利用串行通信實現(xiàn)計算機與PLC協(xié)同工作

張勇喜，金 秀，張 帆，胡雯雯，楊文華，任少鵬

(沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

0 引言

近年來，隨著用工成本的不斷上升，越來越多的企業(yè)開始使用自動化設備來替代人工,有些是直接引進全新的自動化設備，而有些是在現(xiàn)有的設備上進行自動化改進升級。光纖光譜儀是一種快速光譜測試儀器，可實現(xiàn)濾光片的光學性能快速檢測。光纖光譜儀雖然測試速度塊，但需要人工放置測試樣品，測試效率大約為300片/h。為提高測試效率，降低人員勞動強度，本文對光纖光譜儀進行了自動化改造，增加了樣品自動進給、數(shù)據(jù)打印、自動分揀等功能，實現(xiàn)了濾光片產(chǎn)品的自動化檢測。由于光纖光譜儀是定型設備，底層硬件完全固化，所以不能通過改變測試儀器硬件來實現(xiàn)這些自動化功能。為實現(xiàn)產(chǎn)品的自動測試，采用PLC系統(tǒng)完成樣品的進給、分揀等過程，然后編寫中間控制程序來實現(xiàn)PLC系統(tǒng)和光纖光譜儀測試系統(tǒng)的信息溝通，實現(xiàn)兩者的協(xié)調工作。

1 PLC串行通信模式及命令格式

本文負責樣品進給等功能的PLC系統(tǒng)是一個獨立的子系統(tǒng)，負責樣品測試和數(shù)據(jù)處理的測試系統(tǒng)是一個以通用計算機為基礎的獨立子系統(tǒng)，中間程序要實現(xiàn)兩者的信息溝通首先要解決計算機與PLC的通信問題。PLC通常具有多個通信接口[1-2]，以便和觸摸屏、上/下位PLC或計算機連接。串行通訊是PLC最常用的通信方式，常用的接口方式有RS232、RS422和RS485，其中RS232接口可以直接和計算機相連，使用范圍最廣。

PLC串行通信都有固定的格式[3]，只有按固定格式發(fā)送到信息才能被正確執(zhí)行。PLC會對每一條通信指令產(chǎn)生一個反饋信號，這個信號可能是需要傳送的數(shù)據(jù)，也可能是命令執(zhí)行的結果，計算機可以通過接收這個信號來獲得所需數(shù)據(jù)或判斷命令是否被正確執(zhí)行。與PLC通信一般先要進行“握手”[4-5]，然后才能進行正式的通信，當要斷開聯(lián)系的時候需要發(fā)送結束命令，以免發(fā)送錯誤信號導致PLC異動。表1列舉了幾個常用的通訊指令，更多信息可以查閱產(chǎn)品手冊。

表1 PLC通信指令格式

2 計算機與PLC的交互信號

圖1為自動測試條件下PLC系統(tǒng)和測試系統(tǒng)的工作流程，根據(jù)該流程，計算機和PLC之間需要4個交互信號，但實際上為了整個自動測試系統(tǒng)更穩(wěn)定的運行，交互信號需要增加到9個(見表2)。首先是打印機的狀態(tài)必須監(jiān)控，不能在打印機出錯的情況下還繼續(xù)工作；其次是測試儀器需要定期校準；然后是聯(lián)機通信情況的監(jiān)控；最后是測試合格與否的信號必須分裂成2個，不能用1個信號的2種狀態(tài)來標識合格與否。在這些信號中，MR8001為狀態(tài)信號，用0/1表示，等于1表明打印機正常，等于0時表明打印機異常，PLC將暫停工作進程。MR8004為心跳信號[6]，即持續(xù)的脈沖信號，當按一定頻率持續(xù)輸出，表明計算機和PLC聯(lián)機正常。其它信號均為指令信號，上升沿有效，計算機和PLC接到信號后都要執(zhí)行一定的任務。

圖1 自動測試子系統(tǒng)工作流程

表2 計算機與PLC的交互信號

3 信號處理與傳遞

由于串行通信在某一時刻只能接收或者發(fā)送1個信息，而PLC每收到一條通信指令都會產(chǎn)生1個反饋信號，所以計算機與PLC通信必須以獨占方式進行，1次只處理1個指令。從PLC讀取位狀態(tài)信息和發(fā)送脈沖信號都是周期性通信，可以通過定時器來完成[7-8]。而計算機向PLC發(fā)送位控制命令是隨測試過程而產(chǎn)生的，是非周期性的。如果把位控制命令的發(fā)送放到相應的過程后面，則存在與周期性通信爭搶串口的風險。雖然可以設置串口占用標志來避免錯誤通信，但這將導致串口占用時間延長，信號傳遞不暢。為解決這個問題，可以參照PLC端口的輸入輸出工作模式——“統(tǒng)一讀入，統(tǒng)一輸出”來處理計算機和PLC的信號傳遞問題。即將通信過程都集中放入一個定時程序中，先從PLC讀取所需數(shù)據(jù)，然后再將需要輸出的數(shù)據(jù)寫入PLC。

由于PLC具有上升沿判定指令，而且控制程序在響應指令后會清除數(shù)據(jù)位，所以計算機只需將1寫入PLC的數(shù)據(jù)位即可。根據(jù)PLC系統(tǒng)的工作流程，在一個測試周期內，測試合格與否和打印完成這2個指令只需要響應一次，所以計算機只需在這個時間段內將信號寫入一次即可，多次寫入將引發(fā)錯誤。此時，測試系統(tǒng)的主程序需要為每一個數(shù)據(jù)位設置一個寫入標志，定時程序根據(jù)該標志輸出數(shù)據(jù)。如果寫入成功，則清除該寫入標志，防止下次循環(huán)再次輸出，引發(fā)錯誤；如果寫入不成功，則保留標志，等待下次掃描循環(huán)時寫入數(shù)據(jù)。由于定時掃描程序設置的掃描周期很短，所以在一個樣品測試周期內有很多次機會向PLC寫入數(shù)據(jù)，寫入成功的概率非常高。

計算機沒有直接的上升沿判斷指令，從PLC獲得的信息只是原始的位狀態(tài)信息，需要轉換方可成為正確的命令信息。定時程序不斷地掃描端口，計算機會重復地讀入0或者1，只有從0到1的上升時刻才是命令到來的時刻。為獲得這一變化的時刻，協(xié)作控制程序給每一個數(shù)據(jù)位設置了一個全局變量，用于記錄上次讀取的結果，如果上次為0，本次新讀入的為1，則該數(shù)據(jù)位發(fā)生0到1的跳變，命令標志有效。協(xié)作主程序則根據(jù)命令標志位來決定程序的運行。

4 程序實現(xiàn)

本文采用VB6編寫協(xié)作控制程序，串行通信采用了MSComm控件[9-10]，通信相關程序如下。

串口參數(shù)設置程序：

MSComm1.PortOpen = False

MSComm1.CommPort = 3

MSComm1.PortOpen = True

MSComm1.Settings = ″19200,e,8,1″

MSComm1.InputMode = comInputModeText

MSComm1.InputLen = 0

串口中斷程序：

Private Sub MSComm1_OnComm()

Select Case MSComm1.CommEvent

Case comEvReceive’接收事件

Serial_bck = MSComm1.Input’將接收內容存儲到全局變量中

End Select

End Sub

串行通信輸入輸出定時處理程序如下：

Serial_in = MSComm1.Input ’清串口

Serial_bck = "" ’清空舊數(shù)據(jù)

MSComm1.RThreshold = 27 ’響應字節(jié)數(shù)

MSComm1.Output=″RDS MR800013″+Chr(13)

Delay 30 ’等待中斷響應

Serial_in = Serial_bck ’讀取響應數(shù)據(jù)

If Right(Serial_in，2) = vbCrLf Then

StrBit = Split(Serial_in，″ ″)

MR8000.Value = Val(StrBit(0))

…

If Last8010 = 0 And MR8010.Value = 1

Then ’0/1上升沿判斷

MR8010UP = True

End If

Last8010 = MR8010.Value

If Last8011 = 0 And MR8011.Value = 1

Then

MR8011UP = True

End If

Last8011 = MR8011.Value

End If

…

Heart_Time = Heart_Time + 1 ’心跳信號

If Heart_Time = 5 Then

If Heart Then

MSComm1.Output=″ST MR8004″&Chr(13)

MR8004.Value = 1′’狀態(tài)顯示

Heart = False ’狀態(tài)反轉標記

Else

MSComm1.Output=″RS MR8004″&Chr(13)

MR8004.Value = 0

Heart = True

End If

Heart_Time = 0

End If

If WR_8000 Then ’數(shù)據(jù)寫入標志為真

Serial_in = MSComm1.Input ’清串口

Serial_bck = ″″ ’清空舊數(shù)據(jù)

MSComm1.RThreshold = 4 ’響應字節(jié)數(shù)

If V_8000 Then

MSComm1.Output=″ST MR8000″&Chr(13)

Else

MSComm1.Output=″RS MR8000″&Chr(13)

End If

Delay 10 ’等待反饋

Serial_in = Left(Serial_bck，2)

If Serial_in=″OK″Then WR_8000=False

’寫入成功則清除標志

End If

…

5 結束語

改造后的自動測試儀器基本不需要人工干預，可以實現(xiàn)濾光片的批量自動測試，測試效率可達到340片/h，比人工測試提高了10%。自動測試系統(tǒng)是由2個獨立的子系統(tǒng)構成，讓兩者協(xié)調工作的關鍵在于信號的高效準確地傳遞。本文將通信任務集中放置在定時程序中，一方面短定時周期提高了信息傳遞的時效性，另一方面信息處理逐項以獨占式完成提高了信息傳遞的準確性，一些時效性要求較高的系統(tǒng)可以借鑒此方法。由于定時程序會重復輸入輸出數(shù)據(jù)，所以在控制程序中設置了一些標志位和全局變量，通過這些標志位和全局變量來輸入輸出準確的命令信息，通過該方法確保了信息傳遞的準確性。