件有良好的適用性，故而廣泛應(yīng)用于各類自動化系統(tǒng)中。尤其隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)以及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，微處理芯片處理功能持續(xù)提高，成本有所下降，智能化儀表裝置得到了飛速的發(fā)展與進(jìn)步。PIC16F87X作為一種搭載CMOS工藝的單片機(jī)裝置，中央處理器單元采用RISC結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)程序存儲器裝置可達(dá)到14位寬度，數(shù)據(jù)存儲器可達(dá)256字節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可支持8個通道模擬量輸入，并且可實(shí)現(xiàn)中斷功能，上述特性有利于智能化儀表裝置的開發(fā)以及功能實(shí)現(xiàn)，并且使智能化儀表裝置表現(xiàn)出了極高的集成度以及功能化水平。

RS-485現(xiàn)場總線技術(shù)有良好的數(shù)據(jù)傳輸速率，可支持遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，并且抗干擾能力強(qiáng)，具備雙端平衡式電氣接口特性，多站互聯(lián)方便可靠，最大可允許并聯(lián)32個站點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10.0Mbit/s。在目前智能化儀表以及控制設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)的過程中廣泛應(yīng)用RS-485現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，具備可靠、適用的優(yōu)勢。

如圖1所示，圖中給出了常見的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模式。在現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)中，以PC單機(jī)作為上位機(jī)，以全面且集中的方式對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，支持包括可視化人機(jī)操作、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、以及圖形顯示等在內(nèi)的一系列功能，下位機(jī)選型西門子PLC可編程控制器，主要功能是接收上位機(jī)所發(fā)送各種操作指令，循環(huán)讀取現(xiàn)場各類信號參數(shù)，在計算控制量的同時支持邏輯判斷功能的實(shí)現(xiàn)。另外，應(yīng)將現(xiàn)場所產(chǎn)生信號參數(shù)以及控制量送上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時性監(jiān)控?，F(xiàn)場總線中智能化儀表裝置主要負(fù)責(zé)包括信號采集、現(xiàn)場顯示、信號處理、以及數(shù)據(jù)通信等相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。PC裝置與CPU中央處理單元搭載PC/PP電纜操作接口實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用VB程序完成編程，通信功能搭載串行通信控件實(shí)現(xiàn)。PLC可編程控制器通過RS-485總線連接智能儀表裝置，支持自由接口通信以及點(diǎn)對點(diǎn)通信兩種模型。在此基礎(chǔ)之上，由SN 75176將PIC單片機(jī)串行接口電平信號轉(zhuǎn)換為RS-485總線可識別平衡信號，確保遠(yuǎn)程通信功能的順利實(shí)現(xiàn)。

圖1：現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模式示意圖

2 遠(yuǎn)程通信協(xié)議設(shè)計

基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能化儀表裝置主要涉及到兩種類型：第一類智能化儀表裝置實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)置、信號采集、信號處理、參數(shù)顯示、通信等相關(guān)功能的集成；第二類智能化儀表裝置實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)置、信號采集、信號處理、參數(shù)顯示、通信、調(diào)節(jié)等相關(guān)功能的集成。以下所研究通信協(xié)議可用于第一類儀表裝置?？紤]到整套控制系統(tǒng)的實(shí)時性特點(diǎn)，搭載現(xiàn)場總線的通信協(xié)議設(shè)計應(yīng)當(dāng)符合實(shí)用性以及通用性的要求，同時最大限度減少附加信息的傳輸量。對于控制器而言，面向現(xiàn)場總線系統(tǒng)所發(fā)出控制指令的格式為“起始字符+數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)+儀表地址+校驗(yàn)碼+結(jié)束字符”，儀表裝置所發(fā)出數(shù)據(jù)幀格式則為“起始字符+數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)+儀表地址+高8位數(shù)據(jù)+低8位數(shù)據(jù)+...+校驗(yàn)碼+結(jié)束字符”。

可編程控制器PLC通過發(fā)出讀取指令的方式讀取現(xiàn)場某特定智能儀表裝置參數(shù)信息，當(dāng)智能儀表接收讀取指令后分析指令參數(shù)，依次判斷：①是否屬于本儀表地址對應(yīng)區(qū)間；②是否為正確校驗(yàn)碼，均判斷正確后由儀表裝置將現(xiàn)場參數(shù)以及地址信息發(fā)送至控制器；當(dāng)判定屬于本儀表地址范圍但校驗(yàn)碼不正確時，則由儀表裝置將數(shù)據(jù)幀地址段設(shè)置為十六進(jìn)制格式，對數(shù)據(jù)段進(jìn)行更新并發(fā)送至控制器；當(dāng)判定不屬于本儀表地址范圍時，則不對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，控制器在發(fā)送儀表讀取指令后進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，在規(guī)定時間內(nèi)未接收到信息、接收異常、接收到的校驗(yàn)碼與計算校驗(yàn)碼不一致或接收的地址與發(fā)送地址不一致時重新發(fā)送命令。由于一個儀表的數(shù)據(jù)量一般比較少，采用這種數(shù)據(jù)幀也作為應(yīng)答信號的方式更有利于控制器和儀表雙方的通信程序設(shè)計，對于整個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)時性功能的實(shí)現(xiàn)也有非常重要的意義。

3 PLC可編程控制器通信程序設(shè)計

對于S7-200PLC可編程控制器而言，在通信程序設(shè)計以及相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)過程中，數(shù)據(jù)發(fā)送指令以及數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)指令格式一致，均為“字節(jié)計數(shù)+起始字符+數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)+字節(jié)數(shù)據(jù)1+...+字節(jié)數(shù)據(jù)N+校驗(yàn)碼+結(jié)束字符”。其中，對于發(fā)送指令而言，其基本格式為“字節(jié)計數(shù)（5）+起始字符（00）+數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（1）+儀表地址+校驗(yàn)碼+結(jié)束字符（FFH）”，對于接收端數(shù)據(jù)指令而言，其基本格式則為“字節(jié)計數(shù)（7）+起始字符（00）+數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（3）+儀表地址+高8位+低8位+校驗(yàn)碼+結(jié)束字符（FFH）”。

可編程控制器與現(xiàn)場儀表裝置通信功能實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計主要包括兩個方面的內(nèi)容，第一是通信功能初始化設(shè)置，第二是接口端參數(shù)信息收發(fā)設(shè)置。首先，在通信初始化功能設(shè)置過程中，基本實(shí)現(xiàn)方案為：

由PLC可編程控制器裝置通過PORT1的方式讀取智能化儀表裝置關(guān)鍵信息，采集參數(shù)信息后，中斷進(jìn)入?yún)?shù)接收狀態(tài)，在儀表裝置接受裝置后發(fā)送參數(shù)信息至PLC可編程控制器中，在接收終端產(chǎn)生后，對接收是否正確以及校驗(yàn)碼是否正確進(jìn)行判斷，判斷正確時則取出數(shù)據(jù)信息，判斷不正確時重新發(fā)送指令，若參數(shù)被正確取出，一方面可通過PORT0口傳輸至PLC可編程控制器，另一方面則用于控制操作。

4 PIC單片機(jī)遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)PIC的遠(yuǎn)程通信功能，將其作為儀表裝置與RS-485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，在技術(shù)層面應(yīng)當(dāng)完成通信接口設(shè)計、通信程序設(shè)計這兩個方面的工作，確保遠(yuǎn)程通信的可靠性與穩(wěn)定性。

圖2：PIC作為儀表裝置與RS-485網(wǎng)絡(luò)的連接接口電路示意圖

（1）PIC通信接口設(shè)計。PIC作為儀表裝置與RS-485網(wǎng)絡(luò)的連接接口電路如圖2所示。結(jié)合圖2，以RC7/RX為數(shù)據(jù)接收裝置端，以RC6/TX為數(shù)據(jù)發(fā)送裝置端，當(dāng)RB0取值為1時，發(fā)送門處于開啟狀態(tài)，接受門切換至關(guān)閉狀態(tài)，支持PIC完成數(shù)據(jù)發(fā)送指令。在當(dāng)RB0取值為0時，發(fā)送門處于關(guān)閉狀態(tài)，接受門切換至開啟狀態(tài)，支持PIC完成數(shù)據(jù)接收指令。整個PIC通信接口電路采用9芯串口插座，電路A/B與PLC可編程控制器A/B以交叉方式完成連接，引入雙絞線以達(dá)到抗干擾性能。

（2）PIC通信程序設(shè)計。整個PCI單片機(jī)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，發(fā)送采用查詢方式實(shí)現(xiàn)，PIC通信程序設(shè)計包括兩個部分。定義TXREG為發(fā)送參數(shù)寄存器裝置，定義RCREG為接受參數(shù)寄存器裝置，當(dāng)RCIF為1時，表明接受數(shù)據(jù)寄存器裝置已接收到1個字節(jié)參數(shù)，當(dāng)該參數(shù)被取走后，RCIF為0。當(dāng)RIP1為1時，表明發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器裝置為空閑狀態(tài)，當(dāng)RIP1為0時，表明發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器裝置為飽和狀態(tài)。PIC 16F877接收由PLC可編程控制器發(fā)送操作指令，依據(jù)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行中斷處理，反復(fù)接收中斷5次后在接收緩沖區(qū)達(dá)到操作指令，并進(jìn)入校驗(yàn)環(huán)節(jié)，確認(rèn)操作指令正確判斷是否為本智能儀表裝置地址，經(jīng)判斷正確后將地址發(fā)送至緩沖區(qū)，若經(jīng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差，則生成錯誤代碼255并發(fā)送至緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)發(fā)送通過PIC查詢方式實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

以PIC單片機(jī)為智能化儀表裝置，以PLC可編程控制器為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交互式通信系統(tǒng)硬軟件結(jié)構(gòu)體系，單片機(jī)選用PIC16F877，PLC可編程控制器選用西門子226CPU中央處理系統(tǒng)，搭載RS-485總線技術(shù)可支持點(diǎn)對多通信功能的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)智能化儀表裝置接收來自PLC可編程控制器發(fā)送錯誤操作指令后，將對應(yīng)地址段作為錯誤信號通信標(biāo)準(zhǔn)，可以點(diǎn)對多的方式實(shí)現(xiàn)PLC可編程控制器與現(xiàn)場儀表裝置的交互式通信。整套搭載PIC的遠(yuǎn)程通信方案及其應(yīng)用能夠?yàn)楝F(xiàn)場智能化儀表裝置控制提供參考意見。