AS200PLC与工业仪表串口通讯的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：方欣蕾（2003），女，汉族，陕西西安人，本科，西北工业大学，研究方向自动化与仿真技术；张红勇（1974），女，汉族，山西忻州人，本科，西安理工大学，高级工程师，研究方向系统集成及工业自动化。-199-AS200PLC 与工业仪表串口通讯的研究 方欣蕾1 张红勇2 1.西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710000 2.西安理工大学工程训练中心，陕西 西安 710000 摘要：摘要：PLC 稳定可靠、模块多样、功能灵活、安装维护便捷，以 PLC 为核心的主、从站控制网络，提高了设备的信息化、智能化，在很多行业领域的机电设备上广泛应用。协议开放、成本低、传输距离远的串口 Modbus 通讯是常用的通讯方式，对于主站、从站交换数据没有严格时间要求的应用场合，PLC 主站对从站的轮训程序，逐条扫描执行，完成对各从站读、写数据，不受时间限制；对主、从站双方之间交换数据有时间要求的应用场合，PLC主站对从站的轮训程序需要与定时器协调、配合，同步满足条件，才能触发执行，轮训程序执行受时间限制，导致从站多、数据量大时，交换有延时滞后，不能满足工艺需求。本文研究基于 AS200PLC 串口 Modbus RS485 主、从站双方之间交换数据有时间要求的应用，经过编程、实际测试，解决了 AS200PLC 串口 Modbus 交换数据有严格时间要求的应用场合,数据格式不同、范围不够、交换滞后时，编程思路及通讯方式选择的问题。关键词：关键词：AS200PLC；串口 Modbus；主站；从站 中图分类号：中图分类号：TP393 1 系统硬件及控制要求 温度是很多机、电设备的一个重要被控制和监控量，本文研究基于对多台加热设备的集中监控，硬件选用文献1-4国产台达 AS200PLC 作为主站，第三方温控仪表欧陆5-6为现场设备从站的温控仪表；集中监控要求，主站对每个从站设备加热状态的关键参数如温度设定值、测量值、加热状态等实时读取，集中监控；对读取上来的众多参数，参与温度控制的核心参数温度设定值，根据生产工艺要求，按时间段进行线性增大、减小的修改调整，并按时向从站写入实时更新的新数据，达到对从站远程控制的目标。实现集中远程监控，PLC 主站从欧陆从站读取、向欧陆写入的参数包含 BOOL、INT、FLOAT 类型，温度数值有效范围300.00-1800.00。图 1 系统硬件网络拓扑结构 系统硬件网络拓扑结构，见图 1：主站为 AS200系 PLC，从站为高精度温控仪表欧陆，通讯接口采用成本低、抗干扰强、运行稳定的串口 MODBUS RS485。AS200 系 PLC 完成串口通讯，有串口通讯指令MODRW 和 CPU 内建数据交换两种方式可选。针对主、从双方之间交换数据有时间要求的应用需求，方式 1 用定时器 TIMER 与串口通讯指令 MODRW 串行或并行方式配合，作为控制通讯轮训程序执行的触发条件；方式 2用户编写的数据处理程序与 CPU 内建数据交换配合，用户编写的数据处理程序完成参数格式转换、更新，供给 CPU 内建数据交换通讯使用。经过详细测试对比，总结了两种通讯方式各自的特点，实现了系统控制目标。2 台达 AS200 系 PLC 串口通讯应用测试 2.1 MODRW 串口通讯指令 2.1.1 MODRW 串口通讯指令编程思路 通过 MODRW 通讯指令编写用户通讯程序，PLC 主站按固定顺序、对每个从站周期性调用启动通讯执行命令（SM96 置 ON）、复位通讯收发完成标志（SM100 复位），完成对各从站的读、写操作，如下图 2：中国科技期刊数据库 工业 A-200-图 2 通讯功能基本程序 MODRW 指令形参说明：S1 通讯站号 类型为字 word 或整形 int S2 通讯功能码 类型为字 word 或整形 int S3 读写资料的地址 类型为字 word 或整形 int S 读写资料的存储地址 类型为字 word 或整形 int 或布尔 bool N 读写资料长度 类型为字 word 或整形 int S1 通讯站号，有效范围 0-254；S2 通讯功能码，16#01 读取位元装置，16#03 读取字元装置，16#05位元装置写入，16#06字元装置写入；S 读写资料的存储地址，类型为 word，决定了数据范围为-32768+32767。图 3 方案一串行方式 交换数据有时间要求，轮训程序与定时器配合方式，采用下图 3 的方案一串行方式，定时器计时时间到，启动执行轮训程序，当对所有从站读、写一个周期完成后，复位定时器，开始新一轮计时；此方案，轮训程序执行周期内，定时器计时中断，必然会导致按时向从站写入新数据的时刻延时滞后。采用下图 4的方案二并行方式，轮训程序主体不受时间约束，自由轮训，对受时间限制写入从站的参数，时间未到，轮训程序本周期跳过对从站的写入操作，时间到，执行写入，同时复位定时器；此方案，定时器计时的时间与轮训程序执行写入从站的时间，两个时间也不能完全保证同步，存在计时时间到，轮训程序没有执行到需要写入修订的参数，定时器只能等待，反之，轮训程序执行到需要写入修订的参数了，定时器还差很短的时间没有到，此轮训周期内，写入只能跳过，即轮训程序与定时器相互之间总会存在不同步，相互等待，多个周期的累积依然会导致按时向从站写入新数据的时刻延时滞后。从轮训程序执行过程的理论分析，存在不能满足生产工艺控制需求的可能性很大。图 4 方案二并行方式 2.1.2 串口通讯指令 MODRW 实际测试 测试情况 1：PLC 主站连接 1 个从站仪表，从从站读两个参数，对其中一个参数按照时间以一定斜率线性修订，且按时将更新的数据写回从站；实际测试结果，轮训程序与定时器不论用串行方式、并行方式思路编程，运行 10 小时以上,写入从站的数据准确，没有误差。测试情况 2：以 PLC 主站连接 2 个从站的仪表，主站从每个从站读两个参数、对其中一个从站的一个参中国科技期刊数据库 工业 A-201-数按照时间以一定斜率线性修订，且按时将更新的数据再写回从站；测试结果：不论上述哪种思路编程，运行时间短，在 10 分钟内，写入从站的参数滞后不明显，与时间曲线对应吻合；运行时间长，写入从站的参数与时间曲线对应偏离，30 分钟误差达 10%以上（见下表 1：从站参数 1 以+0.60/min 修订，轮训程序与定时器串行方式配合，记录的一组实际测试数据）。系统运行时间递增，参数偏差递增，不能满足工艺应用需要。提升通讯波特率，效果没有改善。表 1 主从站交换测试数据 从站参数1 读取 时间（min）从站参数 1 写入 实际值 理论计算值 偏差 630.00 1 630.60 630.60 0.00 630.60 2 631.20 631.20 0.00 631.20 3 631.80 631.80 0.00 631.80 4 632.40 632.40 0.00 632.40 5 632.99 633.00-0.01 632.99 10 635.90 636.00-0.10 635.90 15 638.66 639.00-0.34 638.66 20 641.19 642.00-0.81 641.19 25 643.68 645.00-1.32 643.68 30 646.12 648.00-1.88 关于交换数据的格式、范围，MODRW指令的形参S，读、写资料的存储地址，类型为 word 或 int，决定了数据范围在-32768 +32767 区段，轮训程序对 int型数据进行转化，转为浮点数，上限范围满足不了工艺参数需要的浮点范围 300.00-1800.00。2.2 CPU 内建数据交换 AS200 系 CPU 内建了基于标准 MODBUS TCP 协议的数据交换功能，串口 COM 通过 MODBUS 协议与从站的远程设备进行数据交换。2.2.1 CPU 内建数据交换的启动 启动 CPU 内建数据数据交换，根据需要在串口编辑区进行设置，如下图 5。（1）CPU 内建数据交换的启动方式有三种：程控方式，由 PLC 的程序控制数据交换是否执行的标志SM 状态。PLC 执行方式，当 PLC 为 RUN 的状态时，自动执行设定的数据交换，为 STOP 时会停止通讯。永远执行方式，只要 PLC 上电，不管从站状态，不断执行数据交换。（2）初次启动，自动侦测远程装置，执行此功能，数据交换前，PLC 会检测数据交换表已指定的从站是否存在，若不能成功检测到从站，认定该指定从站不存在，不进行联机通讯，节省通讯效率。使用此功能，需保证从站上电比主站快，能处于接收通讯指令状态。图 5 CPU 内建数据交换启动 2.2.2 CPU 内建数据交换数据的设定 对 PLC 主站与从站仪表需要交换的数据，按如下图 6 步骤定义设定：（1）在串口数据交换编辑区，点工具栏添加选项，将需要交换的新一组数据加入表格；（2）勾选左侧的启动项，代表此组数据交换启动；（3）点击每一组数据，完成本地（主站）的设置 启动项代表数据表格中的此组数据要按照前述选择的数据交换启动方式启动交换；最短更新周期单位（ms），设定此组数据进行数据交换的时间周期；连线超时单位（ms），设定若从站仪表设备超过此设定时间未响应，视为逾时处理；支持同步读写（功能码 0 x17），利用特定的 MODBUS 功能码，主站可在一次命令当中完成读与写的交换动作，以提高数据交换的效率。启用此功能时，特别是与第三方仪表交换时，需提前确认参与数据交换的所有仪表装置都有支持同步读写的 MODBUS 功能码，否则会出现从站在接收到主站的命令后，无法识别同步读写该功能码，造成读写失败。图 6 CPU 内建数据交换设定（4）远程装置（从站）的设置 远程站号用于设置进行数据交换的目标从站设备站号；IP 地址为目标从站设备 IP 地址（只支持以太网络）；远程装置类型设置目标从站设备的机种，包括台达 PLC 与第三方标准 MODBUS 设备。中国科技期刊数据库 工业 A-202-（5）主站读取从站数据区块的设定 当 PLC 主站从从站仪表设备读取数据时，设定PLC 主站用以存放读取到的数据的装置类别、装置起始地址，并约定要读取的从站仪表装置类别、起始位置、及读取的数据长度。（6）主站写入从站数据区块的设定 当 PLC 主机向从站仪表设备写入数据时，设定PLC 主站源数据的装置类别、起始地址，并约定从站仪表被写入数据的装置类别、起始位置、及写入的数据长度。2.2.3 CPU 内建数据交换实际测试 数据交换启动，控制系统主站和从站独立供电，所以初次启动，自动侦测远程装置不启动；控制方式选择程控模式，便于根据从站状态，灵活操控，提高系统工作效率。数据交换，周期固定，保证了主站和从站之间，每一组数据都会周期性地定时读、写交换，不会存在某个周期有跳过、遗漏。交换数据装置，可以是单寄存器、多寄存器、位、IO 点；数量决定了交换数据的存储范围、格式，通过选择数据装置与数量，可以扩大数据范围、类型。测试过程，主站 PLC 装置选择多寄存器、数量设为 2，从站欧陆存储参数有 word 和 double word 格式可选，选 double word 格式，实现了主站 PLC 与从站仪表之间以浮点数格式进行读、写交换，满足系统对数据的需要，节省了数据格式不是实际需要，再对读取的数据进行转换处理的程序部分。以 PLC 主站连接 4 个从站点的仪表，主站从各从站读两笔数据、按时写一笔数据进行实际测试。向从站写入的数据，用户程序按时计算、更新，由数据交换定时把更新的数据写入从站。测试结果，运行在 10小时以上，按照时间曲线要求，写入从站的数据准确，与时间曲线对应吻合，人的感官感觉不到误差，证实了能满足实际生产工艺需求。3 台达 AS200 系 PLC 串口通讯应用总结 经过对台达AS200系PLC串口通讯两种方式MODRW指令与 CPU 内建数据交换实际测试，得出如下结论：CPU 内建数据交换，周期固定、独立，保证了主站和从站之间，每一组数据都会被按周期定时交换读、写；克服了用 MODRW 指令编程，定时器 T 与轮训程序相互配合，相互等待造成延时滞后的问题；CPU 内建交换，数据装置、数量灵活可选，扩大了数据范围、类型，可以交换浮点数，符合大部分工业生产数据格式需求；克服了用 MODRW 指令编程，单字寄存器数据范围不足、类型单一的缺点；对于没有时间要求的主、从站数据读、写交换，MODRW 指令自由轮训，CPU 内建数据交换以固定周期执行，两种方式都可以选择使用，选哪种方式主要取决于数据范围、类型要求；对有时间要求的主、从站数据读、写交换，如果只有 1 个从站，数据读、写交换参数量少，且范围、类型满足参数需要，可以用 MODRW 指令；如果从站大于 1 个，选 CPU 内建数据交换方式，数据装置、范围、类型灵活；根据工艺要求，选择从站仪表合适的数据类型。为了适应不同行业的使用需求，工业仪表对同一参数，在不同地址，会以不同格式、类型储存，根据使用要求，选择从站合适的数据类型进行读、写交换，是成功、高效通讯的保障。4 结语 经过对 AS200 系 PLC 通讯指令 MODRW 和 CPU 内建数据交换两种串口通讯方式编程、实际应用测试，各自的特点、使用场景如上所述，根据控制要求，及第三方仪表的配置，成功用低成本、抗干扰强的串口通讯方式实现了数据范围大、浮点格式、读写交换有时间要求的应用，已经用于实验室教学研究，更新了专业课教学设施，让在校学生真实接触了国产工控主流产品，助力培养社会行业对毕业生需求的基本能力；对于通讯指令 MODRW 与定时器配合克服解决数据交换滞后的问题，文献8-11调整欧陆获得对加热设备温度的最佳控制效果、及文献7PLC 更多的功能，后续会继续深度学习研究、测试，将新的心得、突破与大家分享。参考文献 1台达 AS 系列快速入门手册 TC_20220609 Z.2台达 AS 系列程序手册 TC_20220520Z.中国科技期刊数据库 工业 A-203-3台达 AS 系列硬件及操作手册 SC_20220504Z.4台达 AS 系列 ISPSoft 软件使用手册 SC_20210420Z.5欧陆控制器 3500 系列使用手册Z.6欧陆控制器 3500 系列通讯及地址使用手册Z.7廖常初.PLC 应用技术问答M.北京:机械工业出版社,2006.8李强.滞后温度系统控制方法D.成都:西南交通大学,2009.9中冶京诚.自主研发带有高精度模型的加热炉过程控制系统J.世界金属导报,2011(1).10彭爱辉,肖远军.全国冶金自动化2010年年会论文集-加热炉过程控制系统的应用与研究M.北京:冶金工业出版社,2010.11张鹏飞.加热炉空燃比寻优及温度控制系统研究D.呼和浩特:内蒙古科技大学,2012.