PLC 通信方式及其在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

平 路

（國(guó)網(wǎng)三門(mén)峽供電公司， 河南 三門(mén)峽 472000）

0 引言

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)用于對(duì)工業(yè)設(shè)備或場(chǎng)所進(jìn)行監(jiān)視控制，監(jiān)控系統(tǒng)一般包括傳感器、控制器、執(zhí)行器，控制器用的較多的是PLC，PLC 與PLC 之間，PLC 與傳感器、 執(zhí)行器之間的通信方式多種多樣， 通信方式的選擇和實(shí)施是監(jiān)控系統(tǒng)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，本文擬對(duì)以PLC 為核心的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的通信方式和具體實(shí)現(xiàn)方法加以分析。

1 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

常用的本地工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)設(shè)備和環(huán)境參數(shù)的傳感器，如溫度、壓力、流量等傳感器，用于控制設(shè)備和環(huán)境因素的各種執(zhí)行器，如變頻器、電磁閥、接觸器等，以及與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配套的觸摸屏、儀器儀表等。如果需要遠(yuǎn)程監(jiān)控，還需要云智能網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)、智能終端等設(shè)備。本文主要分析本地工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，其常用構(gòu)架見(jiàn)圖1。

圖1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)常用通信方式

在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC 是監(jiān)控系統(tǒng)核心器件，本文以西門(mén)子S7-1200PLC 為例介紹現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)常用的通信方式。

2.1 智能IO 設(shè)備通信

如果一個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)站組成， 每個(gè)站由一個(gè)S7-1200PLC 控制，則可以將其中一個(gè)PLC 做為上位機(jī)（主站），其它PLC 做為該上位PLC 的智能IO 設(shè)備，用智能IO 設(shè)備通信方式，將各個(gè)站的信息匯集到上位PLC，也可以從上位PLC 下發(fā)控制指令到其它做為智能IO 設(shè)備的PLC 中。

2.2 分布式IO 通信

分布式IO 通信是指PLC 與分布式IO 設(shè)備之間的通信。當(dāng)S7-1200PLC 的本機(jī)需要分層分機(jī)架布局IO 點(diǎn)時(shí)，可以采用這種通信方式。

2.3 開(kāi)放式以太網(wǎng)通信

開(kāi)放式以太網(wǎng)通信適宜于PLC 與其它設(shè)備間的報(bào)文傳輸。 TSEND_C 指令把發(fā)送數(shù)據(jù)塊的指令發(fā)送給對(duì)方，TRCV_C 指令將從對(duì)方接收的數(shù)據(jù)存放在接收數(shù)據(jù)塊中。

2.4 Modbus RTU 通信

Modbus RTU 通信用于與支持Modbus RTU 通信協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行通信。 PLC Modbus RTU 通信指令有三條：MB_COMM_LOAD 指令、MB_MASTER 指令和MB_SLAVE指令。 儀器儀表、變頻器等用Modbus RTU 協(xié)議通信的比較多。

2.5 自由口通信

S7-1200PLC 的自由口通信是串行通信。 適宜與不支持Modbus 協(xié)議的儀器儀表通信。 S7-1200PLC 的自由口通信指令有兩條： 一是SEND_PTP （發(fā)送數(shù)據(jù)）； 二是RCV_PTP（接收數(shù)據(jù)）。

3 PLC 通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

S7-1200PLC 之間，S7-1200 與其它設(shè)備儀器之間不同通信方式的實(shí)現(xiàn)方法和步驟如下：

3.1 PLC 之間的智能IO 設(shè)備通信

PLC 之間的智能IO 設(shè)備通信方式可用在兩個(gè)或多個(gè)PLC 之間通信。

（1）硬件與接線(xiàn)。 兩個(gè)或多個(gè)PLC 之間通過(guò)交換機(jī)，用網(wǎng)線(xiàn)連接。

（2）組態(tài)與編程。 ①添加兩個(gè)或多個(gè)PLC，設(shè)置IP 地址，使不同PLC 處于同一網(wǎng)段；②智能設(shè)備通信是主從通信，在擬作為從站的PLC 的硬件組態(tài)中，點(diǎn)擊PLC 的網(wǎng)口，在屬性的常規(guī)-操作模式-智能設(shè)備通信中，設(shè)置發(fā)送區(qū)和接收區(qū)；③根據(jù)上述發(fā)送區(qū)和接收區(qū)的設(shè)置，分別在主PLC 和作為智能IO 設(shè)備的從PLC 進(jìn)行編程。

3.2 PLC 與閥島的分布式IO 通信

（1）硬件與接線(xiàn)。 智能閥島是智能IO 與電磁閥匯流板的集成產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的離散式電磁閥相比，簡(jiǎn)化了接線(xiàn)，增加了分布式IO 的控制功能。

分布式IO 集成了通信接口、電源模塊、I/O 模塊等。

PLC 與閥島之間用網(wǎng)線(xiàn)連接。

（2）組態(tài)與編程。

GSD 文件安裝：①打開(kāi)Portal 軟件，打開(kāi)項(xiàng)目視圖，點(diǎn)擊選項(xiàng)中的管理通用站描述方件（GSD）；②選擇閥島所對(duì)應(yīng)用GSD 文件，安裝。

設(shè)備組態(tài)：①選擇網(wǎng)絡(luò)視圖，點(diǎn)擊硬件目錄，選擇過(guò)濾；②點(diǎn)擊Profinet 下的I/ O；③雙擊Syckin Intelligent 下的SV2Series；④連接PLC 和分布式IO；⑤設(shè)定智能閥島參數(shù)：修改閥島IP 地址；⑥修改閥島名稱(chēng)。

組態(tài)擴(kuò)展模塊：在設(shè)備視圖右側(cè)硬件目錄中，選中模塊下的SV2PN，拽到設(shè)備視圖中。

編程：硬件組態(tài)后，根據(jù)智能閥島屬性中的分配地址進(jìn)行編程。 智能閥島只有輸出Q 地址。

3.3 PLC 與RFID 的開(kāi)放式以太網(wǎng)通信

（1）硬件與接線(xiàn)：①硬件：PLC 與RFID 的開(kāi)放式以太網(wǎng)通信硬件包括PLC 和RFID。 RFID 是一種非接觸的射頻識(shí)別技術(shù)， 通過(guò)射頻信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)標(biāo)簽數(shù)據(jù)并進(jìn)行讀寫(xiě)傳輸； ②接線(xiàn)：RFID 與PLC 通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接；③RFID 軟件調(diào)試：RFID 軟件調(diào)試包括IP 地址設(shè)置、 端口號(hào)、功率、讀取模式等。

（2）編程：PLC 與RFID 開(kāi)放式以太網(wǎng)通信用到了兩條指令：TSEND_C 指令和TRCV_C 指令，這里以和TRCV_C指令為例分析。 TSEND_C 指令如圖2 所示。

圖2 TSEND_C 指令

TSEND_C 指令參數(shù)含義如下：

REQ：在上升沿啟動(dòng)發(fā)送工作。

CONT：控制通信連接，0-斷開(kāi)通信連接；1-建立并保持通信連接。

LEN：發(fā)送的最大字節(jié)數(shù)，如果在參數(shù)DATA 中使用純符號(hào)值，則LEN 參數(shù)的值必須為0。

CONNECT：指向連接描述的指針，這個(gè)包含連接關(guān)系的指針會(huì)自動(dòng)生成。

DATA：發(fā)送數(shù)據(jù)塊，需要將其屬性中的優(yōu)化數(shù)據(jù)塊中的對(duì)鉤去掉并編譯，并在其中建數(shù)組變量。

編程方法：編程中先將RFID 中的報(bào)文內(nèi)容分別寫(xiě)在發(fā)送數(shù)據(jù)塊的數(shù)組元素中， 然后啟動(dòng)發(fā)送指令RCV_C，將發(fā)送數(shù)據(jù)塊中的內(nèi)容發(fā)送到RFID 中， 然后啟動(dòng)TRCV_C 指令接收RFID 反饋的數(shù)據(jù)。

3.4 PLC 與變頻器的Modbus RTU 通信

（1）硬件與接線(xiàn)：PLC 與變頻器的Modbus RTU 通信需要的硬件為：支持Modbus 的變頻器、S7-1200 的PLC、S7-1200 配套的通信擴(kuò)展板CB1241 或擴(kuò)展模塊CM1241。

需要注意： 接線(xiàn)時(shí)要將CM1241 或CB1241 的RS485的A 端或正端接變頻器的B 端，RS485 的B 端或負(fù)端接變頻器的A 端，這一點(diǎn)與其它RS485 的接線(xiàn)方式有所不同。

（2）組態(tài)和編程：①組態(tài)。 將硬件目錄-通信模塊-點(diǎn)到點(diǎn)中的CM1241（RS485）添加到PLC 模塊的左側(cè)通信擴(kuò)展槽中，并設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)，如“9600-N-8-1”等；②編程。編程中要用到Modbus RTU 指令：MB_COMM_LOAD 和MB_MASTER 或MB_SLAVE 指令。 這里以主站指令MB_MASTER 為例介紹。

MB_COMM_LOAD 指令作用： 組態(tài)Modbus 通信端口，該指令只需執(zhí)行一次。

MB_COMM_LOAD 指令主要參數(shù)含義：

REQ：上升沿執(zhí)行

PORT：通信端口ID。

PARITY：奇偶校驗(yàn)選項(xiàng)。 0-無(wú)、1-奇、2 偶。

BAUD：波特率。

MB_DB：指向MB_MASTER 的背景數(shù)據(jù)塊。

DONE：指令執(zhí)行完畢，無(wú)錯(cuò)。

ERROR：錯(cuò)誤，0-無(wú)錯(cuò)、1-有錯(cuò)。

STATUS：錯(cuò)誤代碼，存在WORD 變量中。

MB_MASTER 指令作用：作為MASTER 主站，可以訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)或多個(gè)MASTER 從站中的數(shù)據(jù)，因?yàn)镽S485 通信是半雙工，所以多個(gè)MASTER 指令要進(jìn)行輪詢(xún)?cè)L問(wèn)。

MB_MASTER 指令主要參數(shù)含義：

REQ： 請(qǐng)求輸入，0-無(wú)請(qǐng)求，1—請(qǐng)求將數(shù)據(jù)發(fā)送到MASTER 從站設(shè)備。

MB_ADDR：Modbus RTU 從站地址。 默認(rèn)地址范圍：0-247。

MODE：模式選擇：讀取、寫(xiě)入或診斷。

DATA_ADDR：從站中的起始地址，指定Modbus 從站中將要訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)起始地址，比如40001。

注意：ModbusRTU 設(shè)備協(xié)議中的數(shù)據(jù)地址和指令中的Modbus 寄存器地址之間需要換算。 DATA_LEN：從站中被訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。 以位或字為單位。

DATA_PTR： 參數(shù)是指向用來(lái)寫(xiě)入或讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊或位存儲(chǔ)器的指針， 書(shū)寫(xiě)參考格式：P#DB1.DBX0.0 INT 2。

利用上述兩條指令就可以讀取或?qū)懭胱冾l器參數(shù)，如啟停命令或運(yùn)行頻率等。

3.5 PLC 與掃碼槍的自由口通信

如果儀器儀表不支持Modbus 協(xié)議， 就需要采用S7-1200PLC 的自由口通信協(xié)議來(lái)完成PLC 與儀器儀表的通信。

（1）硬件和接線(xiàn)：掃碼槍內(nèi)置二維碼傳感器。 二維碼傳感器由光源發(fā)出的光線(xiàn)照射到條形碼， 反射光成像在光電轉(zhuǎn)換器，譯碼成數(shù)字信號(hào)經(jīng)自由口通信傳輸給PLC。

掃碼槍上有網(wǎng)口， 可分解為RS232 串口和USB 口。用調(diào)試軟件設(shè)置掃碼槍參數(shù)時(shí)，需要用網(wǎng)口轉(zhuǎn)USB 轉(zhuǎn)接線(xiàn)與電腦相連。

PLC 需要在左側(cè)擴(kuò)展一個(gè)RS232 的通信模塊， 以便與PLC 進(jìn)行串口連接。

（2）組態(tài)和編程：①掃碼槍軟件設(shè)置。點(diǎn)擊設(shè)置-點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)置-點(diǎn)擊掃描設(shè)置-將解碼格式改為感應(yīng)模式-點(diǎn)擊保存到設(shè)備。在設(shè)置里面點(diǎn)擊通信接口-點(diǎn)擊RS232 設(shè)置-將通信格式設(shè)置為“9600-N-8-1”，點(diǎn)擊保存到設(shè)備；②PLC 硬件組態(tài)： 將硬件目錄-通信模塊-點(diǎn)到點(diǎn)中的CM1241（RS232）添加到PLC 模塊的左側(cè)通信擴(kuò)展槽中，并設(shè)置其對(duì)應(yīng)參數(shù)，如“9600-N-8-1”等；③編程：編程會(huì)用到兩個(gè)通信指令：一個(gè)是SEND_PTP，其功能是發(fā)送發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)；另一個(gè)是RCV_PTP，其功能是啟用接收信息，將接收的數(shù)據(jù)放在接收緩沖區(qū)中。

這里以RCV_PTP 為例進(jìn)行介紹。

RCV_PTP 的位置：

指令-通信-通信處理器-點(diǎn)到點(diǎn)。可以將其拖拽到程序編輯區(qū)中。

RCV_PTP 指令參數(shù)含義：

EN_R：?jiǎn)⒂媒邮罩噶睿仙赜|發(fā)。

PORT：通信模塊的端口標(biāo)識(shí)符，當(dāng)添加了通信模塊后會(huì)自動(dòng)生成端口標(biāo)識(shí)符。

BUFFER：指向接收緩沖區(qū)的起始地址，不要在接收緩沖區(qū)中使用STRING 類(lèi)型的變量。 新建一個(gè)掃碼槍數(shù)據(jù)接收DB 塊，在其中新建變量Array[0..10]，然后將其屬性中優(yōu)化的塊訪(fǎng)問(wèn)的對(duì)鉤去掉，對(duì)塊進(jìn)行編譯。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了工業(yè)設(shè)備及場(chǎng)所的本地監(jiān)控系統(tǒng)中PLC 與PLC 之間，PLC 與其它設(shè)備器件之間的通信方式及實(shí)現(xiàn)方法，這些方法分為兩類(lèi)：以太網(wǎng)通信（智能IO 設(shè)備通信、分布式IO 通信、開(kāi)放式以太網(wǎng)通信）和串行通信（Modbus 通信、自由口通信）。 本文所分析通信方式也可在其它領(lǐng)域推廣應(yīng)用。