沐超， 劉小勤， 秦來安， 張固

(1.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機械研究所,安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026)

安川MP系列控制器與多臺PC機基于多通道通信的設(shè)計與實現(xiàn)

沐超1,2， 劉小勤1， 秦來安1， 張固2

(1.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機械研究所,安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026)

隨著現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，在工業(yè)控制中PLC控制器往往需要與多臺上位機設(shè)備建立通信連接。以安川MP系列控制器為例，闡述了與多臺PC上位機建立連接的原理和實現(xiàn)。詳細(xì)介紹了安川MP系列控制器基于多傳送緩沖器通道機制通信的基本原理。提出采用MSG-RCV通信函數(shù)實現(xiàn)控制器與多臺PC機通信的方法，并編程實現(xiàn)。對通信效率與控制器高速掃描周期之間的關(guān)系進行了分析和討論。

安川MP系列控制器;多傳送緩沖器通道機制;MSG-RCV;高速掃描周期

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，由主控計算機(PC)與可編程邏輯控制器(PLC)組成的工業(yè)控制系統(tǒng)已成為主流的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]。通過PC上位機對PLC下位機的數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫操作，來完成對現(xiàn)場設(shè)備的時序控制和數(shù)據(jù)采集等工作，從而實現(xiàn)人機接口通訊的功能。實際的工業(yè)生產(chǎn)中由于工程需求，控制系統(tǒng)往往不只有一臺上位機，而許多品牌PLC自帶通信方式只能與上位機建立一對一的通信，不能滿足與多臺上位機通信的設(shè)計需求。針對此問題本文以安川MP系列控制器為例，闡述PLC與多臺PC上位機建立一對多通信的原理及設(shè)計方法。

1 安川MP系列控制器為從站時的兩種通信方式

在與PC上位機通信時，安川MP系列控制器作為從站，其主要工作是接收由主站(PC上位機)發(fā)送的指令數(shù)據(jù)，并返回響應(yīng)[2]。安川MP系列控制器提供了兩種接收信息的通信方式。

1.1 使用自動接收功能通信

如圖1所示，自動接收是指無需人工編寫通信梯形圖程序，控制器系統(tǒng)通過中斷每隔50 ms的下位機低速掃描自動執(zhí)行信息接收處理。自動接收是安川MP系列控制器通信模塊自帶的通信方式，如安川通信模塊218IFA默認(rèn)設(shè)置傳送緩沖器通道CNO 01為自動接收通道，使用此通道可自動接收由上位機發(fā)送的指令數(shù)據(jù)。傳送緩沖器通道是指由安川控制器通信模塊提供的用于系統(tǒng)通信函數(shù)與傳送設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)緩沖器，該數(shù)據(jù)緩沖器由單個或多個通道所構(gòu)成，各通道由“緩沖器通道編號”來加以區(qū)分[3]。使用自動接收功能通信實現(xiàn)過程較為簡單，但通信速度較慢，靈活性差。

圖1 使用自動接收功能通信處理的執(zhí)行調(diào)度

1.2 使用自編MSG-RCV函數(shù)的梯形圖程序通信

安川MP系列控制器系統(tǒng)通信函數(shù)MSG-RCV主要用于接收由遠端主站設(shè)備通過指定線路發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。MSG-RCV函數(shù)由7個輸入項目和3個輸出項目構(gòu)成，其輸入項目“Execute”和“Abort”必須通過梯形圖程序切換“ON/OFF”狀態(tài)來執(zhí)行處理。使用自編MSG-RCV函數(shù)建立通信雖然需要編寫梯形圖程序，但相對于自動接收方式靈活性強。使用MSG-RCV函數(shù)可以在梯形圖中變更寄存器的讀寫偏移和讀寫范圍，在調(diào)試過程中可以通過梯形圖監(jiān)視通信處理結(jié)果和通信狀態(tài)。相比低速掃描中處理自動接收的通信方式，在高速掃描中調(diào)用含有MSG-RCV函數(shù)的梯形圖程序來進行通信，可實現(xiàn)更快的信息接收,如圖2所示。

圖2 MSG-RCV函數(shù)規(guī)格

2 實現(xiàn)控制器與多臺PC上位機建立一對多通信的方法

2.1 多傳送緩沖器通道機制

安川MP系列控制器不同型號的通信模塊都提供了多個傳送緩沖器通道，如218IFA通信模塊提供了4個通道，218IF通信模塊提供了10個通道。每個傳送緩沖器通道的使用代表了控制器與外部設(shè)備一條通信連接線路的建立，使用多個傳送緩沖器通道可以實現(xiàn)控制器與多臺PC上位機建立一對多的通信，通信模塊的傳送緩沖器通道數(shù)反映了與控制器同時建立通信的最大PC上位機數(shù)目。而控制器通信模塊默認(rèn)只設(shè)置傳送緩沖器通道CNO 01為自動接收通道，其它通道不能重復(fù)設(shè)置為自動接收通道，故安川MP系統(tǒng)控制器自帶的通信方式只支持一對一的通信，并不能實現(xiàn)與多臺PC上位機建立一對多的通信，建立多通道通信需使用自編MSG-RCV函數(shù)的梯形圖程序來實現(xiàn)。

2.2 使用自編MSG-RCV函數(shù)的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)多通道通信

根據(jù)工程需求來選定和配置用于建立通信的傳送緩沖器通道，每個通道分別需要通過編寫?yīng)毩⒌暮蠱SG-RCV函數(shù)的梯形圖程序來啟用，通過對MSG-RCV函數(shù)“通道編號”和“連接編號”參數(shù)項的設(shè)定來實現(xiàn)傳送緩沖器通道與實際連接線路的一一關(guān)聯(lián)，從而進行多通道信息接收[4]。通信模塊中傳送緩沖器通道CNO 01可設(shè)置為自動接收通道，也可以設(shè)置為非自動接收通道，即通過使用自編MSG-RCV函數(shù)的梯形圖程序來啟用，但若通道CNO 01自動接收功能設(shè)為有效，在梯形圖中執(zhí)行相應(yīng)的MSG-RCV函數(shù)，會造成內(nèi)存容量及執(zhí)行時間的浪費。由于在高速掃描中執(zhí)行MSG-RCV函數(shù)比低速掃描中處理自動接收速度要快，所以推薦使用自編MSG-RCV函數(shù)的梯形圖程序來實現(xiàn)通道CNO 01的通信。

3 多通道通信的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件配置與連接

如圖3所示,安川MP系列控制器可使用MPE720軟件對通信模塊中的傳送緩沖器通道進行配置通信相關(guān)信息。以通信模塊218FA為例主要配置信息包括：

(1)連接編號CNO：控制器在進行通信時，以CNO來區(qū)分不同上位機，該連接編號也將用于MSG-RCV函數(shù)的參數(shù)列表(PARAM)中參數(shù)項“對方連接編號(PARAM02)”的設(shè)定。

(2)Local Port：指定各連接所對應(yīng)的通信模塊使用的端口編號。

(3) Node IP Address和Node Port：設(shè)定各連接所對應(yīng)的PC上位機的IP地址和端口編號，設(shè)定時確保目的IP和端口號沒有與其它連接發(fā)生沖突。

(4)Connect Type：選擇傳輸層的協(xié)議(TCP/UDP)

(5)Protocol Type：選擇應(yīng)用層的協(xié)議(擴展MEMOBUS/MODBUS.)

(6)Code：選擇傳輸數(shù)據(jù)類型(BIN/ASCII.)

(7)Automatic：將CNO 01自動接收功能設(shè)置為“Disable”。

圖3 通信模塊218FA參數(shù)設(shè)定

其它型號的通信模塊配置與218FA類似，主要區(qū)別是提供的傳送緩沖器通道數(shù)不同。安川MP系列控制器可使用Ethernet端口通過集線器與多臺PC上位機建立連接,如圖4所示。

圖4 MP2310與多臺PC上位機通信概念圖

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 上位機通信接口設(shè)計

圖5 上位機通信接口設(shè)計流程圖

在與安川MP系列控制器建立的通信網(wǎng)絡(luò)中，多臺PC上位機通過Ethernet接口連接至下位機通信模塊，上位機通信接口程序可選用套接字編程語言來實現(xiàn)，上位機與下位機進行發(fā)送確認(rèn)、數(shù)據(jù)傳送等一系列的Socket通信處理。因?qū)嶋H工業(yè)控制現(xiàn)場對通信穩(wěn)定性要求高，故選用基于TCP/IP協(xié)議的“三次握手”機制來進行通信接口設(shè)計[5]。在上位機接口設(shè)計中，安川MP系列控制器為服務(wù)器端被動監(jiān)聽由多臺PC上位機發(fā)送出來的連接請求和指令信息，即PC上位機為客戶端。通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用層選擇擴展MEMOBUS協(xié)議，該協(xié)議為安川公司控制器的核心通信協(xié)議[6]，相比傳統(tǒng)的MEMOBUS協(xié)議，可以提供更豐富的功能和更高效的通信。在擴展MEMOBUS模式下，接收到來自主控制器(PC端)指令信息的子控制器(安川控制器)執(zhí)行指定的功能代碼，并向主控制器(PC端)返回響應(yīng)信息。通過上述通信過程，主控制器可以讀取單個或多個不連續(xù)的子控制器的線圈狀態(tài)和寄存器內(nèi)容，并可對其修改，從而實現(xiàn)對在多種生產(chǎn)現(xiàn)場的子控制器的集中監(jiān)視和控制。運用擴展MEMOBUS協(xié)議封裝通信數(shù)據(jù)信息，簡化了上位機與下位機之間具體的通信過程[7],如圖5所示。3.2.2 下位機通信接口設(shè)計

下位機安川MP系列控制器的通信接口設(shè)計主要是編寫在高速掃描中被調(diào)用的含有MSG-RCV通信函數(shù)的梯形圖程序。PLC在一個掃描周期內(nèi)的工作過程包括5個階段：CPU自診斷、寫輸出、讀輸入、執(zhí)行程序和處理通信請求，控制器的高速掃描是指優(yōu)先級最高的掃描處理，在高速掃描中進行通信處理可有效地提高了通信速度。在編寫梯形圖程序時，需定義MSG-RCV函數(shù)的輸入項目，主要包括傳送設(shè)備類別(Dev-Typ)、傳送協(xié)議(Pro-Typ)、線路編號(Cir-No)、傳送緩沖器通道編號(Ch-No)和參數(shù)列表首地址(Param)。同時需要設(shè)定參數(shù)列表中參數(shù)項“對方連接編號(PARAM02)”和參數(shù)項“寫入范圍(PARAM12、PARAM13)”，根據(jù)設(shè)計需求可通過設(shè)定參數(shù)列表中參數(shù)項“線圈偏移(PARAM08)”及“保持寄存器偏移(PARAM11)”來實現(xiàn)讀寫偏移。設(shè)置傳送緩沖器通道編號(Ch-No)時，需確保同一線路中通道編號不會發(fā)生重復(fù)，并與參數(shù)項“對方連接編號(PARAM02)”保持設(shè)置一致，下位機需通過指定編號與多臺PC上位機進行信息傳送。每個用于建立通信的傳送緩沖器通道都對應(yīng)著一個獨立的MSG-RCV函數(shù)來實現(xiàn)配置,如圖6所示。

圖6 調(diào)用MSG-RCV函數(shù)的梯形圖程序

3.3 通信速度分析

MSG-RCV函數(shù)在執(zhí)行過程中其輸入項目“Execute”和“Abort”必須通過梯形圖程序切換“ON/OFF”狀態(tài)來執(zhí)行處理。例如，通過梯形圖將MSG-RCV函數(shù)的輸入項目“Execute”置為“ON”來執(zhí)行信息的接收處理，若需連續(xù)命令接收信息，必須在一次信息接收處理完畢后將“Execute”置為“OFF”一個掃描周期以上，用于下一次接收時置“ON”,如圖7所示。

圖7 MSG-RCV函數(shù)正常執(zhí)行時序圖

由MSG-RCV函數(shù)執(zhí)行時序圖可知，在控制器高速掃描處理中調(diào)用含有MSG-RCV通信函數(shù)的梯形圖程序進行通信時，由于MSG-RCV函數(shù)輸入項目與輸出項目“ON/OFF”狀態(tài)的切換與輸出都是在每個掃描周期內(nèi)完成，故一次通信處理需要在若干個高速掃描周期完成，高速掃描周期和個數(shù)決定了通信處理時間的長短。利用本文設(shè)計的程序進行了通信時間的測試，得到和驗證了下位機高速掃描處理中調(diào)用MSG-RCV函數(shù)進行通信時，每次通信時間為4～5個高速掃描周期。測試結(jié)果如表1所示。實際工程需要可利用本文分析結(jié)果，通過合理地設(shè)置下位機的高速掃描周期來有效地提高通信效率[8]。

表1 高速掃描周期與通信時間對照

4 結(jié)束語

基于多傳送緩沖器通道機制，安川MP系列機器控制器實現(xiàn)了與多臺PC上位機建立通信連接。相比于控制器自動接收的通信方式，使用在高速掃描中調(diào)用含有MSG-RCV函數(shù)的梯形圖程序進行通信不僅可以實現(xiàn)多通道通信，還有效地提高了通信效率。本論文所提出的方法對其他品牌PLC與PC上位機通信具有借鑒作用。

[1] 李慧,衛(wèi)兵,王浩君,等.基于PROFIBUS-DP的ABB機器人與安川MP2310的數(shù)據(jù)通訊[J].制造業(yè)自動化,2014,3(6):34-35.

[2] 張楊，劉寧.PLC與多臺上位機PC在局域網(wǎng)中的通信研究[J].機電信息,2015,1(2):13-15.

[3] 高其敏.安川MP2000系列機器控制器以及同步控制的應(yīng)用[J].伺服控制,2005,15(2):101-102.

[4] 張連第.多軸直線電機運動與定位工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[5] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].5版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 姬琪,王紅園.基于MEMOBUS協(xié)議的多軸電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2013,6(5):56-57.

[7] 周敏,李鳳婷,吳為民.基于VB的PC機與多臺PLC的通信研究[J].計算機工程,2009,12(3):23-24.

[8] 史建民,黃有方,趙婉瑩.基于Memobus RTU通信協(xié)議的PLC數(shù)據(jù)優(yōu)化組合傳送方法[J].上海海運學(xué)院學(xué)報,2003,8(18):67-69.

Design and Implementation of Multi-channel Communication between Yaskawa MP Series Controller and PCs

Mu Chao1,2, Liu Xiaoqin1, Qin Laian1, Zhang Gu2

(1.Chinese Academy of Sciences Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Hefei Anhui 230031,China； 2. University of Science and Technology of China, Hefei Anhui 230026, China)

With increasing complexity of the structure of modern industrial systems, PLC controllers used for industrial control often need to establish communication connection with several upper computers. Taking Yaskawa MP series controller as example, this paper describes the principle and implementation of the establishment of communication between it and several upper PCs, gives details about the basic principle of communication of Yaskawa MP series controller based on multiple conveyance buffer channel mechanism, and proposes adoption of MSG-RCV communication function to realize communication between the controller and PCs through programming. Furthermore, the relationship between communication efficiency and the high-speed scanning period of the controller is also analyzed and discussed.

Yaskawa MP series controller； multiple conveyance buffer channel mechanism； MSG-RCV； high-speed scanning period

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.006

TM762

A

1000-3886(2017)02-0019-03

沐超(1988-)，男，安徽人，碩士，主要研究方向為先進半導(dǎo)體技術(shù)。 劉小勤(1967-)，女，安徽人，研究員，主要研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。 秦來安(1983-)，男，河南人，副研究員，主要研究方向為精密儀器及機械。 張固(1995-)，男，安徽人，碩士，主要研究方向為先進半導(dǎo)體技術(shù)。

定稿日期: 2016-09-05