基于BACnet的PLC控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

郭慶+秦明達+許金

摘 要： 為了使PLC控制器能夠與BACnet國際樓宇自動控制標準契合，設(shè)計并開發(fā)了基于STM32控制芯片和MS/TP協(xié)議的PLC控制器。控制器可通過梯形圖進行現(xiàn)場編程，具有完整的控制邏輯，滿足BACnet的一致性要求。實驗測試表明，PLC控制器可以使用RS 485總線與PC上的BACnet虛擬機進行通信，達到0.596 ms的響應時間，并滿足PLC的穩(wěn)定性，具有編程簡單、高效、實時性好、運行穩(wěn)定的特點。

關(guān)鍵詞： PLC控制器； BACnet； MS/TP； STM32； 樓宇自動控制； 梯形圖編程

中圖分類號： TN876?34； TN710.1； TP368.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0038?06

Abstract： To make PLC controller fit with the international building automation control standard of BACnet， the programmable logic controller （PLC） based on STM32 control chip and MS/TP protocol was designed and developed. The controller can be programmed in spot by using the ladder diagram， and has complete control logic to meet the conformance requirements of BACnet. The experiment result shows that the PLC can communicate with BACnet virtual machine on PC via RS 485 bus， whose response time can reach to 0.596 ms， and meet the stability of the PLC. The PLC has the characteristics of simple and efficient programming， high real?time performance， and stable operation.

Keywords： PLC controller； BACnet； MS/TP； STM32； building automation control； ladder diagram programming

0 引 言

PLC（Programmable Logic Controller）作為靈活方便、通用性強、可靠性高、接口簡單、編程容易、穩(wěn)定實用的現(xiàn)場控制器，是目前應用最廣泛的現(xiàn)場控制器之一。在空調(diào)控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)以及其他樓宇控制系統(tǒng)中，PLC控制器的應用也十分廣泛，而隨著樓宇自動控制系統(tǒng)的發(fā)展和研究，BACnet（Building Automation and Control Networks）國際標準也更多地應用到樓宇控制系統(tǒng)中。由于不能便捷地與BACnet網(wǎng)絡(luò)通信，PLC控制器的發(fā)展和使用受到了極大的限制。

基于BACnet協(xié)議的PLC控制器，可以在不改變PLC編程方式的前提下，使操作人員可以從BACnet網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)控到PLC控制器以及其控制設(shè)備的狀態(tài)。這種新型的PLC控制器可以減少編程人員的培訓成本，對我國智能建筑的發(fā)展和BACnet的研究和應用是十分必要的。

1 基于BACnet協(xié)議的PLC控制器的設(shè)計實現(xiàn)

BACnet協(xié)議在OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model）模型的基礎(chǔ)上進行了最大程度上的精簡。精簡后的結(jié)構(gòu)只留下應用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[1]。根據(jù)協(xié)議結(jié)構(gòu)，所設(shè)計的整體自動控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)采用MS/TP（Master?Slave/Token?Passing data link protocol）作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層，其是BACnet標準自己定義的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，協(xié)議以技術(shù)成熟的EIA?485標準作為物理層，在樓宇自動控制中具有較好的穩(wěn)定性和操作性，是目前BACnet標準中使用最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議[1]。

PLC控制器選用STM32F103VET6作為主控芯片，其功能主要分為兩部分：一部分實現(xiàn)PLC控制器的基本功能，將梯形圖進行下載編譯實現(xiàn)控制功能；另一部分與MS/TP網(wǎng)絡(luò)中的上下層設(shè)備進行通信，實現(xiàn)獲取控制信息以及傳輸數(shù)據(jù)等功能。控制器的整體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

PLC功能實現(xiàn)部分：PLC部分程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)PLCopen所規(guī)定使用的IEC 61131?3標準，通過RS 232總線，實現(xiàn)控制器與上位機梯形圖編程軟件通信以及現(xiàn)場控制功能。

BACnet通信部分：通信程序的設(shè)計基于MS/TP協(xié)議，通過RS 485總線與上位機BACnet虛擬軟件進行通信，獲取控制信息和數(shù)據(jù)。PLC根據(jù)控制信息調(diào)用FLASH內(nèi)的PLC程序，進行相應的控制以及數(shù)據(jù)獲取。

在保證與BACnet網(wǎng)絡(luò)正常穩(wěn)定通信的前提下，整體程序需要更新并調(diào)用PLC控制程序。整體程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

由圖3可知，整體程序完成了PLC控制功能和BACnet通信功能兩部分程序的統(tǒng)一調(diào)用和整體功能的實現(xiàn)。與網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通信后，依據(jù)獲取數(shù)據(jù)，控制器改變內(nèi)部控制參數(shù)，調(diào)用控制程序；依照控制結(jié)果，被控變量更新，控制器對下層設(shè)備進行控制；如果需要更新PLC控制程序，控制器與上位機PLC編程軟件通信，更新程序，開始控制程序的下一個循環(huán)；如果不需要更新程序，控制器直接開始下一個循環(huán)。endprint

2 PLC基本功能的實現(xiàn)

PLC功能的實現(xiàn)主要由兩部分構(gòu)成：一部分將依據(jù)梯形圖解析得到的程序通過RS 232總線下載到控制器中并將其解析存儲到FLASH中；另一部分程序負責循環(huán)調(diào)用FLASH內(nèi)的程序，按照順序執(zhí)行步驟，對被控變量做出相應改變，根據(jù)得到數(shù)據(jù)控制下層設(shè)備。

2.1 梯形圖的解析和下載

梯形圖是IEC 61131?3 PLC標準定義的5種PLC編程語言中應用最廣泛的一種，具有簡單、直觀、實用[2]等特點，是最簡單易學的PLC語言。

梯形圖的解析就是要將簡單直觀的圖形語言轉(zhuǎn)換成機器可識別的機器語言，轉(zhuǎn)換的過程如圖4所示。具體的轉(zhuǎn)換方法如下：

1） 將根據(jù)IEC 61131?3的圖形化編程語言所編寫的梯形圖程序按從左到右、從上到下的順序轉(zhuǎn)換成指令表。

2） 編譯指令表，形成機器語言。

3） STM32控制芯片通過RS 232總線將機器語言從PC端下載到芯片自帶的FLASH中，存儲的起始地址為0x8070000H。

解析得到的PLC程序由于存放在FLASH中，和總程序存放的區(qū)域不同。因此，PLC控制程序不會因為控制器掉電或者總程序的改變而改變。

2.2 PLC控制程序的調(diào)用

控制器在與BACnet通信之后，從上層獲得數(shù)據(jù)，更新控制參數(shù)數(shù)組。進入調(diào)用PLC控制程序中。調(diào)用具體過程如圖5所示。

控制器從PLC程序存儲的FLASH首地址0x8070000H開始讀取控制程序。根據(jù)PLC的特性，程序是順序執(zhí)行，并沒有跳轉(zhuǎn)和循環(huán)，因此，調(diào)用程序按順序從起始地址開始，逐條讀取。控制變量會根據(jù)讀取得到的控制邏輯而改變，直到讀取到“END”指令，PLC控制程序整體結(jié)束時，控制變量的參數(shù)更新。下層設(shè)備依據(jù)控制變量的變化，做出開關(guān)狀態(tài)的改變，控制程序調(diào)用完成一個周期。傳統(tǒng)的PLC控制器會一直不停地調(diào)用控制程序，進行一個又一個周期的循環(huán)，直至設(shè)備工作結(jié)束，或者需要更新程序。加入MS/TP的PLC控制器，在每個周期會與BACnet網(wǎng)絡(luò)上下層設(shè)備進行相應的數(shù)據(jù)交換，實時更新控制邏輯和控制變量的變化，操作人員可以實時監(jiān)控被控設(shè)備的狀態(tài)變化，如圖6所示。

3 BACnet通信的實現(xiàn)

BACnet所規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中，MS/TP協(xié)議是使用最廣泛、最穩(wěn)定的協(xié)議。MS/TP協(xié)議的工作過程通過接收狀態(tài)機、主站點發(fā)送狀態(tài)機和從站點發(fā)送狀態(tài)機三種狀態(tài)機之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)[3]。由于主站點接收狀態(tài)機涵蓋了從站點接收狀態(tài)機的所有功能。因此，協(xié)議棧設(shè)計過程中將兩者合二為一，定義為發(fā)送狀態(tài)機。

3.1 接收狀態(tài)機的實現(xiàn)

接收狀態(tài)機從RS 485總線上接收得到數(shù)據(jù)和控制信息，過濾掉錯誤和目的地址不是本站點的信息。需要注意的是：接收狀態(tài)機只會從數(shù)據(jù)幀中獲取數(shù)據(jù)段內(nèi)容和數(shù)據(jù)幀的類型，即BACnet報文的內(nèi)容，并存儲起來，但不會讀取、解析報文的內(nèi)容。所設(shè)計的接收狀態(tài)機中，共有4種狀態(tài)，分別是：

MSTP_RECEIVE_STATE_IDLE（空閑狀態(tài)）

MSTP_RECEIVE_STATE_PREAMBLE（前導同步狀態(tài)）

MSTP_RECEIVE_STATE_HEADER （幀頭狀態(tài)）

MSTP_RECEIVE_STATE_DATA （數(shù)據(jù)狀態(tài)）

以HEADER狀態(tài)為例：當狀態(tài)機處于PREAMBLE狀態(tài)時，讀取到同步前碼為“55 FF”，即每一幀數(shù)據(jù)的頭兩個字節(jié)，表示同步前導正確，狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為HEADER狀態(tài)。HEADER狀態(tài)主要功能是解析接收得到MS/TP數(shù)據(jù)幀中的目的地址和源地址，并對整個數(shù)據(jù)幀進行CRC校驗。接收狀態(tài)機處于HEADER狀態(tài)時，狀態(tài)機會做出以下不同動作：接收超時或錯誤時，數(shù)據(jù)幀會被狀態(tài)機丟棄，接收狀態(tài)機轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)；經(jīng)過解析得到的源地址不為令牌持有站點或者目的地址不為本站點時，數(shù)據(jù)傳輸錯誤或狀態(tài)機接收到了其他站點的信息，數(shù)據(jù)幀會被拋棄。接收到的數(shù)據(jù)幀將會被拋棄，接收狀態(tài)機轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)；數(shù)據(jù)幀的CRC校驗錯誤時，數(shù)據(jù)幀被認為是錯誤的，狀態(tài)機將會拋棄該數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)；接收到的數(shù)據(jù)幀的目的地址、源地址以及CRC校驗正確時，數(shù)據(jù)幀將會被保存，接收狀態(tài)機轉(zhuǎn)入DATA狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)段的解析。

3.2 發(fā)送狀態(tài)機的實現(xiàn)

當控制器為主站點中的一個時，發(fā)送狀態(tài)機的功能除了發(fā)送數(shù)據(jù)幀和需要響應的內(nèi)容外，還會發(fā)送令牌輪詢幀，并產(chǎn)生、收發(fā)令牌幀，以管理和維護令牌。當該站點為主站點并持有令牌時，會根據(jù)控制需求發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并分析接收狀態(tài)機接收得到的數(shù)據(jù)判斷其他站點的響應狀態(tài)。當該站點為主站點但不持有令牌或者為從站點時，發(fā)送狀態(tài)機會分析接收狀態(tài)機接收得到的內(nèi)容，發(fā)送對應的響應幀。所設(shè)計發(fā)送狀態(tài)機中，共有9種狀態(tài)，分別是：

MSTP_MASTER_STATE_INITIALIZE（初始化狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_IDLE（空閑狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_USE_TOKEN（使用令牌狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_WAIT_FOR_REPLY（等待應答

狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_DONE_WITH_TOKEN（令牌使用完畢狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_PASS_TOKEN（傳遞令牌狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_NO_TOKEN（無令牌狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_POLL_FOR_MASTER（主節(jié)點輪詢狀態(tài)）

MSTP_MASTER_STATE_ANSWER_DATA_REQUEST（應答數(shù)據(jù)請求狀態(tài)）endprint

當控制器作為從站點時，發(fā)送狀態(tài)機只有初始化狀態(tài)、空閑狀態(tài)和應答數(shù)據(jù)請求狀態(tài)三種。

發(fā)送狀態(tài)機的具體工作流程如圖7所示。

以POLL_FOR_MASTER狀態(tài)為例：發(fā)送狀態(tài)機處于NO_TOKEN狀態(tài)時，在500 ms內(nèi)沒有監(jiān)聽到總線上的數(shù)據(jù)時，發(fā)送狀態(tài)機判斷令牌丟失，需要產(chǎn)生令牌，狀態(tài)機宣布成為令牌持有主站點，并轉(zhuǎn)入POLL_FOR_MASTER狀態(tài)；當發(fā)送狀態(tài)機處于DONE_WITH_TOKEN狀態(tài)，并且站點作為主站點已經(jīng)使用令牌50次或令牌在主站點傳遞次數(shù)達到50次，發(fā)送狀態(tài)機轉(zhuǎn)入POLL_FOR_MASTER狀態(tài)。POLL_FOR_MASTER狀態(tài)主要功能是發(fā)送主節(jié)點輪詢幀，詢問MS/TP網(wǎng)絡(luò)中是否有新的主站點加入。發(fā)送狀態(tài)機向MS/TP的主站點地址發(fā)送主節(jié)點輪詢幀。

發(fā)送狀態(tài)機處于POLL_FOR_MASTER狀態(tài)時：接收到其他主節(jié)點的響應幀，需要向該站點傳遞令牌，發(fā)送狀態(tài)機轉(zhuǎn)入PASS_TOKEN狀態(tài)；狀態(tài)機沒有接收到主站點的響應幀時，并且沒有輪詢到所有127個主站點時，發(fā)送狀態(tài)機繼續(xù)處于POLL_FOR_MASTER狀態(tài)，準備向下一個主站點發(fā)送主節(jié)點輪詢幀；狀態(tài)機沒有接收到主站點的響應幀時，并且輪詢到所有127個主站點時，本站點宣布成為單一主站點，MS/TP變?yōu)橹?從網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送狀態(tài)機轉(zhuǎn)入USE_TOKEN狀態(tài)。

協(xié)議棧的狀態(tài)機是控制器和BACnet網(wǎng)絡(luò)交互的最核心的內(nèi)容。狀態(tài)機可以完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能，并對上下層的請求做出正確的響應。在保證傳輸正確性和穩(wěn)定性的前提下，協(xié)議棧將很多不必要的功能進行了刪減，并將很多功能進行了合并，保證了協(xié)議棧的輕量化，并在一定程度上加快了程序的運行速度。

3.3 BACnet報文（數(shù)據(jù)段）內(nèi)容解析與包裝

從MS/TP數(shù)據(jù)幀中得到的數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)包含網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)（NPDU）和應用層數(shù)據(jù)（APDU）。目前，控制器只針對在一個局域網(wǎng)內(nèi)使用的情況，因此，控制器的設(shè)計將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的解析進行了刪減，控制器只針對APDU數(shù)據(jù)進行解析。

應用層數(shù)據(jù)采用的是BACnet標準的標記編碼方式，這種編碼方式基本上采用ASN.1的基本編碼規(guī)則中的編碼算法，但根據(jù)自身的特點定義對TLV編碼方式進行修改，使之更好地適用于APDU[4]。BACnet的標記編碼結(jié)構(gòu)如圖8所示。

解析過程為：數(shù)據(jù)段的前16位數(shù)據(jù)與BACnet標準中APDU的標準編碼類型進行對比，得到服務類型。從第17位開始的數(shù)據(jù)內(nèi)容，與BACnet的標記編碼結(jié)構(gòu)進行對照，解析APDU內(nèi)容。

以解析“10 00 C4 02 00 00 01 22 01 E0 91 00 21 05”為例。根據(jù)圖8所示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和BACnet標準中相應的數(shù)據(jù)格式的規(guī)定，以上數(shù)據(jù)可以做出如下解析：

“10 00”：非證實服務“請求”產(chǎn)生的I?AM報文；

“C4 02 00 00 01”：設(shè)備的對象類型為8，即為設(shè)備類型；

“22 01”：最大長度為280 B；

“91 00”：不支持分段；

“21 05”：生產(chǎn)廠商的識別號為5。

4 實驗結(jié)果及分析

實驗對設(shè)計的8BI，8BO，2AI的基于MS/TP的PLC控制器進行測試。測試使用BACnet上位機對控制器的輸出口進行控制，測試上位機控制到控制器動作經(jīng)過的時間，即為控制器的響應時間，測試到的響應時間的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，控制器的響應時間在0.596 ms左右，而一般的PLC響應時間在4.5 ms左右，相當于響應速度提升了將近9倍，并且可以靈活應用于BACnet網(wǎng)絡(luò)中，相對于傳統(tǒng)PLC有很大的優(yōu)勢。

PLC另一個很重要的參數(shù)是控制器的穩(wěn)定性。分別對8BO口進行500次的開關(guān)測試，記錄其正確動作的次數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可看到，每個BO在100次的開關(guān)中，均可正確的動作，控制器具有良好的穩(wěn)定性，可在控制系統(tǒng)中穩(wěn)定工作。

5 結(jié) 語

基于MS/TP的PLC控制器是針對國際標準BACnet設(shè)計的。在保證快速響應和穩(wěn)定性的前提下，相對于傳統(tǒng)的PLC，更加靈活、應用方式更加簡便。而和其他的MS/TP現(xiàn)場控制器相比，有著編程簡單、現(xiàn)場調(diào)試更加便捷，對操作人員的要求也相應的降低。熟練使用PLC編程的工程師，可以不經(jīng)過培訓直接對控制器編程，減少了人員培訓的成本。因此，隨著BACnet的不斷發(fā)展和應用，基于BACnet協(xié)議的PLC控制器會很廣泛地應用于樓宇自動控制系統(tǒng)中，對促進樓宇自動控制系統(tǒng)的發(fā)展而言，有著重大意義。

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