邢京煜 雷馨悅 陶斯弦 雷鈞

摘 要：本文用西門子S7-300 PLC做分布式監(jiān)控系統(tǒng)的主站，感應(yīng)加熱設(shè)備的8個DSP控制單元做從站，主站與從站采用485串行通信進行信息交換。PLC接收來自8個DSP的數(shù)據(jù)，并且將設(shè)定參數(shù)傳遞給DSP。PLC發(fā)送電流設(shè)定值和頻率設(shè)定值給DSP，接收DSP發(fā)送的電流采集值和功率因數(shù)值。PLC采用固定時間間隔200ms中斷對一個DSP通信，完成收發(fā)，通信是否錯誤由PLC接收數(shù)據(jù)過程來判斷。由于本通信系統(tǒng)的PLC主站和DSP從站都是項目組開發(fā)，因此設(shè)計了項目的通信協(xié)議，利用標(biāo)志位控制PLC主站的收發(fā)數(shù)據(jù)過程，判斷通信異常情況。感應(yīng)加熱分布式監(jiān)控系統(tǒng)已投入生產(chǎn)運行，運行結(jié)果穩(wěn)定可靠，采集節(jié)拍滿足了生產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞：分布式；PLC；串行通信

中圖分類號：TP273? 文獻標(biāo)識碼：A

目前感應(yīng)加熱設(shè)備在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，一條加熱線有不同的加熱工位，在應(yīng)對多品種加熱時，在感應(yīng)加熱工作過程中需要把加熱參數(shù)設(shè)定值傳送到加熱工位，并且顯示和存儲采集到的加熱數(shù)據(jù)，便于今后的查詢。這不僅僅提升了加熱設(shè)備的柔性化，而且也為加熱設(shè)備的信息化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用PLC，文獻[1-4]都是基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，PLC采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，工控機顯示采集值和設(shè)定參數(shù)。

一、分布式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

感應(yīng)加熱分布式監(jiān)控系統(tǒng)主要包括感應(yīng)加熱設(shè)備、傳感器、變送器、DSP、串口觸摸屏、PLC、工控機等。（1）本地監(jiān)控單元：DSP作為感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)的核心，主要處理來自PLC的設(shè)定值，完成對感應(yīng)加熱設(shè)備電量的采集、處理、計算，輸出控制量對感應(yīng)加熱設(shè)備進行控制。DSP控制單元將電量數(shù)據(jù)實時傳遞給監(jiān)控PLC和工業(yè)用串口觸摸屏。觸摸屏負(fù)責(zé)感應(yīng)加熱設(shè)備的操作（運行、停止等）以及顯示電流設(shè)定值、頻率設(shè)定值、電流測量值、功率因數(shù)值、故障狀態(tài)等。（2）遠程監(jiān)控單元：PLC作為分布式監(jiān)控系統(tǒng)的主站，接收來自8個DSP從站的數(shù)據(jù)，并且將設(shè)定參數(shù)傳遞給DSP。工控機負(fù)責(zé)顯示DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)和修改各個感應(yīng)加熱設(shè)備的參數(shù)。

本課題的8個感應(yīng)加熱設(shè)備分別由8個DSP控制單元進行控制，整個分布式系統(tǒng)由PLC進行監(jiān)控。如圖1所示，PLC選用西門子S7-300的CPU315-2PN/DP，帶PROFIBUS接口和PROFINET接口。用PROFIBUS轉(zhuǎn)485模塊PB-B-RS485連接PLC和DSP。本文作者在參考文獻[5]中介紹了工控機通過PROFINET總線連接PLC，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。PLC中數(shù)據(jù)可以通過工控機進行顯示和更改。PLC與DSP采用指定的協(xié)議格式進行信息交換，并在交換信息時對數(shù)據(jù)的正確性進行判斷，提高通信的可靠性。PLC通過模擬量輸入模塊采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，通過與給定溫度比較，計算出電流值，然后給DSP發(fā)送該電流值，讓DSP調(diào)整加熱功率，減小溫度偏差。PLC采集DSP的反饋數(shù)據(jù)送工控機進行顯示和存儲。

二、串行通信協(xié)議設(shè)計

工控機可以用WINCC、組態(tài)王等組態(tài)軟件或者高級語言編程和S7-300 PLC進行通信，采用西門子專用協(xié)議。工控機的應(yīng)用程序可以利用OPC規(guī)范實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的通信功能[6]。

課題要求PLC發(fā)送電流設(shè)定值和頻率設(shè)定值給DSP，接收DSP發(fā)送的電流采集值和功率因數(shù)值，感應(yīng)加熱分布式監(jiān)控系統(tǒng)的PLC主站和DSP從站都是項目組開發(fā)，因此可以自定義通信協(xié)議，項目組設(shè)計了2個通信方案和相應(yīng)的協(xié)議。

方案1工作順序如下：

1）PLC發(fā)送電流設(shè)定值，協(xié)議格式為：報文頭（AAH+55H）+長度（04H）+設(shè)備編號（XXH）+指令（XXH）+數(shù)據(jù)（XXXXH）。接收DSP返回值，協(xié)議格式為：報文頭（BBH +66H）+長度（03H）+設(shè)備編號（XXH）+數(shù)據(jù)（XXXXH），共13個字節(jié)。

2）PLC發(fā)送頻率設(shè)定值，接收DSP返回值，共13個字節(jié)。

3）PLC發(fā)送讀DSP電流采集值，協(xié)議格式為：報文頭（AAH +55H）+長度（02H）+設(shè)備編號（XXH）+指令（XXH）。接收DSP電流采集值，協(xié)議格式為：報文頭（BBH+66H）+長度（03H）+設(shè)備編號（XXH）+數(shù)據(jù)（XXXXH），共11個字節(jié)。

4）PLC發(fā)送讀DSP功率因數(shù)值，接收DSP返回值功率因數(shù)值，共11個字節(jié)。

方案1特點：每次發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)字節(jié)較少，但是整個通信過程要收發(fā)4次，共13+13+11+11=48個字節(jié)，通信時間長。

方案2工作順序如下：

監(jiān)控PLC發(fā)送電流設(shè)定值+頻率設(shè)定值給DSP。協(xié)議格式為：報文頭（AAH+55H）+長度（05H）+設(shè)備編號（XXH）+電流設(shè)定值（XXXXH）+頻率設(shè)定值（XXXXH），共8個字節(jié)。

PLC接收到DSP所發(fā)數(shù)據(jù)為PLC發(fā)送的電流設(shè)定值+PLC發(fā)送的頻率設(shè)定值（設(shè)定值可以用于校驗）+DSP采集的電流值+DSP計算的功率因數(shù)值。協(xié)議格式為：報文頭（BBH +66H）+長度（09H）+設(shè)備編號（XXH）+電流設(shè)定值（XXXXH）+頻率設(shè)定值（XXXXH）+電流返回值（XXXXH）+功率因數(shù)值（XXXXH），共12個字節(jié)。

方案2特點：整個通信過程收發(fā)一次就可以完成，共8+12=20個字節(jié)，通信效率高，容易進行通信控制。通信部分解決的好，實時數(shù)據(jù)采集就越好[7]。

本課題的通信協(xié)議選用方案2。

三、串行通信控制設(shè)計

本課題中監(jiān)控PLC通過RS485串行通信網(wǎng)絡(luò)控制8個DSP，發(fā)送指令數(shù)據(jù)給DSP，然后接收DSP返回的數(shù)據(jù)。由于所有的節(jié)點共用RS485總線，總線上傳送的信息容易發(fā)送沖突和碰撞。因此必須有嚴(yán)格的通信時序控制，否則8個DSP從機都發(fā)送數(shù)據(jù)，通信就會發(fā)生混亂。本課題采用PLC主動發(fā)送、DSP響應(yīng)、然后PLC接收的方式進行主從收發(fā)控制。

PLC采用固定時間間隔200ms內(nèi)對一個DSP通信，完成收發(fā)，通信是否錯誤由PLC接收數(shù)據(jù)過程來判斷。8個DSP輪詢一遍用時1.6s。

在程序中需要200ms的時間間隔，PLC提供循環(huán)中斷OB35實現(xiàn)，其中斷時間可以進行設(shè)置。每隔200ms調(diào)用一次OB35，執(zhí)行中斷塊中的程序。在OB35里設(shè)置一個標(biāo)志字節(jié)MB1，用MB1中8位分別對應(yīng)8個DSP發(fā)送數(shù)據(jù)的標(biāo)志位，1為允許發(fā)送，0為禁止發(fā)送。MB1的8位在初始化下全部為0；在發(fā)送狀態(tài)下，只能有1個1，其余是0。當(dāng)PLC發(fā)送數(shù)據(jù)給某個DSP后，把該DSP所對應(yīng)的MB1標(biāo)志位置0。MB1初值為二進制00000001，200ms執(zhí)行與DSP通信后左移一位，PLC根據(jù)MB1不同的位，給不同的DSP發(fā)送數(shù)據(jù)。

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)存在PLC與一個DSP多次收發(fā)的問題。原因為PLC工作方式是循環(huán)掃描、順序執(zhí)行，處理速度快，在200ms內(nèi)能將通信發(fā)送程序執(zhí)行多次，所以要保證200ms內(nèi)只對一個DSP發(fā)送一次數(shù)據(jù)，還需要一個標(biāo)志位限定數(shù)據(jù)只能發(fā)送一次。因此再設(shè)置一個發(fā)送數(shù)據(jù)完成標(biāo)志字節(jié)MB11，發(fā)送前對應(yīng)的位為1，發(fā)送完畢把該位置0，MB11初值為二進制00000001，PLC發(fā)一次數(shù)據(jù)之后，MB11左移一位，不進行第二次發(fā)送數(shù)據(jù)。

PLC發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖2所示，利用MB1與MB11共同控制發(fā)送功能調(diào)用。當(dāng)MB1=00000001、MB11=00000001時，主程序調(diào)用發(fā)送功能給DSP1發(fā)送數(shù)據(jù)，模塊PB-B-485選擇觸發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)方式，當(dāng)發(fā)送允許標(biāo)志位Q11.0由0變1時開始發(fā)送數(shù)據(jù)，并且把接收通信狀態(tài)標(biāo)志位I15.0置0。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，即檢測到Q11.0上升沿時，MB11中的數(shù)據(jù)左移一次，MB11=00000010，MB1不變，在200ms內(nèi)將不會再次調(diào)用發(fā)送功能給DSP1發(fā)送數(shù)據(jù)，保證在200ms內(nèi)只執(zhí)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送。200ms后調(diào)用OB35使MB1左移一位，MB1=00000010，這時符合與DSP2通信的條件，程序轉(zhuǎn)入與DSP2通信。依次類推，完成與8個DSP的通信。與8個DSP都通信完成后，置MB1=00000001，MB11=00000001，PLC又可以與DSP1通信，這樣PLC就循環(huán)不斷的與8個DSP依次通信。

PLC接收來自8個DSP的數(shù)據(jù)需要進行存儲，而發(fā)送的數(shù)據(jù)也需要存儲。S7-300 PLC提供了DB塊存儲數(shù)據(jù)，其中DB1存儲需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，DB2存儲接收的數(shù)據(jù)。DB1數(shù)據(jù)存儲如圖3所示，因為在DSP中數(shù)據(jù)類型為一個字，通信是以字節(jié)為單位，因此將一個數(shù)據(jù)分成高8位和低8位進行存儲。利用程序塊可以簡化程序，建立帶參數(shù)的發(fā)送功能FC0，在調(diào)用FC0時只需要將對應(yīng)的實參傳遞給形參。當(dāng)M1.0=1并且M11.0=1時調(diào)用FC0，發(fā)送數(shù)據(jù)給DSP1，實參地址DB1.DBB2儲存的數(shù)據(jù)為I1_HIGH，將其傳遞給FC0塊中形參變量I_HIGH。模塊PB-B-485選擇觸發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)方式，當(dāng)發(fā)送允許標(biāo)志位Q11.0由0變1時開始發(fā)送數(shù)據(jù)，并且把接收通信狀態(tài)標(biāo)志位I15.0置0。當(dāng)檢測到Q11.0上升沿時，MB11中的數(shù)據(jù)左移一次，保證在200ms內(nèi)只執(zhí)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送。

在PLC對某一個DSP發(fā)送數(shù)據(jù)完后，回到OB1中，調(diào)用接收數(shù)據(jù)功能。其接收數(shù)據(jù)流程如圖4所示，根據(jù)通信接收協(xié)議做通信是否有問題的判斷。PLC通過I15.0判斷接收是否完成。當(dāng)I15.0＝1時PB-B-RS485處于接受完畢或者發(fā)送允許狀態(tài)，說明接收數(shù)據(jù)正常，將相應(yīng)的通信錯誤標(biāo)志位置１。如果I15.0＝0，再根據(jù)MB1的狀態(tài)可以判斷是與哪一個DSP通信不正常，將相應(yīng)的通信錯誤標(biāo)志位置0。當(dāng)通信正常時可以進行數(shù)據(jù)傳輸是否正確的判斷，根據(jù)上文中提供的通信協(xié)議中幾個固定的數(shù)據(jù)字節(jié)進行校驗，當(dāng)其中一個數(shù)據(jù)不對時即可判斷為數(shù)據(jù)傳輸錯誤，將相應(yīng)的通信傳輸錯誤標(biāo)志位置0，表示PLC與該DSP通信數(shù)據(jù)傳輸錯誤。只有數(shù)據(jù)校驗字節(jié)全部核對上了，才能將將相應(yīng)的通信傳輸錯誤標(biāo)志位置1，并且將接收的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的存儲地址。

DSP控制單元作為分布式監(jiān)控系統(tǒng)的從站，當(dāng)PLC發(fā)送數(shù)據(jù)后，8個從站都接收到該數(shù)據(jù)，接收中斷標(biāo)志位置1，進入接收中斷程序，在接收中斷程序中比對接收數(shù)據(jù)的報文頭、長度、站號與本站點的是否一致，如果相等，則處理接收的電流值和頻率值，并且把允許發(fā)送標(biāo)志位置1，接收中斷標(biāo)志位清0；如果不相等，則不處理接收的電流值和頻率值，只把接收中斷標(biāo)志位清0，便于下次中斷接收數(shù)據(jù)。與PLC發(fā)送站號比對一致的從站，由于允許發(fā)送標(biāo)志位等于1，因此開始發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，把允許發(fā)送標(biāo)志位清0。這樣完成了從站的一次接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)過程。

上位機監(jiān)控軟件采用WINCC，WINCC的功能強大，能夠很好的實現(xiàn)所需的功能，對于本課題中的所需要的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)錄入提供相應(yīng)的I/O輸入輸出域，其中數(shù)據(jù)的顯示格式在屬性欄中可以更改，將對應(yīng)的I/O域與變量管理中所建的外部變量連接。下位機選用的是S7-300 PLC，與WINCC同為西門子公司的產(chǎn)品，裝有WINCC的計算機與PLC連接方便。在界面上顯示頻率設(shè)定值、電流設(shè)定值、電流返回值、功率因數(shù)值、通信錯誤標(biāo)志、通信傳輸錯誤標(biāo)志。對于標(biāo)志錯誤提示，對應(yīng)的變量為布爾型，繪制圖像時采用指示燈進行動態(tài)顯示，為真時顯示綠色表示正常，為假時顯示為紅色表示錯誤。根據(jù)顯示的狀態(tài)可以得到PLC與DSP之間的通信狀況。

四、結(jié)束語

本課題本課題基于工廠的實際項目，以工控機、PLC、DSP為基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)了感應(yīng)加熱分布式監(jiān)控系統(tǒng)串行通信。由于本通信系統(tǒng)的PLC主站和DSP從站都是項目組開發(fā)，因此設(shè)計了項目的通信協(xié)議，利用標(biāo)志位控制PLC的收發(fā)過程，判斷通信異常情況。系統(tǒng)已投入生產(chǎn)運行，結(jié)果穩(wěn)定可靠，滿足了生產(chǎn)需要。

參考文獻：

[1]肖本海，鄭瑩娜，鄒世鵬等.全自動沖壓生產(chǎn)線組網(wǎng)及分布式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].機床與液壓，2016，44（7）：96-104.

[2]楊新德.基于西門子S7系列PLC的機電設(shè)備分布式監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電工技術(shù)，2015，（5）：47-48.

[3]翟華，李貴閃，嚴(yán)建文等.基于以太網(wǎng)技術(shù)的大型沖壓生產(chǎn)線的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].機床與液壓，2012，40（1）：92-94.

[4]張永喜，金秀，張帆等.利用串行通信實現(xiàn)計算機與PLC協(xié)同工作[J].制造技術(shù)與機床，2017，（9）：47-50.

[5]雷鈞，羅敏，陳志楚等.感應(yīng)回火機床多參數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造技術(shù)與機床，2020，（4）：75-78.

[6]韓靜，李通.基于PLC的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（20）：85-87.

[7]雷鈞，羅敏，吳岳敏.基于三菱FXPLC的感應(yīng)淬火機床與PC機的串行通信實現(xiàn)[J].制造技術(shù)與機床，2017，（9）：47-50.