聚四氟乙烯加工設(shè)備中PLC與上位機(jī)的通信設(shè)計(jì)

黃震宇

(無(wú)錫開放大學(xué) 機(jī)電系, 江蘇　無(wú)錫　214011)

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聚四氟乙烯加工設(shè)備中PLC與上位機(jī)的通信設(shè)計(jì)

黃震宇

(無(wú)錫開放大學(xué) 機(jī)電系, 江蘇無(wú)錫214011)

針對(duì)聚四氟乙烯(PTFE)加工設(shè)備進(jìn)行了自動(dòng)化改造，使用虛擬儀器軟件Labview設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的上位機(jī)部分，上位機(jī)使用PPI協(xié)議與S7-200PLC進(jìn)行串口通信，以完成數(shù)據(jù)的采集和狀態(tài)監(jiān)控，并可對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)操控。文章介紹了Labview軟件和PLC之間進(jìn)行通信連接的具體設(shè)計(jì)思路，并列舉了相關(guān)例子加以說(shuō)明。

PLC; Labview; 通信; 聚四氟乙烯

某聚四氟乙烯(PTFE)制造公司有一款電線外護(hù)皮制造設(shè)備，該型號(hào)的設(shè)備主要是將投入設(shè)備的聚四氟乙烯原料進(jìn)行加熱溶解，然后將溶解成液體的溶液通過(guò)擠出裝置擠出，均勻附著在電線外層，最后附著物冷卻形成電線外護(hù)皮。PTFE原料加工的時(shí)候主要是溫度控制需精確，原料要經(jīng)過(guò)多個(gè)工作段的加熱，逐漸將溫度升高至380攝氏度徹底融化后從出摸口擠出，擠出同時(shí)逐漸進(jìn)行降溫冷卻最后定型。原設(shè)備操控模式較簡(jiǎn)陋，設(shè)備的操作，溫度設(shè)定記錄全部是由操作工在現(xiàn)場(chǎng)完成，產(chǎn)品質(zhì)量往往受到操作工操作經(jīng)驗(yàn)的影響。為簡(jiǎn)化設(shè)備的操作，提高設(shè)備溫度控制和采集的工作效率提升成品率急需對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造。

1　設(shè)備改造方案

為了方便設(shè)備的操控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化，本次改造選擇Siemens 公司S7-200 CPU226 PLC作為核心控制單元。同時(shí)選擇Shimaden公司具有RS485串行通信功能的型號(hào)為SRS13-8YN-90-P10050智能溫控表進(jìn)行具體的溫度控制。上位選擇普通PC機(jī)安裝Labview軟件來(lái)進(jìn)行操控，PC機(jī)與PLC之間使用PC/PPI通信線連接，整個(gè)設(shè)備的控制系統(tǒng)見圖1。PLC在系統(tǒng)作為核心控制單元，控制設(shè)備各工作單元的啟停，包括電動(dòng)機(jī)、投料閥、擠出裝置等，同時(shí)還負(fù)責(zé)和智能溫控表進(jìn)行通信獲取實(shí)測(cè)溫度值以及對(duì)溫控表進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。智能溫控表負(fù)責(zé)溫度的具體調(diào)節(jié)和檢測(cè)。上位PC機(jī)由Labview軟件開發(fā)的操控系統(tǒng)對(duì)PLC進(jìn)行控制，獲取PLC中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)、分析。這樣操作人員只需通過(guò)操控PC機(jī)就可以完成對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少了人工環(huán)節(jié)，調(diào)高了自動(dòng)化程度，使產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率都得到了提升。

圖1　設(shè)備的控制系統(tǒng)構(gòu)成

2　溫度控制和檢測(cè)部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案中溫度值的檢測(cè)和控制都是通過(guò)Shimaden公司的SRS13智能溫控表來(lái)進(jìn)行的。使用CPU226CN PLC的一個(gè)通信串口和多個(gè)SRS13智能溫控表構(gòu)成一個(gè)RS485串口通信網(wǎng)絡(luò)。工作時(shí)由PLC向溫控表發(fā)出溫度設(shè)定等命令并接收溫控表發(fā)回的溫度采樣數(shù)據(jù)，而智能溫控表連接溫度傳感器及加熱棒，完成具體的溫度采集和控制工作。雙方的通信協(xié)議選擇島電公司通信協(xié)議，采用ASCII碼的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。溫控表和PLC之間通信使用方法可以通過(guò)Shimaden公司的《數(shù)字調(diào)節(jié)器SRS10系列使用手冊(cè)》查得。

3　上位機(jī)與PLC連接設(shè)計(jì)

虛擬儀器軟件Labview是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使用普通PC機(jī)進(jìn)行儀器開發(fā)，充分利用PC機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能又節(jié)省了成本；而且該軟件采用了圖形化編程方式，使用方便、程序可讀性較高。因此本控制系統(tǒng)選用了Labview作為開發(fā)軟件，連接控制PLC完成設(shè)備各項(xiàng)操作和監(jiān)控。在這個(gè)控制系統(tǒng)中關(guān)鍵問(wèn)題就是確保兩者之間的通信連接。

使用PC機(jī)作為上位機(jī)與Siemens CPU226 PLC進(jìn)行通信連接可以有基本模式可以考慮：OPC server通信和RS485串口通信。使用串口通信軟硬件成本較低。從通信協(xié)議來(lái)看PC機(jī)與Siemens PLC之間通信可選擇PPI 協(xié)議通信、Modbus 協(xié)議通信、自由口通信等多種，其中PPI協(xié)議是Siemens S7-200系列PLC的固化通信協(xié)議，使用該協(xié)議可以簡(jiǎn)化PLC端通信程序的編寫，對(duì)PLC中各類寄存器進(jìn)行讀寫監(jiān)控也比較方便[1]。綜合以上多種因素的考慮，此次PC機(jī)與PLC的通信連接選擇RS485串口通信，通信協(xié)議選擇PPI協(xié)議。

3.1PPI協(xié)議

PPI通信模式是一種主從配合的通信模式，通信過(guò)程中由一臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備作為主站發(fā)起通信數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求，其余設(shè)備設(shè)定為從站工作，配合主站工作[2]。這里將上位PC機(jī)設(shè)定為主站，PLC設(shè)定為從站，工作時(shí)由PC機(jī)將操作數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC從站控制PLC工作，同時(shí)PC機(jī)通過(guò)讀取PLC的相關(guān)存儲(chǔ)位置獲取實(shí)測(cè)的溫度值以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)中通信的關(guān)鍵是主站使用PPI協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。

3.2PPI協(xié)議下主站讀操作命令的組織

PPI協(xié)議下PC機(jī)作為主站對(duì)PLC從站進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)要通過(guò)兩次數(shù)據(jù)收發(fā)才能完成一次數(shù)據(jù)操作。首先主站向從站發(fā)出請(qǐng)求操作命令，從站響應(yīng)主站的指令反饋值為E5；然后主站發(fā)送確認(rèn)指令10 02 5C 5E 16；從站則執(zhí)行操作并返回?cái)?shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)兩次收發(fā)數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)操作過(guò)程。

本次設(shè)備工作時(shí)上位PC機(jī)主要是要讀取PLC中存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)，因此需要PC機(jī)作為主站發(fā)起讀取操作。為了簡(jiǎn)化通信編程，操作時(shí)將需要被讀取的數(shù)據(jù)提前轉(zhuǎn)換為V型數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在PLC VW100開始的連續(xù)8個(gè)字單元中，其中5個(gè)字單元為溫度值，其余為備用存儲(chǔ)空間，用作存放設(shè)備工作的其他狀態(tài)信息。通信時(shí)由PC機(jī)申請(qǐng)一次讀取8字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)操作就可以完成讀取，此后只需要定時(shí)執(zhí)行該操作就可以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)溫度信息。

因此，主站請(qǐng)求操作指令以及從站的返回?cái)?shù)據(jù)較為重要，需要重點(diǎn)分析。主站請(qǐng)求操作指令的基本格式如表1所示。

表1　主站請(qǐng)求操作指令

SD：開始符68H；

LE、LER：長(zhǎng)度(從DA到DU)，各1字節(jié)；

DA：目的地址即從站地址這里設(shè)定為02H ；

SA：源地址主站地址這里定位00H；

FC：功能碼 6CH ；

CC：PLC操作計(jì)數(shù)，4字節(jié)；

GU：數(shù)據(jù)(DU)長(zhǎng)度校驗(yàn)，及分組信息；

DU：數(shù)據(jù)單元，包含所需操作的數(shù)據(jù)相關(guān)信息，如位置，長(zhǎng)短等；

FCS：校驗(yàn)和，校驗(yàn)碼；

ED：結(jié)束符6H。

以讀取PLC VW100開始的連續(xù)8個(gè)字單元的操作要求為例。參照上述指令格式，組織指令串，共33個(gè)字節(jié)皆為16進(jìn)制數(shù)。其中0到21號(hào)字節(jié)對(duì)于讀取一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)是固定的為68 1B 1B 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A[3]。后續(xù)字節(jié)根據(jù)讀操作要求不同進(jìn)行裝填，第22號(hào)字節(jié)為04代表讀取字型數(shù)據(jù)；第24號(hào)字節(jié)為10代表連續(xù)讀取16個(gè)字節(jié)即8個(gè)連續(xù)字?jǐn)?shù)據(jù)；第26，27字節(jié)為01 84代表存儲(chǔ)器類型為V型寄存器；第28-30字節(jié)為00 03 20代表數(shù)據(jù)起始位置偏移量為320H即指向VW100單元；第31字節(jié)為9C是指令串DA到DU的校驗(yàn)值；第32字節(jié)為結(jié)束字節(jié)固定值16H。因此，后續(xù)字節(jié)為合起來(lái)為10 04 00 10 00 01 84 00 03 20 9C 16。

3.3PPI協(xié)議下主站讀得數(shù)據(jù)分析

上位PC機(jī)要獲取數(shù)據(jù)時(shí)就將前文所寫指令串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到從站，確認(rèn)后等待從站反饋的數(shù)據(jù)，獲取反饋數(shù)據(jù)后將有用數(shù)據(jù)分解出來(lái)保存使用。

這里用的是一次讀連續(xù)多個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)的命令，所以響應(yīng)的信息中包含有多條數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息LE=25H。分解時(shí)要注意根據(jù)讀命令的順序?qū)⑵湟灰粚?duì)應(yīng)起來(lái)。反饋數(shù)據(jù)的第21字節(jié)開始為有效信息，數(shù)據(jù)塊以FF 04開始，接下來(lái)的兩個(gè)字節(jié)表示這一數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度，以位計(jì)算，然后依次是連續(xù)的數(shù)據(jù)。因此，反饋數(shù)據(jù)第25號(hào)字節(jié)開始的連續(xù)16個(gè)字節(jié)即為此次讀操作返回的有效數(shù)據(jù)。

3.4PPI協(xié)議下主站寫操作命令的組織

將數(shù)據(jù)從上位機(jī)寫往PLC的命令組織和讀取命令組織相似，但每次只能寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，因此要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控需要進(jìn)行多個(gè)寫操作。包括5個(gè)溫度表設(shè)定溫度值的寫入數(shù)值，主機(jī)設(shè)備的啟停，拉伸，卷?yè)P(yáng)設(shè)備的啟停等相關(guān)操作指令。其中溫度值為字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)往PLC VW200-VW204數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)。設(shè)備的啟停操作為位型數(shù)據(jù)，為了發(fā)送格式統(tǒng)一，可以將它們拼接成字形數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，這些數(shù)據(jù)發(fā)往PLC VW205-VW206數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。因此寫操作共需寫入7個(gè)字形數(shù)據(jù)。

以往PLC VW200數(shù)據(jù)區(qū)寫入設(shè)定溫度值150攝氏度為例。組織的寫命令數(shù)據(jù)串長(zhǎng)度為38個(gè)字節(jié)16進(jìn)制數(shù)，與讀操作類似但有不同。對(duì)于寫一個(gè)字的V存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)0-27字節(jié)信息是固定值為68 21 21 68 02 00 7C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A 10 04 00 01 00 01 84[3]。后續(xù)字節(jié)根據(jù)寫操作要求不同進(jìn)行裝填，第28-30字節(jié)為00 06 40代表數(shù)據(jù)寫入位置偏移量為640H即VW200單元；第31-34字節(jié)為00 04 00 10表示寫入數(shù)據(jù)為字形數(shù)據(jù)；第35-36字節(jié)為00 96即為寫入數(shù)據(jù)溫度值十進(jìn)制數(shù)150；第37字節(jié)為6A是本次指令的校驗(yàn)碼。因此后續(xù)字節(jié)為00 06 40 00 04 00 10 00 96 6A 16。

4　程序設(shè)計(jì)思路

上位機(jī)部分程序設(shè)計(jì)包括操作主界面，主界面如圖2所示，串口操作子VI，讀操作子VI，讀得數(shù)據(jù)分析子VI，寫操作子VI等主要子程序構(gòu)成。

串口操作子VI主要是使用Labview中VISA模塊進(jìn)行串口通信程序的編寫，主要完成串口初始化即通信中的參數(shù)配置，配置為9600波特、偶校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)、1位停止位[4]。該部分程序還要完成串口打開，發(fā)送，接收，關(guān)閉串口的操作。上位機(jī)每隔0.5 s進(jìn)行一次串口操作，完成一次與PLC的通信，通信流程如圖3所示。

讀操作子VI主要是按照上文所述內(nèi)容組織對(duì)PLC進(jìn)行讀操作的指令，針對(duì)下位機(jī)PLC的VW100-VW107數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行讀取操作，由于讀取區(qū)域固定讀操作指令串為固定指令串。讀取前PLC應(yīng)該提前將需要讀取的數(shù)據(jù)存放進(jìn)此區(qū)域，由上位PC機(jī)一次性讀取，以減少操作次數(shù)。

寫操作子VI主要是組織產(chǎn)生對(duì)PLC進(jìn)行寫操作的指令串，該指令串每次只能寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)值不定，所以在寫入指令發(fā)出前應(yīng)該預(yù)先按照格式產(chǎn)生指令串，該指令串中第28～30字節(jié)為寫入PLC的存儲(chǔ)位置，第35～36號(hào)字節(jié)為寫入具體數(shù)據(jù)，第37字節(jié)為本次校驗(yàn)碼。這幾處信息根據(jù)要求在寫入前產(chǎn)生填入，形成完整指令串，流程如圖4所示。

讀得數(shù)據(jù)分析子VI主要將讀操作反饋信息進(jìn)行分析，分離出返回的8個(gè)字形數(shù)據(jù)，將它們分送到溫度值顯示和狀態(tài)顯示的單元進(jìn)行使用流程如圖5所示。

5　結(jié)語(yǔ)

使用Labview通過(guò)PPI協(xié)議與PLC連接通信作為聚四氟乙烯加工設(shè)備的人機(jī)界面，可以有效地完成溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和設(shè)備的操作，減少了人工環(huán)節(jié)，提高了設(shè)備工效。使用Labview軟件作為人機(jī)界面的編程軟件具有界面友好，編程操作方便，數(shù)據(jù)記錄和分析功能強(qiáng)大、有很強(qiáng)的后續(xù)擴(kuò)展性等特點(diǎn)，較使用專門的組態(tài)軟件和觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面來(lái)說(shuō)成本低，這種實(shí)現(xiàn)方式具有較好的使用前景和推廣價(jià)值。

圖2　上位機(jī)操作主界面

圖3　通信流程

圖4　寫操作流程

圖5　讀得數(shù)據(jù)分析流程

[1]吳朋來(lái).Labview和PLC在獲取數(shù)字式傳感器數(shù)據(jù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014(1):278-295.

[2]張立輝.基于LabVIEW的S7-200PLC與計(jì)算機(jī)的通訊設(shè)計(jì)[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013(1):65-67.

[3]黃大偉.LabVIEW與S7_200PLCPPI協(xié)議通訊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2013(4):94-99.

[4]徐啟.PLC和虛擬儀器在煙氣濃度連續(xù)分析系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009(8):68-71.

責(zé)任編輯陳桂梅

Communication design of the upper main computer and PLC in PTEE processing equipment

HUANG Zhenyu

(Electro-machineryDepartment,WuxiOpenUniversity,Wuxi214011,China)

Automatic transformation on PTFE processing equipment has been carried out: using virtual instrument software LabVIEW to design the control system of the upper main computer, which adopts PPI Protocol and S7-200 PLC to perform serial communication to achieve the goal of data acquisition, status monitoring and the real-time manipulating of the equipment. This article introduces the specific design of communication between LabVIEW software and PLC, listing some relevant examples to illustrate it.

PLC; labview; communication; PTFE

2016-06-11

黃震宇(1979—)，男，江蘇常州人，講師，研究方向：電工電子、高職教育。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.05.013

TP 391

A

1671-7880(2016)05-0047-04