VB與PLC自由口通信模式在斷路器測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

李秀芹 杜向陽

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

低壓斷路器是一種不僅有手動(dòng)開關(guān)作用，而且能自動(dòng)在電路發(fā)生短路及過載等情況時(shí)切斷電路，保護(hù)用電設(shè)備的電器，所以對(duì)低壓斷路器進(jìn)行過載可靠性等常規(guī)參數(shù)的檢測(cè)非常重要，但手工調(diào)節(jié)斷路器雙金屬片螺釘長度時(shí)誤差較大。為此筆者提出了下位機(jī)PLC和上位機(jī)相結(jié)合的斷路器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，下位機(jī)PLC主要完成數(shù)據(jù)的采集與運(yùn)算，上位機(jī)則對(duì)下位機(jī)采集的各工作部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示，并基于VB和PLC自由口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。

1 斷路器測(cè)試系統(tǒng)總體方案①

筆者根據(jù)GB 14048.5-2008[1]開發(fā)了一套斷路器熱態(tài)在線測(cè)試系統(tǒng)。以三相塑殼式斷路器250H-250A的A相為例，其額定電流為250A，通過給斷路器加載一定的額定負(fù)載，檢測(cè)其在70～90s內(nèi)是否滿足過載可靠性的要求，如果產(chǎn)品性能不達(dá)標(biāo)，則利用柔性調(diào)整結(jié)構(gòu)里的一體化組合螺絲刀改變雙金屬片螺釘?shù)拈L度，使其滿足測(cè)試性能的要求。

斷路器測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，軸向移動(dòng)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、磁柵傳感器及絲桿機(jī)構(gòu)等部分組成，完成水平移動(dòng)與換向移動(dòng)；柔性機(jī)構(gòu)包括一體化螺絲刀和升降電機(jī)，實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)與螺母的鎖緊，其定位數(shù)據(jù)及螺釘長度等參數(shù)需通過自由口通信傳到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)其他機(jī)構(gòu)的啟停操作通過上位機(jī)VB下傳到PLC。PLC和計(jì)算機(jī)通過自由口字符中斷方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)二者間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳送；基于VB與Access2000數(shù)據(jù)庫可動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)與查詢測(cè)試數(shù)據(jù)，提高了斷路器測(cè)試系統(tǒng)的工作可靠性和效率。

圖1 斷路器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 自由口通信配置

串行通信具有接線少、成本低、適宜遠(yuǎn)距離傳輸及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)的斷路器熱態(tài)在線測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)與PLC之間的通信即采用自由口串行通信方式。S7-200 PLC在自由口模式下可以與任何已知協(xié)議的智能設(shè)備通信，允許用戶自定義一些簡單的基本的通信協(xié)議設(shè)置，如數(shù)據(jù)長度及奇偶校驗(yàn)等通信協(xié)議完全可由用戶自定義。

2.1 自由口通信工作方式

S7-200 PLC通過特殊的功能寄存器SMB30(Port0)和SMB130(Port1)進(jìn)行自由口工作模式的設(shè)置[2]。自由口通信主要通過發(fā)送接收指令、特殊功能寄存器配置和中斷來實(shí)現(xiàn)，其中端口0的常用中斷和通過SMB30設(shè)計(jì)校驗(yàn)方式、波特率及數(shù)據(jù)位長度等的控制字可參考文獻(xiàn)[3]。

2.2 通信系統(tǒng)硬件連接

S7-200PLC與PC機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，需要考慮通信雙方的距離問題[4]，由于標(biāo)準(zhǔn)的PC/PPI電纜長度為5m，而實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，二者間距可達(dá)幾十甚至上百米，為此制定硬件連接方案，解決通信數(shù)據(jù)失真和抗干擾問題。具體方案如下：

a. RS485總線中，如果傳輸線達(dá)到一定距離，而且處于復(fù)雜的外部環(huán)境時(shí)，易受外部環(huán)境的電磁感應(yīng)等干擾。而中繼器中的高效防雷管可以有效抑制閃電和ESD，其傳輸距離可達(dá)1 200m，長距離通信時(shí)可選用圖2中的方案一，利用PC/PPI電纜與RS485中繼器配合的方式進(jìn)行通信。

b. 如果通信距離不是很長，可采用RS485延長線來加長通信距離。

c. 通信設(shè)備距離在5m內(nèi)時(shí)，直接用標(biāo)準(zhǔn)PC/PPI電纜進(jìn)行通信連接，但要注意設(shè)置電纜的波特率等參數(shù)。

圖2 自由口通信硬件的3種連接方案

3 下位機(jī)PLC通信

該測(cè)試系統(tǒng)基于CCD攝像機(jī)的視覺定位系統(tǒng)獲取斷路器雙金屬片螺釘螺母的中心坐標(biāo)，通過該坐標(biāo)控制軸向移動(dòng)裝置和柔性調(diào)整機(jī)構(gòu)動(dòng)作，進(jìn)行螺釘長度在線調(diào)整。為了避免通信中各方爭用通信線，測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)與PLC通信時(shí)，大多采用主-從方式，即把計(jì)算機(jī)作為主機(jī)、PLC看作從機(jī)，主機(jī)主動(dòng)發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，從機(jī)收到請(qǐng)求后返回響應(yīng)報(bào)文。本設(shè)計(jì)中PC為主站，S7-200 PLC為從站。

3.1 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分配

通信協(xié)議是指PC與PLC通信時(shí)發(fā)出命令和收到應(yīng)答的信息格式，通信協(xié)議包含起始字符、站號(hào)、命令字、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼和結(jié)束字符[5]。

該系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)單元共4個(gè)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，兩個(gè)字節(jié)的整數(shù)將轉(zhuǎn)換為4個(gè)字節(jié)的實(shí)數(shù)(即工程值)，所以需要發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)長度為16個(gè)字節(jié)。發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存放區(qū)的劃分：VD220——發(fā)送緩沖區(qū)的指針；VB224——存放PLC發(fā)來的數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)；VB225——存放計(jì)算機(jī)計(jì)算出的異或校驗(yàn)結(jié)果。

本設(shè)計(jì)采用字符接收中斷方式接收數(shù)據(jù)，即根據(jù)收到的字符個(gè)數(shù)來判斷接收是否結(jié)束，所以沒有設(shè)置結(jié)束字符，劃分接收緩沖區(qū)如圖3所示。其中，VD86是接收緩沖區(qū)的指針，PLC計(jì)算出的異或校驗(yàn)值存放在VB90中，計(jì)算機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)存放在VB99中。

圖3 數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)分配

3.2 通信流程

S7-200 PLC與上位機(jī)自由口的通信主要分為以下步驟：

a. 通過SMB30.1=1或SM0.7=1方式進(jìn)行自由口通信模式選擇；

b. 串口參數(shù)初始化，將操作數(shù)寫入控制字節(jié)，開中斷ENI；

c. 字符接收準(zhǔn)備，若有傳送字符則執(zhí)行字符接收中斷子程序，并將收到的字符存入接收緩沖區(qū)；

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

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)，并轉(zhuǎn)至步驟c。

PLC通信程序流程如圖4所示。

圖4 PLC通信程序流程

PLC部分通信程序代碼如下：

/**主程序**/

LD SM0.7//自由口與PPI通信轉(zhuǎn)換

SM0.1//首次上電掃描

CALL SBR_0:SBR0//調(diào)用初始化子程序

/**初始化子程序**/

MOVB16#09,SMB30//9600bit/s，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)

MOVB 10,SMB34//定時(shí)10ms

ATCH INT_0:INT0,8//字符中斷事件8連接

ATCH INT_1:INT1,9//定時(shí)中斷事件9連接

ENI//開中斷

RCV VB100,0//指向接收緩沖區(qū)首地址

/**部分接收子程序**/

MOVB 0,VB100//清零

MOVD & VB100,VD86//指針VD86指向接收緩沖首地址VB100

MOVB SMB2,VB99//將報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)存在VB99

4 上位機(jī)功能開發(fā)

4.1 VB自由口通信設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)采用VB6.0作為開發(fā)工具對(duì)斷路器中的VB與PLC通信程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。串行通信的實(shí)現(xiàn)主要是通過控件MSComm實(shí)現(xiàn)[6,7]。通信控件MSComm的屬性主要包括：CommPort，設(shè)置或返回通信端口號(hào)；PortOpen，設(shè)置或返回通信口的狀態(tài)；Setings，設(shè)置并返回通信參數(shù)；Input，返回并清除接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)；Output，向發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)。

MSComm控件對(duì)通信問題的處理主要有事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢方式兩種。事件驅(qū)動(dòng)方式——相當(dāng)于一般程序設(shè)計(jì)中的中斷方式，當(dāng)串口發(fā)生錯(cuò)誤或事件時(shí)，MSComm控件將產(chǎn)生OnComm事件，使用戶程序?qū)υ撌录M(jìn)行相應(yīng)的處理，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、程序響應(yīng)及時(shí)。查詢方式——在程序的每個(gè)關(guān)鍵功能執(zhí)行后，在用戶程序中設(shè)計(jì)定時(shí)或不定時(shí)查詢，通過檢查CommEvent屬性值來查詢事件和錯(cuò)誤，從而做出相應(yīng)的處理。由于查詢方式占用的CPU時(shí)間太長。本設(shè)計(jì)中采用的是事件驅(qū)動(dòng)方式。

上位機(jī)通信程序代碼及其注釋如下：

/**串口初始化部分程序**/

With MSComm1

.CommPort=1//選擇通信端口為COM1

.Settings="9600,n,8,1"http://串口通信參數(shù)設(shè)置，波特率為9600b/s，奇校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位

.InBufferCount=0//清空接收緩沖區(qū)

.OutBufferCount=0//清空發(fā)送緩沖區(qū)

.RThreshold=1//接收到的字符數(shù)大于等于1就產(chǎn)生接收事件

.PortOpen=True//打開串口

/**上位機(jī)接收數(shù)據(jù)部分程序**/

rcvtemp=MSComm1.Input//讀串口到緩沖區(qū)

For i=LBound(rcvtemp)To UBound(rcvtemp)

rcvlenth=rcvlenth+1

rcv(rcvlenth)=rcvtemp(i)//將接收到的各字節(jié)放入接收字節(jié)數(shù)組

Next i

上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)程序。起始字符約定為0，結(jié)束字符約定為&HFF，校驗(yàn)碼約定為報(bào)文中第二個(gè)字節(jié)與數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)各字節(jié)的異或和。程序代碼如下：

nbyte(1)=UBound(sdate)+1//發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)

fcs=nbyte(1)//異或校驗(yàn)碼

For i=2 To UBound(sdate)+2

nbyte(i)=sdate(i-2)//待發(fā)送數(shù)據(jù)

MSComm1.Output=nbyte//發(fā)送

4.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)

4.2.1數(shù)據(jù)庫基本功能

為方便管理測(cè)試數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)選用Access2000數(shù)據(jù)庫作為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)斷路器合格率及測(cè)試時(shí)間等重要參數(shù)的組織、存儲(chǔ)、查詢、瀏覽信息記錄及斷路器合格率的報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。同時(shí)，數(shù)據(jù)表字段顯示測(cè)試時(shí)間、斷路器型號(hào)及規(guī)格參數(shù)等信息。

4.2.2數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建和鏈接

在Access中創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)據(jù)庫，命名為“斷路器測(cè)試數(shù)據(jù)庫”，然后創(chuàng)建ODBC數(shù)據(jù)源，這個(gè)數(shù)據(jù)源包括數(shù)據(jù)庫位置、數(shù)據(jù)庫類型及ODBC驅(qū)動(dòng)程序等信息。

ADO是Visual Basic程序中數(shù)據(jù)庫開發(fā)的最新內(nèi)容，用以控件鏈接數(shù)據(jù)庫。ADO可以處理不同的數(shù)據(jù)庫記錄，使應(yīng)用程序具有靈活性和通用性，其中ADO中最主要的對(duì)象是Connection、Recordset和Command。Connection對(duì)象主要用于設(shè)置數(shù)據(jù)源的鏈接；Recordset對(duì)象主要用來接收和管理來自Connection數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)；Command對(duì)象設(shè)置訪問數(shù)據(jù)源所需的命令；在窗體的FormLoad事件中編寫相應(yīng)的VB與Access2000數(shù)據(jù)庫鏈接。

5 通信調(diào)試

考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境不理想，周圍光線分布不均勻且工作空間狹小，有可能會(huì)影響通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以設(shè)計(jì)外加電磁擾動(dòng)源(如變壓器及變頻器等)，測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性并進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)試時(shí)從VB操作界面發(fā)送字符串16##55 16##EE 16##CC 16##BB …，下位機(jī)通過查看相應(yīng)存儲(chǔ)空間核查發(fā)送數(shù)據(jù)是否正確。經(jīng)調(diào)試分析得出在有變頻器等干擾存在的情況下，通信要加金屬屏蔽套管抗干擾，否則通信數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失。用示波器監(jiān)測(cè)到的自由口通信數(shù)據(jù)波形如圖5所示。

圖5 自由口通信數(shù)據(jù)波形

6 結(jié)束語

筆者根據(jù)斷路器測(cè)試系統(tǒng)的控制要求，開發(fā)了基于VB與S7-200 PLC自由口模式下的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了斷路器在線檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程控制，有效解決了人工操作產(chǎn)生的誤差。采用Access2000數(shù)據(jù)庫與VB操作界面動(dòng)態(tài)鏈接模式，方便了測(cè)試結(jié)果的查詢和歷史趨勢(shì)分析?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果表明：該方法簡單、實(shí)時(shí)性好且可靠性高，同時(shí)降低了開發(fā)成本，提高了檢測(cè)的智能程度。

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