基于S7-200PLC的自由口通信在卷板機控制系統(tǒng)中的應用

江 寧，宋亞林

（鄂州職業(yè)大學機械工程學院，湖北 鄂州 436000）

0 前言

卷板機用于將各種規(guī)格的鋼板卷制成需要的筒體，為便于操作和維修，設備都需要配置觸摸屏或工控機，將設備的各種工作信息實時顯示，并對設備在不同工況下的工作，設置相應的控制參數，記錄工件卷制過程中的經驗數據，設備的操作使用更趨近于數控化。卷板機使用PLC作為控制單元，因卷板機的特性，除需要常規(guī)上的數據采集監(jiān)控外，還需要針對卷板機的機械結構，建立卷板工藝的數學模型，該模型在編程中需要大量采用遞歸算法，計算結果對于操作生產才有實際的指導意義。對于觸摸屏而言，一般都只支持腳本編程，在計算過程上花費的時間很多，造成用戶體驗效果極差，因此在要求較高的卷板機上都需要配置工控機，滿足復雜計算功能。PLC使用的是西門子S7-200的小型系列，本體通信采用RS485物理接口，自帶PC／PPI通信協(xié)議和MPI協(xié)議，但該協(xié)議不公開，支持用戶自編程實現自由口通信，通信協(xié)議內容可自定義。工控機使用windows系統(tǒng)支持RS232C協(xié)議，從成本角度考慮，可直接用一根RS232轉RS485通信電纜連接，完成PLC與工控機間的數據交換。因此，PLC上的自由口通信編程和工控機上與之配套讀寫PLC數據的通信程序需要技術人員自主開發(fā)，這項技術除對軟件很熟悉外，還需要考慮硬件特性，工業(yè)現場抗干擾和穩(wěn)定性要求，對很多卷板機生產企業(yè)而言是一大技術難題。

1 系統(tǒng)需求

卷板機監(jiān)控系統(tǒng)需要具備如下功能：參數設置；位移、壓力、按鈕和電磁閥等各種電氣元件的實時工作狀態(tài)數據；工藝計算；歷史數據記錄；自動控制工藝參數修改與下載；要考慮全液壓機型，傳感器較多，I／O點較多。統(tǒng)計后機器上配置最多的各類傳感器達到18個，按照一個傳感器有4個字節(jié)數據量計算；電磁閥達到44個，用中間繼電器轉換控制，再加上電機和指示燈等，輸出點按照60個統(tǒng)計；操作按鈕和接近開關等開關量輸入點按照80個點統(tǒng)計。即設備自身數據需要滿足72＋18＝90個字節(jié)的數據通信量，同時自動控制時的一些變化型控制參數，例如當前設定的位移數據，報警點，按照60個字節(jié)數據量計算?？傆?50個字節(jié)數據需要實時從PLC傳送到微機上顯示；并且顯示數值和狀態(tài)位要穩(wěn)定可靠，在設備不工作時不得有突變，跳動或紊亂現象，傳感器數據需要將測量處理后的結果真實正確顯示。設備工作時在無外界干擾情況下，數據顯示與靜態(tài)時同等要求；而且在工作時數據變化情況和狀態(tài)位的變化情況與電器、設備動作同步，不得出現視覺上的滯后，不得出現電器元件由工作切換到停止、工作輥由移動切換到停止時，顯示的狀態(tài)和位移數據還在變動。對于卷板機控制參數和自動控制工藝參數，需要正確下載到PLC中，能配合PLC邏輯控制完成自動流程工作。電氣系統(tǒng)采用德國西門子S7-200PLC作為下位機，上位機采用臺灣研華工控機。上位機監(jiān)控系統(tǒng)中的工藝計算數學模型由卷板機設計工程師根據機械設備結構數據提供理論力學公式，控制系統(tǒng)結合卷板操作工藝，經過復雜的計算，轉化為最后能指導卷板操作所需的幾組數據。上位機的計算不是一直在進行，只在需要的時候才執(zhí)行，更多的時候系統(tǒng)處理顯示與畫面刷新任務和與下位機的通信任務，相對于微軟多任務系統(tǒng)而言，目前市場上普遍使用的，上位機PC硬件系統(tǒng)都足夠。下位機能夠對西門子S7-200系列所有PLC通用。

2 自由口通信設計

自由口通信分為下位機PLC編程設計和上位機編程設計，雙方需要預先約定通信協(xié)議的格式和內容。RS232C串口通信一次最多傳輸字節(jié)數是255。按照系統(tǒng)需要分析結果：微機需要讀PLC中150個字節(jié)數據；按照起始符1個，效驗符2個，數據150個，效驗符2個，結束符1個的字節(jié)順序安排數據，共156個通信字節(jié)數據需要讀?。晃C將參數和工藝數據下載到PLC，稱為寫，可考慮不上傳到微機，按照堆棧形式排隊，可多次執(zhí)行自動寫的操作，縮短通信周期，即讓通信更多的時間用在讀取數據上。寫數據協(xié)議按照字節(jié)數安排為：PLC的V區(qū)地址值占4個，數據值占8個，數據類型碼占1個，異或校驗碼占1個，結束符占1個，按照該格式每次寫通信數據量為15個字節(jié)約定。

2.1 自由口通信

自由接口模式允許程序控制S7-200 CPU的通訊端口，讓用戶定義通訊協(xié)議與多種智能設備通訊，支持ASCII和二進制協(xié)議，可使用特殊內存字節(jié)SMB30控制0號端口，SMB130控制1號端口。

傳送指令（XMT）和傳送中斷：“傳送”指令允許S7-200 CPU從COM端口最多傳送255個字符。傳送完成時，傳送中斷向S7-200中的程序發(fā)出通知。

接收指令（RCV）和接收中斷：“接收”指令從COM端口接收整條信息，完全收到信息后，生成中斷。接收中斷通知用戶程序在COM端口中已收到字符。程序則可根據正在執(zhí)行的協(xié)議處理該字符。

使用S7-200的SM內存配置“接收”指令，根據定義的條件開始和停止信息接收?！敖邮铡敝噶钤试S程序根據具體字符或時間間隙開始或停止信息接收。

自由接口模式僅限在S7-200處于RUN（運行）模式時才成為激活。將S7-200設為STOP（停止）模式會使所有的自由接口通訊暫停，通訊端口則返回在S7-200系統(tǒng)塊中配置的 PPI協(xié)議設置［1］。

通信配置結構如圖1所示。

圖1 配置結構圖

使用配備電子標尺的S7-200 CPU，該電子標尺有一個RS-232端口；PC／PPI電纜將標尺上的RS-232端口與S7-200 CPU上的RS-485端口連接；S7-200 CPU使用自由接口與標尺通訊；波特率范圍從1 200 b至115.2 kb；可以使用PC／PPI電纜和自由接口通訊功能將S7-200 CPU與很多與RS-232標準兼容的設備連接。當數據從RS-232端口傳送至 RS-485端口時，PC／PPI電纜位于“傳送”模式。當電纜空閑或從RS-485端口向RS-232端口傳送數據時，電纜位于“接收”模式。一旦檢測到RS-232傳送線路上的字符時，電纜立即從“接收”模式轉換為“傳送”模式。PC／PPI電纜支持1 200 b至115.2 kb的波特率。使用PC／PPI電纜外殼上的DIP開關將電纜配置為正確的波特率。波特率和開關位置見表1。

表1 波特率和開關位置

當RS-232傳送線路位于空閑狀態(tài)時間達到定義的電纜周轉時間時，電纜開關返回“接收”模式。

如果在使用自由接口通訊的系統(tǒng)中使用PC／PPI電纜，S7-200 CPU中的程序必須在以下情形下能夠識別周轉時間：

S7-200對RS-232設備傳送信息作出應答。當S7-200從RS-232設備接收到請求信息時，S7-200必須延遲應答信息的傳送，時延必須大于或等于電纜的周轉時間。

RS-232設備對從S7-200 CPU傳送的信息作出應答。當S7-200 CPU從RS-232設備接收應答信息后，S7-200必須延遲下一則請求信息的傳送，時延必須大于或等于電纜的周轉時間。

在上述兩種情形下，延遲均允許PC／PPI電纜有足夠的時間從“傳送”模式轉換為“接收”模式，以便從 RS-485端口向 RS-232端口傳送數據。

即一個通信流程為：上位機發(fā)請求信號，S7-200回復應答信號，延時。因該通信方式為自由口通信，兩端串口收發(fā)過程數據處理全部由技術人員完成，在適合硬件特性基礎上，通信完全可由技術人員自定義，最終以實現穩(wěn)定可靠的通信為前提，這也是自由口通信的一大特點與優(yōu)勢，基于該原理完成通信編程設計。

設計時既要考慮上位機PC端串口硬件處理能力，又要通過高級編程語言，完成數據可控、可操作、符合配套項目需要的數據內容。又要考慮通信數據量不同導致傳輸時間的問題影響通信的連續(xù)性。包含下位機PLC編寫自由口通信用戶程序，上位機串口通信開發(fā)應用程序。程序完成需要反復調試，確保正確性和穩(wěn)定性，才能在工程項目使用。

下位機PLC使用西門子的V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9編程軟件，使用一個初始化子程序；兩個中斷服務程序：一個接收數據處理，一個發(fā)送指定內存區(qū)的數據。主要流程圖分別如圖2～4所示。

圖2所示初始化子程序僅在PLC上電后程序執(zhí)行的第一個周期執(zhí)行一次，作用為設置串口通信波特率為19.2 kb／s［S1］，設置接收完成后的空閑延時時間，設置與上位機約定的結束字符，每次接收的最大字符數，通信端口號和中斷啟用。

圖2 串口初始化

圖3 所示接收數據處理主要在接收到結束字符后，對接收緩沖區(qū)指定地址中的數據根據不同數據類型所代表的字符碼進行判斷后，分類，轉換，異或校驗，將校驗正確的數據分配到指定的寄存器地址中。

圖3 接收中斷

圖4 所示發(fā)送數據中斷則主要是隨時將指定寄存器中的連續(xù)數據一次性送到串口緩沖區(qū)，設置包含發(fā)送起始地址、數據長度、效驗碼、結束符等約定信息，并通過串口發(fā)送到上位機。在PLC中使用半雙工通信，在發(fā)送時禁止接收，僅在接收到結束字符并處理完成后返回，才調用發(fā)送中斷，時間控制就比較重要；同樣上位機PC在接收PLC數據并處理完成后才向下位機PLC發(fā)送新的請求信息，避免收發(fā)同時進行，造成通信堵塞中斷。系統(tǒng)正常運行后接收與發(fā)送將循環(huán)進行。

圖4 發(fā)送中斷

2.2 上位機程序設計

在上位機PC端，卷板機需要的數據，考慮數據量的擴展性，PC的RS232串口設備特性，根據自由口通信約定，功能分為串口初始化，串口監(jiān)測，數據發(fā)送，數據接收處理，使用VC6.0軟件平臺開發(fā)，主要通信流程分別如圖5～7所示。

圖5為串口初始化，使用哪一個硬件串口，設置異步通信模式，設置串口通信波特率，檢測串口反饋信息，設置收發(fā)緩沖區(qū)，開啟第二線程，避免與windows系統(tǒng)處理時間沖突。該功能僅執(zhí)行一次。

圖5 串口初始化

圖6 為數據發(fā)送功能，無寫操作時，發(fā)送一幀默認準備好的字節(jié)，一幀字節(jié)數15個，字節(jié)數據功能與排列規(guī)律與下位機PLC約定一致。有寫操作時，將要發(fā)送新的數據按照約定格式進行轉換，排列；有多個數據則排隊，串口發(fā)送按照堆棧方式進行，后進先發(fā)。每發(fā)送一幀數據后延時60～120 ms，根據接收數據量的大小調節(jié)。

圖6 數據發(fā)送

圖7 為接收功能，為簡化與穩(wěn)定，初始化時接收固定數量的數據，根據結束符，判斷接收結束后，對數據進行校驗，校驗正確則將接收緩沖區(qū)數據轉換，分解，送到寄存器中，通過調用函數供設備取用。完成后向線程發(fā)送消息，準備下一輪數據的發(fā)送與接收工作。

同樣上位機程序中需要控制串口以半雙工方式工作，接收與發(fā)送不可同時進行。上位機主動發(fā)送指令，下位機被動接收后應答，再發(fā)送指定寄存器中的數據，上位機接收數據處理。若通信正常則按照該流程循環(huán)進行，如圖8所示；若通信失敗，分兩種情況，一是設定串口不存在或串口損壞，二是PLC不在Run位置或通信電纜沒有連接，則上位機將報告通信中斷故障。第一種情況下上位機停止發(fā)送指令，程序控制每間隔1 000 ms掃描一次串口，直到串口硬件正常，再按第二種情況執(zhí)行；第二種情況下上位機持續(xù)發(fā)送指令，直到上位機接收到正確的約定字符。則恢復通信流程。

圖7 數據接收校驗

圖8 通信數據流

3 通信數據處理與應用

卷板機接收的交互數據包含3到7個浮點數類型的位移，2到10個浮點數類型的壓力，1個浮點數類型的溫度數據，自動控制功能上要求的2到6個浮點數類型的位置設定值，工作狀態(tài)指示，報警點，DI／DO輸入輸出等開關量信號，所有數據全部存放到V地址區(qū)。以上數據需要從PLC發(fā)送到上位機進行顯示，數據以字節(jié)為單位，浮點數和長整數占用連續(xù)4個字節(jié)，整數占用連續(xù)2個字節(jié)，8個開關量占用一個字節(jié)，數據量大小150個字節(jié)能夠滿足使用并略有富余，富余供備用，再約定起始字符＠和結束字符CR，校驗字符*，在ASCLL碼中分別對應十進制數64、13、42，一次從下位機發(fā)送156個字節(jié)的數據，為節(jié)約數據在PLC中的處理時間，這些數據不做轉換，在PLC內存V地址區(qū)中按照通信約定協(xié)議排列直接送到上位機，由上位機將PLC中的數據進行高低字節(jié)轉換，對浮點數類型還需將普通二進制編碼調整為浮點數編碼，進行正確顯示。

上位機送到PLC的數據包含地址信息，數據，數據類型信息（0-無處理，1-置位，2-復位，3-字節(jié)，4-字，5-雙字），異或效驗碼和結束符（十進制數248），為保證數據的準確性和避免字符值和通信協(xié)議約定的結束符產生沖突，將數據按二進制排列，每4個二進制位一組轉換為ASCLL碼送到緩沖區(qū)，則數據范圍為16進制的0～F，32位雙字數據占用8個字節(jié)，PLC寄存器地址以16為整數，占用4個字節(jié)，操作類型1個字節(jié)，異或校驗結果1個字節(jié)，結束字符1個字節(jié)。發(fā)送該數據的主要功能是向下位機中執(zhí)行寫數據操作。一般情況下，只有在上位機進行參數設定時才會出現；更多的時候是上位機沒有寫操作要求，則發(fā)送操作數據類型定義為0，下位機接收到后不做任何處理，僅按照通信流程向上位機發(fā)送156個字節(jié)的顯示數據。另外在上位機發(fā)送后延時60 ms等待接收，接收完成后再延時80 ms發(fā)送，該時間用于上位機進行數據處理和保證通信數據處理完成，按照該設計利用VC＋＋6.0編程軟件，建立MFC動態(tài)庫項目，設置接口調用函數，主要是串口打開設置與初始化函數：參數是串口號，波特率；串口狀態(tài)監(jiān)控函數：返回當前硬件串口狀態(tài)；設置數據長度：設定接收有效數據的長度，當前設定為150；設置通信收發(fā)時間函數：參數是發(fā)送后延時時間，接收后延時時間；各類型數據讀函數：參數是PLC地址值，返回指定類型數據值；各類型數據寫函數：參數是指定的地址和需要寫入的數據；串口關閉函數：參數是串口號，退出系統(tǒng)時需要調用。調試完成后生成動態(tài)庫文件，直接在卷板機控制系統(tǒng)項目中鏈接后使用，應用項目中對動態(tài)庫中的其他內部私有參數不能修改，也不能修改通信內部程序結構和邏輯，確保通信過程和數據不受破壞，具有良好的封裝性。

針對不同的設備，小數據量時，可減少發(fā)送字節(jié)數，使通信周期減小，從而提高數據處理時間和降低延時時間，設備動態(tài)和數據顯示同步性更好；另外數據發(fā)送目前采用單次發(fā)送一個數據，對于自動數控卷板機來講，需要根據板材參數計算卷板工藝時生成的各步工藝數據，單次發(fā)送耗時較長，操作體驗較差，可增加接口函數和調整延時時間，實現一次發(fā)送多個數據，并修改PLC程序中的接收邏輯與之配套實現；如對接收顯示數據量有更多要求的，還可以在現有150個字節(jié)的基礎上繼續(xù)增加，但最多不能超過248個字節(jié)數據。在通信功能結構保持不變的情況下，可擴展出小數據量接收和大數據量寫操作的功能。自由口通信針對西門子S7-200全系列PLC，S7-200 smart全系列PLC都適用，因此凡用以上兩種PLC為控制單元的所有設備，都可以使用該通信動態(tài)庫完成上位機和下位機的數據交互。

在此基礎上分別開發(fā)完成2XW11S-150X3200全液壓三輥卷板機控制應用程序，與之配套的PLC控制程序。卷板機實際需要的數據為6個位移，10個壓力，1個溫度，自動控制設定值有4個浮點數，共21個浮點數；狀態(tài)位6個字節(jié)，報警點5個字節(jié)，I／O點16個字節(jié)共27個字節(jié)，電磁閥和I／O點重合，實際使用了111個字節(jié)，空閑39個字節(jié)備用。

數據顯示分為浮點數、整數、開關量三種類型顯示，將卷板機各油缸的壓力、位移、自動控制到位數據、時間、設備運行狀態(tài)，報警提示，電磁閥工作狀態(tài)等，按需分類后通過調用函數調用并顯示在操作界面中；對系統(tǒng)控制參數，保護參數設置則執(zhí)行一次寫操作函數調用，正確送入PLC指定地址和數據類型。

微機CPU為雙核2.1GHz，安裝Windows XP專業(yè)版純凈操作系統(tǒng)，控制軟件運行后，操作設備工作，可目測看到數據顯示和設備動作同步，自動控制狀態(tài)下設定工作輥到達指定位置，工作輥停止移動時界面上的位移數據同時到達，狀態(tài)指示燈同時熄滅，實時性滿足設備操控要求。另外測試驗證收發(fā)延時總時間超過250 ms后，數據顯示變化和設備動作，電氣元件通斷聲音之間有明顯滯后現象，說明實時性較差，在200 ms時能基本滿足要求，在160 ms以下沒有明顯差異。若時間低于100 ms，發(fā)現數據有卡頓現象，變化的數據在顯示上不連續(xù)，有停頓和跳躍，部分狀態(tài)指示不正確，說明時間過小影響通信效果，時間過大影響顯示實時性，當然不同的PC配置不同延時時間會略有差異。

系統(tǒng)初調完成后，設備在出廠調試使用階段和用戶使用過程中沒有出現任何數據顯示方面的問題，連續(xù)跟蹤三個月使用正常，說明通信功能達到當初設計功能要求，系統(tǒng)也穩(wěn)定，在隨后的卷板機控制系統(tǒng)中開始廣泛使用。既有普通對稱式三輥卷板機，液壓式水平下調試三輥卷板機，也有四輥卷板機和各型板材矯平機，都在使用該通信控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定性和適用性已成為湖北鄂重重型機械有限公司卷板機和矯平機控制系統(tǒng)的標準配置。

4 結束語

自由口通信功能的開發(fā)，是在卷板機功能要求的基礎上完成的，和配套的PLC控制組合，能滿足設備控制與使用中的通信數據量要求，數據讀寫實時性非常好，數據顯示沒有滯后，參數設置方面的寫操作能夠及時生效，很好的滿足了操作要求，使用過程中系統(tǒng)穩(wěn)定性經過了驗證。以動態(tài)庫文件形式封裝后提供給工程技術人員使用，在此基礎上應用于各型卷板機和矯平機控制系統(tǒng)，都能很好滿足應用要求。

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