盧 偉，孟 婥，孫以澤，朱荷蕾，李培興

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

0 引 言

過程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中，存在很多可能發(fā)生的故障［1，2］，業(yè)界普遍采用根據(jù)下位機(jī)返回碼檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸是否正常的方法，但是僅根據(jù)下位機(jī)返回碼檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)存在很多局限性：當(dāng)網(wǎng)線連接出現(xiàn)問題、下位機(jī)通訊模塊出現(xiàn)故障等，上位機(jī)就收不到返回碼，無(wú)法判斷數(shù)據(jù)傳輸故障；當(dāng)傳感器的電源不穩(wěn)定或者傳感器損壞，數(shù)據(jù)傳輸不一定受影響，但所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)卻不能真實(shí)地反映過程變量，如果上位機(jī)對(duì)所讀取的數(shù)據(jù)不加判斷，將失真數(shù)據(jù)發(fā)送到了PLC 等控制器，PLC 等控制器將根據(jù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤動(dòng)作，極易導(dǎo)致生產(chǎn)事故；數(shù)據(jù)傳輸故障檢測(cè)僅在上位機(jī)中進(jìn)行，下位機(jī)PLC等控制器不具備數(shù)據(jù)傳輸故障的識(shí)別功能。本文中，針對(duì)僅根據(jù)下位機(jī)返回碼檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸故障所存在的局限性，以棉麻纖維紗線晶變改性成套裝備運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主程序流程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的傳感器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

底層是溫度、壓力、液位等過程變量傳感器，中間層是數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)接收單元，上層是上位機(jī)監(jiān)控中心［3］。上位機(jī)程序采用VB 編程實(shí)現(xiàn)，基于以太網(wǎng)，采用應(yīng)答方式，讀取數(shù)據(jù)采集單元中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)接收單元［4－6］。其中，數(shù)據(jù)采集單元可以是專用的數(shù)據(jù)采集模塊，也可以是PLC的A／D 模塊；數(shù)據(jù)接收單元是PLC等控制器。

圖1 傳感器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 主程序流程

系統(tǒng)主程序流程如圖2所示，為提高傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在一個(gè)傳輸周期中，分5個(gè)階段對(duì)傳輸故障進(jìn)行判斷。讀取數(shù)據(jù)過程中，首先判斷上位機(jī)是否與各數(shù)據(jù)采集模塊及PLC建立連接，其次判斷是否讀取指定空間的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理后，判斷數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍是否正常；發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，首先判斷上位機(jī)是否與PLC 建立連接，其次判斷是否向指定空間寫入數(shù)據(jù)。在任何階段發(fā)現(xiàn)故障，上位機(jī)都輸出警示，并且程序返回到初始位置重新讀取數(shù)據(jù)。

2 上位機(jī)方案的實(shí)現(xiàn)

2.1 依據(jù)服務(wù)器返回報(bào)文判斷數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

本系統(tǒng)是單客戶機(jī) （client）、多服務(wù)器 （server）的通訊系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸過程中，客戶端發(fā)出請(qǐng)求 （request）報(bào)文，服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求返回響應(yīng) （response）報(bào)文，屬應(yīng)答通訊模式，可根據(jù)服務(wù)器返回的報(bào)文判斷數(shù)據(jù)傳輸是否正常并采取相應(yīng)措施。不同的通訊協(xié)議，報(bào)文的數(shù)據(jù)幀格式不一樣，現(xiàn)以Modbus／TCP協(xié)議為例說明。當(dāng)使用功能碼03從數(shù)據(jù)采集模塊及PLC讀取數(shù)據(jù)時(shí)，如通訊正常，返回報(bào)文依次為7字節(jié)MBAP 報(bào)頭、1字節(jié)功能碼、1字節(jié)字節(jié)數(shù)、N×2字節(jié)數(shù)據(jù)；如通訊異常，返回報(bào)文依次為7字節(jié)MBAP報(bào)頭、1字節(jié)差錯(cuò)碼、1字節(jié)異常碼［7］。當(dāng)使用功能碼16向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如通訊正常，返回報(bào)文依次為7字節(jié)MBAP報(bào)頭、1字節(jié)功能碼、2字節(jié)起始地址、2字節(jié)數(shù)據(jù)數(shù)量；如通訊異常，返回報(bào)文依次為7字節(jié)MBAP 報(bào)頭、1字節(jié)差錯(cuò)碼、1 字節(jié)異常碼［8，9］。當(dāng)檢測(cè)到差錯(cuò)碼，可判定通訊異常，根據(jù)異常碼，可判定故障類型。

2.2 設(shè)計(jì)陷阱程序判斷是否與服務(wù)器建立連接

圖2 數(shù)據(jù)傳輸可靠性主程序流程

一般情況下，根據(jù)服務(wù)器返回報(bào)文可以判斷數(shù)據(jù)傳輸是否正常。極端情況下，比如連接服務(wù)器有問題，服務(wù)器沒有接收到請(qǐng)求，就不能返回報(bào)文，上位機(jī)也無(wú)法根據(jù)下位機(jī)返回報(bào)文判斷數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。針對(duì)連接服務(wù)器出問題導(dǎo)致上位機(jī)收不到返回報(bào)文的情況，設(shè)計(jì)了陷阱程序進(jìn)行處理，以下是陷阱程序的主體部分。

在陷阱程序中，首先定義與連接各服務(wù)器相應(yīng)的陷阱標(biāo)志，接著連接服務(wù)器語(yǔ)句的前一句將陷阱標(biāo)志設(shè)置一個(gè)狀態(tài)，如置0，再接著連接服務(wù)器語(yǔ)句的后一句將陷阱標(biāo)志修改成另一個(gè)狀態(tài)，如置1。程序執(zhí)行過程中，如果連接服務(wù)器成功，執(zhí)行完連接服務(wù)器語(yǔ)句后，陷阱標(biāo)志將被置1；如果連接服務(wù)器不成功，連接服務(wù)器語(yǔ)句不能正常執(zhí)行，陷阱標(biāo)志置1語(yǔ)句不會(huì)被執(zhí)行，陷阱標(biāo)志狀態(tài)將保持為0。在程序開頭部分使用On Error GoTo語(yǔ)句，程序執(zhí)行過程中發(fā)生不能連接服務(wù)器錯(cuò)誤，程序?qū)⑻D(zhuǎn)到指定的陷阱處理部分，在陷阱處理程序中，根據(jù)陷阱標(biāo)志狀態(tài)，判斷出不能連接服務(wù)器故障并輸出警示。針對(duì)連接各服務(wù)器分別設(shè)置陷阱標(biāo)志，當(dāng)出現(xiàn)連接故障時(shí)，程序可以對(duì)各連接故障準(zhǔn)確定位。

2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍

傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆粌H體現(xiàn)在上位機(jī)能否讀取數(shù)據(jù)采集模塊及PLC A／D 模塊中的數(shù)據(jù)、處理后再發(fā)送到PLC等控制器中，還要考慮所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能否真實(shí)反映傳感器所檢測(cè)的溫度、壓力、液位等物理信號(hào)。如果傳感器的供電電源不穩(wěn)定或現(xiàn)場(chǎng)偶然出現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾都可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集模塊等采集的數(shù)據(jù)失真［10］。如果上位機(jī)讀取了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到了PLC 等控制器，PLC 等控制器將根據(jù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤動(dòng)作，導(dǎo)致重大事故。

基于數(shù)據(jù)可能失真的情況，上位機(jī)在向PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)前，檢測(cè)數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍。電源不穩(wěn)或電磁干擾會(huì)同時(shí)使多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)失真，檢測(cè)程序依據(jù)這一特征進(jìn)行檢測(cè)。主程序的數(shù)據(jù)處理包含數(shù)據(jù)濾波，讓當(dāng)前所讀取的采樣值與上一次的濾波值比較，當(dāng)檢測(cè)到高于70%的當(dāng)前采樣值遠(yuǎn)離上一次濾波值時(shí)，判定數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍過大，出現(xiàn)了電源不穩(wěn)或電磁干擾等故障。上位機(jī)一旦檢測(cè)到數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍過大，就停止向PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)，放棄當(dāng)前所讀取的采樣值，輸出警示，并返回到主程序初始位置重新讀取數(shù)據(jù)。

上位機(jī)檢測(cè)到任何數(shù)據(jù)傳輸故障，在輸出警示的同時(shí)，都會(huì)調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄數(shù)據(jù)傳輸故障的詳細(xì)信息，以便定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，對(duì)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3 PLC軟件看門狗及數(shù)據(jù)傳輸容錯(cuò)性設(shè)計(jì)

在上位機(jī)中采取了各種措施，可以保證及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中的各種故障并在上位機(jī)輸出警示，但沒有將故障告知PLC等控制器，其原因是數(shù)據(jù)傳輸故障可能出現(xiàn)在上位機(jī)與PLC等控制器之間。系統(tǒng)運(yùn)行中，僅上位機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)傳輸故障是不夠的，PLC 等控制器必須具備識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸故障的功能。針對(duì)這種情況，在PLC 中設(shè)計(jì)了軟件看門狗程序，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸故障，看門狗程序示例梯形圖如圖3所示［11，12］。

圖3 看門狗程序示例梯形圖

軟件看門狗程序的設(shè)計(jì)思想是在PLC 的數(shù)據(jù)保持寄存器區(qū)定義一個(gè)寄存器作為狀態(tài)寄存器，其狀態(tài)作為PLC 識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸故障的邏輯條件。上位機(jī)向PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，在數(shù)據(jù)幀中多嵌入一個(gè)字的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC 中定義好的狀態(tài)寄存器，交替改變?cè)摷拇嫫鞯臓顟B(tài)，例如交替發(fā)送＃0000 和＃FFFF。PLC 根據(jù)兩個(gè)不同的狀態(tài)，分別啟動(dòng)兩個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間大于一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷凇?shù)據(jù)傳輸正常情況下，該狀態(tài)寄存器的狀態(tài)交替改變，兩個(gè)定時(shí)器也將隨之被交替啟動(dòng)和停止，由于定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間大于一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷?，兩個(gè)定時(shí)器不會(huì)到達(dá)其定時(shí)時(shí)間。任何一個(gè)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到，都說明狀態(tài)寄存器的狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間沒有改變，PLC 長(zhǎng)時(shí)間沒有從上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)，即可判定數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)故障，PLC 接通一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸故障標(biāo)志位，并進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。

在PLC的看門狗程序中，通過設(shè)定定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間判斷狀態(tài)寄存器的狀態(tài)多長(zhǎng)時(shí)間沒有改變，由此判定出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸故障。但如果在定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間內(nèi)狀態(tài)寄存器的狀態(tài)得到改變，即使在這個(gè)過程中出現(xiàn)過數(shù)據(jù)傳輸故障，PLC也會(huì)正常工作，這保證了PLC 在時(shí)間上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸故障具有容錯(cuò)性，避免了每次數(shù)據(jù)傳輸故障PLC 都要停機(jī)。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況確定，在該系統(tǒng)中，正常情況下上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谠?000ms左右，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間設(shè)定為4000ms，即大約是正常情況一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期的4倍。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)可靠性方案的有效性，分別進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)上位機(jī)及PLC對(duì)數(shù)據(jù)傳輸故障的檢測(cè)能力。

第一組是上位機(jī)在讀取數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)時(shí)，向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送一個(gè)未定義的功能碼，下位機(jī)無(wú)法識(shí)別，上位機(jī)依據(jù)下位機(jī)返回碼判斷數(shù)據(jù)傳輸故障。

第二組是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，隨機(jī)拔掉一根連接下位機(jī)服務(wù)器的網(wǎng)線，檢驗(yàn)陷阱程序的有效性。

第三組是檢測(cè)數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍，用一根非屏蔽電纜連接變頻器和電機(jī)，并啟動(dòng)變頻器，使電機(jī)工作，將該電纜接近各數(shù)據(jù)采集模塊上的傳感器接線端子排，并迅速移開電纜，短時(shí)干擾傳感器的采集信號(hào)。

數(shù)據(jù)傳輸正常情況如圖4 （a）所示，上位機(jī)在VB 界面中顯示數(shù)據(jù)采集信息；在第一組實(shí)驗(yàn)中上位機(jī)彈出如圖4（b）所示對(duì)話框，提示功能碼無(wú)法識(shí)別；在第二組實(shí)驗(yàn)中上位機(jī)彈出如圖4 （c）所示對(duì)話框，提示無(wú)法連接服務(wù)器；在第三組實(shí)驗(yàn)中上位機(jī)彈出如圖4 （d）所示對(duì)話框，提示數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍過大。

在前兩組實(shí)驗(yàn)中，由于數(shù)據(jù)傳輸故障，PLC 持續(xù)4000 ms沒有從上位機(jī)接受到數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸故障標(biāo)志位被接通，并通過PLC的輸出端口輸出開關(guān)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；在第三組實(shí)驗(yàn)中，由于是短時(shí)干擾，故障持續(xù)時(shí)間在PLC的容錯(cuò)時(shí)間內(nèi)，PLC仍然正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

以棉麻纖維紗線晶變改性成套裝備運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性方案。分析了傳感器數(shù)據(jù)傳輸過程中可能存在的各種故障，采取了4種措施，且各種措施層層遞進(jìn)。在上位機(jī)中，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆祷卮a判斷數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，設(shè)計(jì)了陷阱程序，監(jiān)控了數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍，按照數(shù)據(jù)傳輸可靠性主程序流程，可以全程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。在PLC 控制器中，設(shè)計(jì)了軟件看門狗程序，既可以監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸故障，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸故障在時(shí)間上具有容錯(cuò)性。設(shè)計(jì)的方案已在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，提高了棉麻纖維紗線晶變改性成套裝備運(yùn)行時(shí)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖4 正常及各種數(shù)據(jù)傳輸故障下上位機(jī)響應(yīng)

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