陳志偉　徐世許

摘要： 為了將稱重數(shù)據(jù)實時傳送到DCS中方便管理，本文以青島某堿廠采集的20多種生產(chǎn)原料數(shù)據(jù)為例，基于自由口協(xié)議和Modbus RTU協(xié)議，設計應用了稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）和分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）組成。上位機從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并經(jīng)過轉換寫入PLC內存區(qū)；DCS設有RS485接口，且只能識別Modbus RTU協(xié)議，于是DCS經(jīng)RS485光纖轉換器與PLC相連，實時讀取PLC中的數(shù)據(jù)。本方案主要應用西門子自由口協(xié)議和Modbus協(xié)議，編寫PLC內部程序，上位機方面使用VB60編寫上位機與PLC的串行端口數(shù)據(jù)傳輸程序，同時應用ADO方式對結構化查詢語言（structured query language，SQL）數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、導出和刪除。該系統(tǒng)已成功應用于堿廠生產(chǎn)現(xiàn)場，能夠滿足對數(shù)據(jù)遠程實時監(jiān)控的要求。

關鍵詞： 自由口協(xié)議； Modbus RTU協(xié)議； 通信； DCS

中圖分類號： TP393.04文獻標識碼： A

近年來，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的通信方式已不能適應現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求，將自動化設備采集的數(shù)據(jù)傳送到計算機并進行相關的分析處理，已經(jīng)成為交通、電力、冶金等相關行業(yè)的重要目標[1]。通常情況下，需要運用企業(yè)資源計劃（enterprise resource planning，ERP）系統(tǒng)[2]，實現(xiàn)對計算機數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控和分析，但是過高的成本使小型集散控制系統(tǒng)失去經(jīng)濟效益。DCS憑借操作簡單、網(wǎng)絡通信能力好等優(yōu)點，在很多領域得到了普遍應用，但是DCS無法與其他系統(tǒng)共享信息，使得整個系統(tǒng)信息封閉[34]。為了將Toledo地磅系統(tǒng)中的稱重數(shù)據(jù)傳送至該廠的DCS系統(tǒng)中，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場實時監(jiān)控，需要設計一個稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)，解決DCS系統(tǒng)信息封閉的缺點?；诖?，本文設計了一個由上位機、PLC和DCS組成的稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)，并應用自由口協(xié)議和Modbus RTU協(xié)議[57]實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲。該系統(tǒng)通過在上位機上使用高級語言編寫程序，使地磅系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)先傳送至PLC指定區(qū)域中存放，再由DCS系統(tǒng)主動查詢PLC中的數(shù)據(jù)，從而降低成本，并充分運用DCS的功能。稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)能夠實時將地磅上傳到SQL Server數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)傳送到DCS系統(tǒng)中，滿足了廠家對數(shù)據(jù)實時監(jiān)管的需求。該研究提高了工廠的工作效率和管理水平。

1稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)硬件結構

稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)由上位計算機、PLC和DCS組成，稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。PLC選用含有兩個RS485通信端口的西門子S7200 226系列，并運用自由口協(xié)議與上位機通信，運用Modbus RTU協(xié)議與DCS通信。DCS使用的是FOXBORO I/A Series，控制器為FCP270，通訊卡采用FBM231或Modbus板卡[810]。由于DCS只能作為主站，實時主動查詢指定區(qū)域內的數(shù)據(jù)，所以需要在從機PLC內對數(shù)據(jù)進行分區(qū)，供DCS查詢[11]。

考慮PLC與DCS的通信距離過遠且傳送過程中有電磁干擾，采用RS485串口通信不能保證信號的實時性和穩(wěn)定性，于是采用了一套RS485光纖轉換器（光端機）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離通信[12]。

該數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)的工作原理是將地磅傳感器傳送到AVS AC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，然后通過編寫的VB軟件將SQL Server中的數(shù)據(jù)經(jīng)過MSComm控件調用Windows的底層應用程序編程接口（application programming interface，API）發(fā)送到PLC的內存區(qū)（V區(qū)）。

由于上位機用到的串口過多，于是安裝了Moxa板卡進行串口拓展。將Moxa端口1設置為RS232接口后，利用Moxa的端口1連接到PLC的Port 1進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳送至PLC后，由PLC內部的程序將數(shù)據(jù)進行相應的分區(qū)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定位存儲，然后DCS通過FBM231板卡或Modbus板卡對PLC中固定區(qū)域的數(shù)據(jù)每05 s采集一次，采集完成后在DCS的監(jiān)控界面中顯示當前正確的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的趨勢圖。

2上位機程序設計

2.1上位機程序流程圖

稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)在上位機上的軟件操作系統(tǒng)通過VB 60編程實現(xiàn)。上位機程序流程圖如圖2所示。

2.2上位機自由口通信指令

自由口通信需要在上位機和PLC內分別編程來實現(xiàn)。在VB 60中編寫的上位機自由口通信寫指令格式是固定的，由起始字符、數(shù)據(jù)段和結束字符組成：

Send（0）=&H21‘起始字符

Send（1）～Send（18）‘由數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉換為二進制的數(shù)據(jù)段

Send（19）=&H0A‘結束字符

設置結束字符是為了方便人為識別指令在何處結束。

PLC向上位機返回的響應指令格式固定，由起始字符、數(shù)據(jù)段和結束字符組成：

Receive（0）=&H21‘起始字符

Receive （1）～Receive（18）‘返回存入PLC中的信息碼

Receive（19）=&H0A‘結束字符

2.3MSComm控件的使用

為了使應用程序更加便捷、快速地使用串行接口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，Microsoft公司開發(fā)了微軟通信控制（microsoft communications control，MCC）。該控件簡化了Windows下串行通信的編程，并通過事件驅動（eventdriven）方法和查詢法對通訊過程中產(chǎn)生的問題進行相應處理[13]。MSComm控件程序段如下：

With Mscomm1

.MSComm1.CommPort = 3‘使用3號串口

.MSComm1.Settings = "9 600，n，8，1"‘波特率為9 600，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位

.MSComm1.InputLen = 0‘一次讀取全部數(shù)據(jù)

.MSComm1.PortOpen = True‘打開端口

.MSComm1.InputMode = ComInputModeBinary‘Input屬性以二進制方式取回

MSComm1.InBufferCount=0‘清空接收緩沖區(qū)

MSComm1.Output=send‘將自由口通信寫指令以二進制形式發(fā)送

Do

Doevents

Loop until MSComm1.InBufferCount>=20‘返回字符個數(shù)大于等于20個時Receive=MSComm1.Input‘接收返回碼

運用自由口協(xié)議和MSComm控件，經(jīng)過編程后實現(xiàn)上位機和PLC的通信。在VB 60環(huán)境下，開發(fā)的上位機程序界面如圖3所示。

2.4使用ADO控件實現(xiàn)對SQL Server和Excel的操作

ADO Data控件是通過Microsoft ActiveX數(shù)據(jù)對象（activeX data object，ADO）建立符合OLE DB規(guī)范數(shù)據(jù)源連接的數(shù)據(jù)綁定控件。在VB 60的環(huán)境下使用ADO控件對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表進行操作，具體操作步驟如下[1416]：

1）在工程中選擇“部件”命令，添加Adodc控件與DataGrid控件。

2）用Adodc中的ConnectionString屬性或Connection對象連接數(shù)據(jù)庫。

3）用Adodc中的RecordSource屬性或者Recordset對象從數(shù)據(jù)源中需要的數(shù)據(jù)，選擇打開的記錄集。

4）用Recordset對象中的屬性對記錄集中的記錄實現(xiàn)讀取、查詢、刪除和導出等功能。

5）通過DataGrid控件中的Datasource屬性設置在DataGrid控件中顯示的數(shù)據(jù)內容，在此處將該屬性設置為Adodc 1，即可將數(shù)據(jù)直觀的顯示在程序界面。

6）該軟件能夠根據(jù)日期、貨物代號、車牌號或車輛代號對數(shù)據(jù)進行查詢、刪除、導出等功能，數(shù)據(jù)查詢與清理界面如圖4所示。

3PLC程序設計

3.1自由口通信的程序設計

S7200 PLC通信協(xié)議的類型有很多，主要有點對點接口（point to point interface，PPI）協(xié)議、多點接口（multipoint interface，MPI）協(xié)議、PROFIBUS協(xié)議、Modbus RTU協(xié)議、自由口協(xié)議等。PPI協(xié)議不能一次性傳輸足夠長的數(shù)據(jù)，而且需要使用用于過程控制的（OLE for process control，OPC）服務器[1718]對程序進行開發(fā)，過程復雜。自由口協(xié)議是由用戶自定義與其他設備的串行通信協(xié)議，使用簡單方便，于是該設計選擇自由口協(xié)議作為該系統(tǒng)的通信協(xié)議。S7200 CPU的通信口可以設置為自由口模式，設置后，端口0或端口1由PLC內部程序來控制，于是整個通信過程就由發(fā)送指令XMT、接收指令RCV、接收完成中斷、字符中斷和發(fā)送完成中斷來控制。S7200自由口通信是基于RS485通信基礎的半雙工通信的，在該協(xié)議下發(fā)送和接收指令不能同時執(zhí)行[19]。

自由端口模式的使用需要在特殊寄存器（SM）中進行參數(shù)設置。因為端口1與上位機通信，所以要對SMB130、SMB187、SMB188、SMB190、SMB192、SMB194進行設置。

SMB130為端口1的控制字節(jié)，自由端口模式控制字節(jié)如圖5所示。圖5中，pp為奇偶檢驗選擇，選擇無校驗，所以是00；d為每個字符的數(shù)據(jù)位，選擇8位/字符，所以是0；bbb為自由端口的波特率，選擇9 600，所以是010；mm為協(xié)議的選擇，選擇自由端口模式，所以是01。綜上所述，控制字節(jié)的二進制表示形式為00001001，轉化為十六進制則為09。

SMB186為消息接收狀態(tài)字節(jié)，當該字節(jié)非零時，RCV指令未被激活或接收已經(jīng)結束。

SMB187～SMB194為RCV指令開始、終止接收數(shù)據(jù)的條件。

SMB187為消息接收控制字節(jié)，消息接收控制字節(jié)如圖6所示。圖6中，en為禁止或允許接收消息，此處為1，表示允許接收消息；sc為起始字符檢測，此處為1，使用起始字符檢測；ec為結束字符檢測，此處為0，不使用結束字符檢測；il為空閑線時間檢測，此處為1，使用空閑線檢測；c/m為1，使用消息定時器來檢測數(shù)據(jù)接收結束狀態(tài)；tmr為1，使SWM192中的時間有效；bk為0，忽略break條件。

SMB188字節(jié)中存放消息的起始字符，SMB190中存放以ms為單位的空閑線時間間隔，SMB192中存放以ms為單位的字符間/消息間定時器的超時值，若超出該時間段，則停止接收消息，SMB194為接收的最大字符數(shù)（1～255B）。

3.2Modbus RTU從站協(xié)議的通信程序設計

工廠中應用的DCS只能識別Modbus RTU協(xié)議，所以在PLC中使用Modbus協(xié)議通信時需要安裝STEP 7Micro/WIN V32指令庫[20]，然后在庫文件中找到“Modbus Slave Port 0”，調用MBUS_INIT指令和MBUS_SLAVE指令。MBUS_INT指令如圖7所示，MBUS_SLAVE指令如圖8所示。

輸入?yún)?shù)Mode為1時，分配Modbus協(xié)議并啟用該協(xié)議。Addr用于設置從站地址，該地址為6，Baud將波特率設置為9 600，Parity為0是無校驗，Delay是以ms為單位的Modbus消息結束的延遲時間。主設備能夠訪問PLC的V存儲區(qū)的最大字個數(shù)用MaxHold表示，PLC中V存儲區(qū)內保持寄存器的起始地址用HoldStart表示。

指令添加之后要分配庫存儲器，Modbus指令需要780B的V存儲區(qū)，為了使MBUS_INIT指令中用HoldStart和MaxHold參數(shù)分配的V存儲區(qū)不重疊，庫存儲區(qū)的起始地址應該在V存儲區(qū)之外。該工程的庫存儲區(qū)設置在VB4000。

4DCS對PLC的數(shù)據(jù)讀取

FOXBORO I/A Series的DCS具有強大的功能，能夠對數(shù)字信息進行實時采集和監(jiān)控。DCS通過FBM231板卡上的RS485接口連接到PLC，然后通過組態(tài)軟件對PLC內存區(qū)中20多個固定的存儲區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，每05 s掃描一次所有內存區(qū)。由于DCS對數(shù)據(jù)的讀取方式與PLC的數(shù)據(jù)存儲方式不同，所以需將采集的數(shù)據(jù)進行高字節(jié)與低字節(jié)互換，才能得到正確的數(shù)據(jù)形式，最后將正確的數(shù)據(jù)顯示在DCS的監(jiān)控界面中，并產(chǎn)生歷史趨勢圖。

5結束語

本文基于自由口協(xié)議和Modbus RTU協(xié)議，設計了由上位機、PLC和DCS組成的稱重數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)，實現(xiàn)了將上位機數(shù)據(jù)遠程傳送到DCS中監(jiān)控的功能，開發(fā)了DCS的信息共享功能。該系統(tǒng)結構精簡，經(jīng)濟性好，并且能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控的要求。該系統(tǒng)運用ADO方式對數(shù)據(jù)進行操作，方便了現(xiàn)場工作人員對數(shù)據(jù)的使用和管理，減少了數(shù)據(jù)查詢時的錯誤，同時提高了企業(yè)的管理效率和管理水平，節(jié)約生產(chǎn)成本。

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