PLC通信協(xié)議宏在中波發(fā)射自動化系統(tǒng)中的應用

文丨柯建芳

近年來，隨著科學技術的發(fā)展，中波廣播發(fā)射機也從過去的電子管板調機發(fā)展為全新的全固態(tài)機，為實現(xiàn)自動化控制奠定了基礎。中波廣播自動化控制系統(tǒng)常采用可編程序控制器（PLC）做為前端控制器，通過PLC的輸入、輸出模塊對發(fā)射機進行現(xiàn)場接入控制。但對于那些提供通信端口的發(fā)射機或設備，其內部已經(jīng)配置了微控制器和采樣控制回路，如果還是采用現(xiàn)場接入控制，不僅功能重復，而且有的時候難于實現(xiàn)，例如Thomcast的M2W型中波發(fā)射機，電路板集成度高，對接入?yún)?shù)非常敏感。對于這種類型的設備，只能是通過其串行口，利用其通信協(xié)議來實現(xiàn)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制。如果使用把監(jiān)測控制軟件放在服務器上運行的方式，那么當網(wǎng)絡有故障時設備將失控，因此安全性不夠，最好把監(jiān)測控制軟件放在其上位機的PLC中。過去只包含I/O模塊的PLC是無法實現(xiàn)串行通信功能的，而PLC通信協(xié)議宏的出現(xiàn)解決了這個問題。以下著重介紹使用協(xié)議宏來解決Thomcast的M2W型中波廣播發(fā)射機的自動化控制問題。

1 中波發(fā)射自動化控制系統(tǒng)的總體構成與功能

廈門廣電集團發(fā)射中心202臺中波發(fā)射自動化控制系統(tǒng)主要由受控系統(tǒng)、前端監(jiān)控器、網(wǎng)絡和系統(tǒng)服務器等四部分組成。網(wǎng)絡結構的拓撲結構如圖1。

圖1

總體采用現(xiàn)場分布式結構，每個受控系統(tǒng)都有自己獨立的前端監(jiān)控器，并在其監(jiān)控下工作。受控系統(tǒng)由主/備發(fā)射機、同軸開關、假負載、音頻矩陣及溫控器等組成。

前端控制器采用OMRON公司生產的CS1H-CPU63型可編程序控制器，它是實時監(jiān)控系統(tǒng)中最基本、最核心的單元，在整個系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。它能夠脫離上位軟件和網(wǎng)絡連接而獨立完成對受控系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，對受控系統(tǒng)各種異常狀態(tài)用不同的方式發(fā)出告警信號，并能夠存儲開關機時間表等日常管理流程數(shù)據(jù)。

自動化控制系統(tǒng)的主要功能分為：①基本控制功能(遠程控制及自動開關機等)；②開關量、模擬量的監(jiān)測；③開關機時間表的設定；④與用戶系統(tǒng)及服務系統(tǒng)的通信功能。其中前兩項功能通過PLC通信協(xié)議宏來實現(xiàn)。

2 Thomcast公司M2W發(fā)射機提供的通信協(xié)議分析

M2W發(fā)射機的標準通信協(xié)議幀的格式分為：寫控制幀（控制量）和讀控制幀（狀態(tài)量）。如下表，我們把常用的一些常用的操作指令列出來。

2.1 寫控制：（開關機控制量）

序號 操作指令 備注（N1）1 高功率開機 置高功率開機位為1，再置開機位為12 中功率開機 置中功率開機位為1，再置開機位為13 低功率開機 置低功率開機位為1，再置開機位為14 開機 置開機位為1，將以默認功率開機5 待機（準備） 置待機位為16 關機 置關機位為17 升功率 置升功率位為18 降功率 置降功率位為19 告警復位 置告警復位位為110 滿功率開機 置滿功率位為1

2.2 讀控制：（機器狀態(tài)量）

特別說明：在M2W發(fā)射機內部PLC是采用文件的格式存儲機器信息的，其中：N1——遙控連接的直接命令輸入；N2——本地連接的直接命令輸入（發(fā)射機觸摸屏）；N3——發(fā)射機實際數(shù)據(jù)。N1文件在指令寫入時發(fā)射機將做出反應，從N3文件則可讀取機器的實際數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，通過對這兩個文件的修改和讀取來實現(xiàn)發(fā)射機的控制。

OMRON通信協(xié)議宏的簡介與應用設計

3.1 通信協(xié)議宏概述

序號 操作指令 讀取內容 備注（N2）1當前預設功率 ×0.1 如6400＝100＝10KW 2高功率預設值 ×0.1 如6400＝100＝10KW 3中功率預設值 ×0.1 如4600＝70＝7KW 4低功率預設值 ×0.1 如2800＝40＝4KW 5入射功率 ×0.1 如6400＝100＝10KW 6反射功率 ×0.01 如0A 00＝100＝0.1KW 7相位偏移 具體值 單位：度8射頻電壓 具體值 單位：伏特9射頻電流 具體值 單位：安培10空氣溫度 具體值 單位：℃11控制電壓 ×0.1 如3200＝50＝5V單位：伏特…… …20射頻級循環(huán)測試test stage rot ok＝1，表關閉＝2，表等待＝3，表打開21信號處理測試test SP running＝1，表關閉＝2，表等待/打開22相位測試Phasing test＝1，表關閉＝2，表等待/打開

通信協(xié)議宏是PLC具有的一種通信控制功能，用于為符合具有串行通信端口的通用外部設備的通信規(guī)范的通信協(xié)議創(chuàng)建宏。支持與幾乎所有具有RS-232C或RS-422A/485端口外部通用設備的通信，通過編制通信協(xié)議指令實現(xiàn)對外部通信設備的相應數(shù)據(jù)采集和控制。

CX-Protocol是創(chuàng)建協(xié)議宏應用軟件。協(xié)議宏由通信指令系列組成，支持硬件是PMSU(串行通信單元)。CXProtocol將協(xié)議宏傳送至PMSU、通過CPU單元上的PMCR指令來指定協(xié)議宏的序號并執(zhí)行通信序列。一個通信指令序列由若干步組成，每個步由發(fā)送、接收或者發(fā)送與接收指令組成；可允許用戶根據(jù)處理結果來重復、結束這些步或者對這些步生成分支。

3.2 通信協(xié)議宏的創(chuàng)建

根據(jù)上面的表格，我們先將這些常用操作指令轉換成發(fā)射機通信協(xié)議的指令幀(即協(xié)議宏的通信報文)，通信報文分為發(fā)送報文和接收報文，包含有：報頭、地址、長度、數(shù)據(jù)、錯誤檢驗碼和終止符，但每個字段不是必需的，在發(fā)送報文中，可以僅有數(shù)據(jù)字段（實際上數(shù)據(jù)字段就已經(jīng)包含有報頭、地址、錯誤檢驗碼和終止符）；在接收報文中，存在終止符時，報頭、地址、長度、錯誤檢驗碼也可以不存在，如果數(shù)據(jù)長度固定，則終止符也可以不存在。

根據(jù)M2W發(fā)射機的協(xié)議說明，無論在寫或讀操作，發(fā)送完成后發(fā)射機均會返回一個響應幀，如果出錯則要求重發(fā)，正確則發(fā)送“1006”確認該操作。

3.3 寫控制幀格式

發(fā)送命令：

+++++++++++++++

返回：響應+++++++++++其中，發(fā)送報文可以定義+為報頭字段；+為地址字體；++++++++，可這數(shù)據(jù)字體，為寫入N1中相應操作位的數(shù)據(jù)+為終止符；為錯誤校驗碼。接收報文中的“響應”有三種：接收正確─“1006”；接收錯誤─“1005”；校驗錯誤─“1015”

以發(fā)送“開機”操作指令為例：100201090F008803AA020F89020001001003208d將N1中的“開機位”置“1”，返回：1006100209014F00880310030dc4，則再發(fā)送“1006”確定執(zhí)行開機操作。如果返回“1005”或“1015”則重發(fā)操作指令。

3.4 讀控制幀格式

發(fā)送命令：

++++++++++++++返回：響應++++++++++++其中++++給出功能碼和讀取的范圍和文件類型，其它字段與寫控制的相同。返回時，字段為讀取的機器狀態(tài)數(shù)據(jù)，可用W（）指令寫入DM數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

由于讀取范圍要求不超過240字節(jié)，機器的狀態(tài)數(shù)據(jù)需要分三次才能全部讀出，如發(fā)送：100201090F000101A2EE118900001003e00f則返回1006100209014F0001++0010032864，這樣我們可以讀取到0～240字節(jié)的數(shù)據(jù)，其它數(shù)據(jù)讀取修改范圍即可。

3.5 協(xié)議宏的創(chuàng)建

協(xié)議宏的一個序列由最多16個步組成，一個步包含一條命令操作，該命令分為：“發(fā)送”、“接收”、“發(fā)送與接收”、“打開”、“關閉”、“刷出”或“等待”，通過步中的“下一個過程/出錯過程”來指定執(zhí)行下一步。協(xié)議宏就是通過“步”發(fā)送和接收處理通信報文，完成指令操作的執(zhí)行，所以創(chuàng)建協(xié)議宏可分兩步完成。（1）首先，將“開機”操作指令按寫控制幀格式轉換成協(xié)議宏的發(fā)送報文（SendMessage），SendMessage為：+++++++++++++++，按圖2設置相應字段并存儲為SendMessage1，也可直接設置在數(shù)據(jù)字段里。

3.6 CX-Protocol軟件操作

圖2

圖3

（1）創(chuàng)建各報文：打開CXProtocol軟件，從“File”（文件）菜單中選擇“NEW”（新增）創(chuàng)建一個項目，創(chuàng)建項目后從PLC菜單中選擇“EditPC-PLCCommsSettings”（編輯PC-PLC通信設定）；在項目文件下創(chuàng)建協(xié)議列表（NewProtocollist），右鍵點擊“Create/Protocol”（創(chuàng)建/協(xié)議），指定下列項：協(xié)議名稱、序列起始號、序列結束號和目標；右鍵點擊“Create/Sequence”編制協(xié)議序列，指定下列項：鏈接字、傳送控制參數(shù)、響應類型和監(jiān)測時間（Tr、Tfr、Tfs），一個協(xié)議序列對應一條M2W發(fā)射機操作命令；在通信序列中右鍵點擊“Create/Step”（創(chuàng)建/步），指定下列項：重復計數(shù)器、命令、重試計數(shù)、發(fā)送等待時間、發(fā)送報文、接收報文、有/無響應寫入、下一個過程和出錯過程，每一步就是一條協(xié)議指令。右鍵點擊步列表中的“SendMessage”（發(fā)送報文）或“ReceiveMessage”（接收報文）字段，然后從彈出菜單中選擇“NewMessage”（新報文），將全部使用到的協(xié)議指令輸入為通信報文，必要時做好注釋，便于讀懂程序。（2）創(chuàng)建矩陣：如果要根據(jù)不同的響應報文決定下一步執(zhí)行的步（Step），就需要創(chuàng)建矩陣來完成。右鍵點擊“Create/Matrix”（創(chuàng)建/矩陣）和“Create/MartrixCase”（創(chuàng)建/矩陣實例），預先設定可能返回的響應報文數(shù)據(jù)，改變各響應報文的下一個控制步，一個矩陣中允許最多設定15種報文。如圖4，寫控制指令時，可將“接收B“設為”1006，下一步為發(fā)送“1006”確認；“接收C”為“1005”和“接收C”為“1015”，下一步為重新發(fā)寫指令。（3）傳送項目：選中項目名稱，點擊菜單Protocol-DownloadProtocol，將以上創(chuàng)建的項目傳送至PMSU（從個人計算機到PMSU）。

3.7 創(chuàng)建梯形圖程序

圖4

圖5

梯形圖程序主要有按時間表自動試機、開關機程序和故障處理等程序。梯形圖程序段較長，這里主要介紹在梯形圖中如何調用協(xié)議宏指令。在梯形圖中通過使用PMCR命令來調用協(xié)議宏指令，首先為PMCR指令分配一條功能代碼，然后執(zhí)行PMCR指令。

如圖5所示：控制字1為#02E1，其中0為通信端口（內部邏輯端口號0）；2為端口2；E1為內插板（串行通信板）；控制字2為#2，表示執(zhí)行02號通信序列。第一個發(fā)送字為100，發(fā)送數(shù)據(jù)首字（DM100）

第一個接收字為200，接收數(shù)據(jù)存儲首字（DM200）。當“T機開機”位1213.14置ON并將協(xié)議宏執(zhí)行標志（1919.15：端口2）置OFF時，將調用PMSU上注冊的02號通信序列，從而在通信端口允許標志（A202.00：使用0號通信端口的內部邏輯端口）為ON的情況下經(jīng)由PMSU的端口2發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)硬件連接與測試

4.1 PLC需要用到的兩個通信連接

4.1.1 電腦CX-Protocol軟件與PLC的編程連接

首先，必須先用編程電纜將電腦CX-Protocol軟件連接到PLC的CPU外設口或內置RS-232C口上，然后，設置PLC“設備類型”、和“網(wǎng)絡類型”。

4.1.2 PLC通信板（CS1W-SCB41-V1）與受控通信設備的通信連接

（1）將串行通信板（CS1WSCB41-V1）插入CS1的CPU模塊中，設置終端電阻ON/OFF開關為“ON”及線制開關2線/4線撥到“4”的位置。將通信板（CS1W-SCB41-V1）上的端口2（RS-422A/485）與M2W發(fā)射機的RS-485端口連接。（2）制作通信板與發(fā)射機的數(shù)據(jù)連接線，并連接好兩端通信口。（3）根據(jù)M2W的通信協(xié)議參數(shù)設定為：協(xié)議：全雙工；和檢驗：CRC；COM口：RS422；波特率：19200；每字位數(shù)：8；奇偶Parity:偶數(shù)；停止位Stopbits:1。

5 系統(tǒng)調試

CX-Protocol提供了數(shù)據(jù)跟蹤和監(jiān)測功能，當執(zhí)行數(shù)據(jù)跟蹤操作時，從該點開始，串行通信板對發(fā)送/接收報文中按時間順序排列的數(shù)據(jù)執(zhí)行跟蹤記錄，通過跟蹤發(fā)送或接收數(shù)據(jù)和信號，可根據(jù)步來檢查發(fā)送或接收和各條報文的內容并將其與預設的序列進行對比，查找程序的出錯原因。筆者在調試中體會到在使用通信協(xié)議宏時，必須注意下面幾個問題，否則可能會造成通信失敗。（1）執(zhí)行PMCR指令時，最好使用上升沿微分觸發(fā)PMCR指令，否則可能引起各條指令間的沖突。（2）根據(jù)實際測試發(fā)射機的接收和反饋時間，設置發(fā)送完成監(jiān)測時間Tfs為0.2S、接收等待監(jiān)測時間Tr為0.2S和接收完成監(jiān)測時間Tfr為0.4S，既能保證指令的完整發(fā)送，又節(jié)省等待時間，并可以防止協(xié)議宏進入死鎖狀態(tài)。（可參考操作手冊中監(jiān)測時間的計算方法）。

6 出錯處理

PLC設置有特殊輔助區(qū)，存儲PLC運行狀態(tài)，協(xié)議宏在發(fā)生以下任一錯誤時，根據(jù)設定的重試計數(shù)自動重復執(zhí)行同一個步（最多3次）：①監(jiān)測時間（Tfs、Tr、Tfr）已過。②發(fā)生了接收通信錯誤。③接收報文不正確。④校驗碼存在錯誤。

類型 名稱 分配區(qū) 內容協(xié)議宏 協(xié)議宏執(zhí)行標志（各端口） 端口1：CIO1909位：15端口2：CIO1919位：151：協(xié)議宏（序列）執(zhí)行0：協(xié)議宏（序列）異常執(zhí)行通信端口 通信端口允許標志 A202，位：0 0：允許1：不允許傳送錯誤生成狀態(tài) 正常 端口1：CIO1908位15端口2：CIO1918位151：通信錯誤0：正常中止強制中止開關（各端口） 端口1：CIO1900位03端口2：CIO1900位11 對于強制中止，設定為從0到1強制中止產生標志 端口1：CIO1909位13端口2：CIO1919位131：強制中止已執(zhí)行0所有其它時間

發(fā)生異常時，可通過這些狀態(tài)了解異常情況，并可應用這些狀態(tài)位進行程序保護。以CS1為例常用的有：

7 結束語

通信協(xié)議宏不單可以實現(xiàn)對中波發(fā)射機房M2W發(fā)射機的自動化控制，而且還可以應用在各種具有串行通信端口的設備上；如果采用RS-422A/485串行通信端口，還可以實現(xiàn)1：N控制（最多32部）外部通信設備。此應用系統(tǒng)在我臺投入運行以來，能安全、穩(wěn)定、可靠地工作，整個控制系統(tǒng)靈活、方便、一體化控制，大大提高了廣播播出系統(tǒng)自動化、網(wǎng)絡化的管理水平，具有很好的實用性和行業(yè)中的推廣價值。

[1] OMRON.SYSMACCXProtocol1.9版CXONE-AL@@C-V4/AL@@D-V4操作手冊，2010（2）.

[2] OMRONCORPOTAION.SYS MACCSSeriesProgrammableControllers ProgrammingManmal，2003.

[3] Thomcast.M2W中波發(fā)射機技術手冊，1998（4）.

[4] 張丕灶.數(shù)字式調幅中波發(fā)射機.廈門大學出版社，2002（5）.