水下生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

甘宜洋 程武山

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是深海油氣田開發(fā)最為核心的組成部分，其工作是否穩(wěn)定、可靠直接影響整個(gè)油氣開采系統(tǒng)的工作性能，我國(guó)現(xiàn)行的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏，同樣也無(wú)相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，更沒有專用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試的相關(guān)平臺(tái)和測(cè)試基地[1，2]。因此，對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的研究和專用測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)不僅具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值，而且可以帶動(dòng)國(guó)內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)研究工作，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要由主控站、液壓動(dòng)力站、臍帶纜和臍帶纜分配單元、水下采油樹、水下管匯、跨接管及水下控制系統(tǒng)等組成。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測(cè)試主要針對(duì)各個(gè)單元部件工作性能進(jìn)行測(cè)試[3]，具體可分為：驗(yàn)收測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)接收測(cè)試及生產(chǎn)調(diào)試等內(nèi)容。測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)模擬水下生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)單元器件進(jìn)行壓力測(cè)試，檢驗(yàn)其工作性能是否滿足API 17、ISO 13628及 NORSOK等標(biāo)準(zhǔn)。為保證測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)采集的有效性和可靠性，筆者開發(fā)了一套基于PLC模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與實(shí)時(shí)采集。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成①

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DCS控制方式[4]，實(shí)現(xiàn)集中控制分散管理，具體包括管理層和控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層(圖1)。管理層(數(shù)據(jù)控制中心)根據(jù)生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)的工藝要求，負(fù)責(zé)將采集到的水下生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層各功能模塊的數(shù)據(jù)上傳到工控上位機(jī)，并通過(guò)工業(yè)組態(tài)軟件KingVIEW，將數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、圖像顯示及數(shù)據(jù)歸檔等可視化操作。控制層由CPU224系列PLC和模擬量擴(kuò)展模塊EM231組成，主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要由壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)及渦街流量計(jì)等計(jì)量設(shè)備組成，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。對(duì)于現(xiàn)在的測(cè)量系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)傳輸速率和穩(wěn)定性影響著測(cè)試系統(tǒng)的整體質(zhì)量，因此當(dāng)前測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是計(jì)算機(jī)和PLC的通信。本測(cè)試系統(tǒng)主要進(jìn)行水下采油樹可靠性測(cè)試，通過(guò)搭建模擬測(cè)試平臺(tái)，完成對(duì)器件的氣壓、水壓及油壓等各環(huán)節(jié)的聯(lián)合檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目及其主要參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 表1 主要測(cè)試參數(shù)

測(cè)試項(xiàng)目 最小值/psi 最大值/psi 回路油壓 8 250 15 000 14水壓 6 000 30 000 6氣壓 6 000 30 000 6壓力艙 150 5 075 2

由于串行通信具有線路簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，并且普通機(jī)上均有串行口，所以通常上位機(jī)與PLC之間的通信都是采用串行通信的方式，本設(shè)計(jì)采用自由口通信方式。

2 自由口通信協(xié)議

所謂自由口通信模式即Freeport模式，是建立在硬件基礎(chǔ)上的一種通信方式，它允許用戶自己定義一些簡(jiǎn)單、基本的通信協(xié)議設(shè)置[5]，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)等，通信功能完全由用戶程序控制，為了方便自由口通信，S7-200 PLC配有發(fā)送與接收、通信與接收中斷和用于通信設(shè)置的特殊功能寄存器。

2.1 數(shù)據(jù)格式

使用自由口通信前，必須了解自由口通信工作模式的定義方法，即控制字的組態(tài)。S7-200 PLC的自由口通信數(shù)據(jù)字節(jié)格式必須含有一個(gè)起始位、一個(gè)停止位，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為7位或8位，校驗(yàn)位和校驗(yàn)類型(奇、偶校驗(yàn))可選(圖2)。字符傳輸從最低位開始，空閑線高電平、起始位低電平、停止位高電平。字符傳輸時(shí)間取決于波特率。PLC通信口工作在自由口模式時(shí)，通信口就不支持其他通信協(xié)議(如PPI)，此時(shí)，通信口不能再與編程軟件Micro/WIN通信。PLC的CPU停止時(shí)，自由口不能工作，Micro/WIN就可以與PLC的CPU通信。

圖2 自由口通信數(shù)據(jù)格式

2.2 工作方式

自由口通信定義方法為將自由口通信操作數(shù)傳入特殊寄存器 SMB30(端口0)和 SMB130 (端口1)進(jìn)行端口定義。自由口通信主要通過(guò)發(fā)送接收指令、特殊功能寄存器配置和中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，端口0常用中斷事件見表2。

表2 自由口通信相關(guān)的中斷事件

字符發(fā)送通過(guò)XMT指令完成，字符接收可由RCV指令或字符接收中斷實(shí)現(xiàn)。自由口工作過(guò)程大體可分為：

a. 根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送特點(diǎn)，分配發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

b. 設(shè)置自由口通信參數(shù)，選擇接收發(fā)送字符方式；

c. 執(zhí)行發(fā)送指令，字符發(fā)送完畢進(jìn)入相應(yīng)的中斷事件；

d. 進(jìn)入字符發(fā)送完中斷事件，執(zhí)行接收指令 RCV，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

2.3 字符接收指令與字符中斷

報(bào)文的結(jié)束字符只有 8 位，與接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)位數(shù)相同，因此在數(shù)據(jù)接收過(guò)程中可能造成二者混淆。通常在發(fā)送前對(duì)數(shù)據(jù)作某種處理，例如將數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為 ASCII碼后再發(fā)送，并使用不會(huì)與ASCII碼相混淆的數(shù)據(jù)作為結(jié)束字符，接收方收到數(shù)據(jù)后將它還原為最初的數(shù)據(jù)格式，這樣是可以解決上述問(wèn)題，但是會(huì)增加編程的工作量和數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間。如果在設(shè)計(jì)通信程序時(shí)使用接收字符中斷，就可以對(duì)收到的每個(gè)字符進(jìn)行判斷和處理，能有效地解決數(shù)據(jù)字符與結(jié)束字符混淆的問(wèn)題。為確保系統(tǒng)通信的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用字符中斷方式接收字符。

3 下位機(jī)PLC通信協(xié)議

計(jì)算機(jī)與PLC通信時(shí)，為了避免通信中各方爭(zhēng)用通信線，一般采用主-從方式，即計(jì)算機(jī)為主機(jī)，PLC為從機(jī)，只有主機(jī)才有權(quán)主動(dòng)發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，從機(jī)收到后返回響應(yīng)報(bào)文(圖3)。本設(shè)計(jì)中KingVIEW為主站，S7-200PLC為從站，設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了PC/PPI電纜切換時(shí)間、數(shù)據(jù)幀異或校驗(yàn)、結(jié)束字符及數(shù)據(jù)字符混淆等問(wèn)題，減少了通信故障。

圖3 主-從式通信示意圖

3.1 自由口初始化

S7-200PLC的自由口模式通信是對(duì)用戶完全開放的通信方式，設(shè)計(jì)時(shí)可以自行規(guī)定通信協(xié)議，CPU只有處于RUN狀態(tài)下才能工作在自由口模式。通過(guò)將SMB30(端口0)或SMB130(端口1)的協(xié)議選擇區(qū)域置1，可以將通信端口設(shè)置為自由端口模式，或者使用特殊寄存器位SM0.7來(lái)控制自由口模式。以端口0為例，通過(guò)SMB30還可以設(shè)置校驗(yàn)方式、波特率及數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度等，具體如圖4所示。

圖4 控制字節(jié)SMB30

圖4中，相應(yīng)的校驗(yàn)方式、波特率及數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度等的取值為：

PP 校驗(yàn)選擇

00=不校驗(yàn)

01=偶校驗(yàn)

10=不校驗(yàn)

11=奇校驗(yàn)

d 字符數(shù)據(jù)位

0=每個(gè)字符8位

1=每個(gè)字符7位

bbb 自由口波特率

000=38 400bit/s

001=19 200bit/s

010=9 600bit/s

011=4 800bit/s

100=2 400bit/s

111=57 600bit/s

其他

mm 協(xié)議選擇

00=PPI/從站模式

01=自由口模式

10=PPI/主站模式

11=保留

選擇自由口通信口0，波特率為 38 400bit/s，8 位數(shù)據(jù)，無(wú)校驗(yàn)，1 個(gè)停止位。在這種情況下，SMB30賦值為16#01。通常在通信口初始化過(guò)程中，還要中斷連接指令連接接收完成中斷、接收完成中斷等子程序。

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

S7-200PLC配有發(fā)送和接收指令，通信和接收中斷，用于通信設(shè)置的特殊標(biāo)志位，通過(guò)相關(guān)寄存器的配置和程序組態(tài)，可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.2.1數(shù)據(jù)發(fā)送

發(fā)送數(shù)據(jù)可以用XMT指令，XMT指令激活發(fā)送緩沖區(qū)(TBL)中的數(shù)據(jù)，其格式為發(fā)送字節(jié)數(shù)和信息字符。緩沖區(qū)的第一個(gè)數(shù)據(jù)指明了要發(fā)送的字節(jié)數(shù)，最大為255個(gè)，PORT指定了用于發(fā)送的端口0。在發(fā)送完緩沖區(qū)最后一個(gè)字符時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷事件9，通過(guò)監(jiān)視SM4.5信號(hào)，也可以判斷發(fā)送是否完成。

本系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)單元共28個(gè)，模數(shù)轉(zhuǎn)換后，把2Byte的整數(shù)轉(zhuǎn)換為4Byte的實(shí)數(shù)即工程值，所以需要發(fā)送給KingVIEW的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為112Byte，故劃分發(fā)送緩沖區(qū)如圖5所示。其中，VW44為存放接收數(shù)據(jù)按字節(jié)異或校驗(yàn)的次數(shù)；VW54為存放發(fā)送數(shù)據(jù)按字節(jié)異或校驗(yàn)的次數(shù)；VD60為發(fā)送緩沖區(qū)的首指針；VD66為指向發(fā)送緩沖區(qū)的指針；VB200為發(fā)送緩沖區(qū)的首字節(jié)。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)

3.2.2數(shù)據(jù)接收

使用字符中斷方式接收數(shù)據(jù)，接收每個(gè)字符時(shí)都會(huì)產(chǎn)生中斷事件8。在執(zhí)行與接收字符事件相連的中斷程序前，接收的字符存入SMB2寄存器中，校驗(yàn)狀態(tài)存入SM3.0。SMB2、SM3.0都是只讀的。SMB2為特殊標(biāo)志位，是自由口接收字符緩沖器。在自由口方式下收到的每個(gè)字符都放到這里便于用戶程序進(jìn)行存取。

接收緩沖區(qū)的格式，以起始字符作為接收?qǐng)?bào)文的開始，校驗(yàn)碼為接收緩沖區(qū)中“數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)”與數(shù)據(jù)區(qū)各字節(jié)的異或和。因?yàn)樵谧址邮罩袛喑绦蛑惺歉鶕?jù)收到的字符個(gè)數(shù)來(lái)判別接收是否結(jié)束，所以沒有設(shè)置結(jié)束字符。其中，VW8為存放PLC的地址；VD40為存放接收緩沖區(qū)的首指針；VW44為存放接收數(shù)據(jù)按字節(jié)異或校驗(yàn)的次數(shù)；VD46為指向接收緩沖區(qū)的指針；VB100為接收緩沖區(qū)的首字節(jié)。

3.3 自由口通信程序

3.3.1通信流程

S7-200PLC與KingVIEW自由口通信流程設(shè)計(jì)如圖6所示,主要流程為：

a. 通過(guò)SMB30.1=1或SM0.7=1方式，打開自由口通信；

b. 串口初始化，將參數(shù)寫入控制字節(jié)，開中斷；

c. 有需要接收的字符時(shí)，執(zhí)行接收任務(wù)，將收到的字符存入接收緩沖區(qū)中；

d. 執(zhí)行發(fā)送指令XMT，將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給KingVIEW；

e. 完成發(fā)送后，執(zhí)行發(fā)送完中斷程序，等待下一幀數(shù)據(jù)。

圖6 通信程序流程

3.3.2部分通信程序

自由口通信程序采用模塊化編寫方式，主要包括串口初始化子程序、字符接收中斷子程序等。部分程序如下：

/****主程序****/

LD SM0.1

CALL SBR0//調(diào)用串口初始化子程序SBR0；

LD SM0.7

=SM30.0//PPI與自由口方式轉(zhuǎn)換控制位；

/****初始化子程序****/

LD SM0.0

MOVW +2, VW8//設(shè)置PLC通信地址為2；

LD SM0.0

MOVB 1, SMB30//設(shè)置參數(shù)，波特率38400，自由口模式，無(wú)校驗(yàn)；

MOVD &VB100, VD40//接收緩沖區(qū)地址傳送；

MOVW +10, VW54//發(fā)送校驗(yàn)次數(shù)10；

MOVB 12, VB150

MOVB VB9, VB151

MOVD &VB151, VD60//發(fā)送緩沖區(qū)首地址

MOVB 6, SMB34//定時(shí)6ms

ATCH INT0, 10//連接定時(shí)中斷0

ATCH INT1, 8//連接接收字符中斷子程序1；

ENI

/****發(fā)送子程序****/

LD SM0.0

MOVB 250, SMB34

ATCH INT7, 10//起用發(fā)送時(shí)間監(jiān)控

ATCH INT7, 9//發(fā)送中斷(發(fā)送完成時(shí)觸發(fā))起用服務(wù)程序INT7

A SM4.5

XMT VB150, 0

/****部分接收子程序****/

LD SM0.0

XORW SMW1, AC0//記住異或的次數(shù)

MOVB SMB2, *VD46//將讀寫代碼存入VB100

INCD VD46//指針VD46指向VB101

DECW VW44//異或的次數(shù)VW44-1=10-1=9

LD SM1.0

4 上位機(jī)KingVIEW通信設(shè)置

自由口通信時(shí)，KingVIEW配置主要包括定義設(shè)備、I/O地址選擇、通信參數(shù)設(shè)定及定義變量等環(huán)節(jié)。KingVIEW定義設(shè)備時(shí)選擇：PLC/西門子/S7200系列/自由口。I/O設(shè)備地址：由于S7-200系列PLC 的型號(hào)不同，設(shè)備地址的范圍不同，筆者選用S7-200PLC，所以PLC的地址選擇2。通信參數(shù)設(shè)置：波特率為38 400bit/s，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為8，停止位長(zhǎng)度為1，校驗(yàn)方式為無(wú)校驗(yàn)，如圖7所示。定義變量：在數(shù)據(jù)字典中選擇相應(yīng)的寄存器和數(shù)據(jù)類型，設(shè)定變量類型，主要有I/O整數(shù)、I/O實(shí)數(shù)、I/O離散、I/O字符串，對(duì)于不同類型的變量，配置不同的讀/寫屬性。

圖7 KingVEIW通信參數(shù)設(shè)置

實(shí)際通信調(diào)試時(shí)，根據(jù)特殊需要，對(duì)有關(guān)變量要進(jìn)行特殊設(shè)置：

a. 對(duì)于只寫寄存器，采集頻率設(shè)置為0；

b. 當(dāng)V寄存器BIT類型為只寫類型時(shí),寫入1下發(fā),寫入0無(wú)效 , 默認(rèn)為0；

c. STR寄存器與V寄存器的BIT類型要一一對(duì)應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

PLC 由于其高可靠性、編程簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在自控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。筆者根據(jù)水下生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)控制要求開發(fā)了基于自由口模式通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與運(yùn)行表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、速度快及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，壓力采集精度達(dá)到0.01psi，適用于水下生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。