基于PLC和MCGS的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)解析顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

蘇蓓蓓，杜 亮

（無錫科技職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

姿態(tài)傳感器[1]是一種常用的傳感器，安裝于待測(cè)物體后，通過輸出俯仰角、橫滾角和方位角3個(gè)互相垂直軸向的角度，確定待測(cè)物體的姿態(tài)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，經(jīng)常用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）將姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析[2-3]，并通過觸摸屏進(jìn)行顯示，從而可以直觀觀測(cè)物體的姿態(tài)?，F(xiàn)以一個(gè)西門子PLC結(jié)合北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）觸摸屏，解析、顯示姿態(tài)傳感器角度數(shù)據(jù)的系統(tǒng)為例進(jìn)行研究分析。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及選型

系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。姿態(tài)傳感器輸出姿態(tài)角度數(shù)據(jù)（含俯仰角、橫滾角和方位角），PLC解析出數(shù)據(jù)，存放于內(nèi)部寄存器，同時(shí)送MCGS觸摸屏進(jìn)行顯示。MCGS觸摸屏除了顯示數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、曲線顯示等。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

姿態(tài)傳感器選用無錫詠為傳感科技有限公司提供的LCM346T-M型三維電子羅盤，這是一款40°傾角補(bǔ)償三維電子羅盤[4]，輸出俯仰角和橫滾角精度為0.2°，方位角精度為1°。數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用的是MODBUSRTU通信協(xié)議[5]，與西門子PLC對(duì)接方便。PLC選用西門子S7-200 SMART型，它是西門子公司開發(fā)的一款小型PLC，功能齊全，使用方便，包含1個(gè)RS485接口，可通過MODBUSRTU通信協(xié)議與傳感器進(jìn)行通信。觸摸屏選用MCGSTPC1061Hn型，它是一套以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU（主頻為1 GHz）為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏，采用了259.08 mm（即10.2 in）高亮度薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Thin Film Transistor，TFT）液晶顯示屏（分辨率為1 024×600）。該產(chǎn)品接口豐富，同時(shí)具有一路RS232通信接口、兩路RS485通信接口、一路局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）網(wǎng)絡(luò)接口。

LCM346T-M型三維電子羅盤通過串口連接PLC，TXD線連接PLC串口頭的3腳，RXD線連接PLC串口頭的8腳，二者之間通過MODBUSRTU通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。PLC和MCGS之間通過網(wǎng)線連接，二者網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）設(shè)置在同一LAN網(wǎng)段，即IP前3位保持一致，第4位保持不同即可。

LCM346T-M型三維電子羅盤采用問答式工作模式，即PLC按一定時(shí)間周期向LCM346T-M型三維電子羅盤發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)“01 03 00 01 00 06 94 08”，其中01表示地址，03是功能碼，00 01是寄存器地址，00 06是寄存器數(shù)量，94 08是循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）。LCM346 T-M型三維電子羅盤接收到該指令后，會(huì)返回一組十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，例如“01 03 0CBDA3 D7 0A 3FBD 70 A4 43 87 01 48 0A B5”，其中01表示地址，03是功能碼，0C是字節(jié)數(shù)，BD A3 D7 0A是俯仰角值，為32 b浮點(diǎn)數(shù)形式，同理3FBD 70 A4是橫滾角值，43 87 01 48是方位角值，0A B5是CRC。按照ANSI/IEEEStd 754-1985《二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)形式（取到小數(shù)點(diǎn)后2位小數(shù)）。

俯仰角：（0xBDA3D70A）=-0.08°

橫滾角：（0x3FBD70A4）=1.48°

方位角：（0x43870148）=270.01°

2 PLC程序編寫要點(diǎn)

2.1 MODBUSRTU通信初始化指令

PLC在MODBUS RTU通信時(shí)，首先要進(jìn)行MBUS_CTRL指令初始化操作，見圖2。

圖2 MBUS_CTRL指令初始化操作程序梯形圖

SM0.0始終為1，EN設(shè)置為1，每次掃描時(shí)均執(zhí)行該指令，Mode設(shè)置為1，啟用MODBUSRTU通信協(xié)議，波特率選擇9 600 b/s，Parity取0表示無奇偶校驗(yàn)，Port取0表示采用CPU中集成的RS485通信接口，超時(shí)時(shí)間設(shè)為100 ms。指令完成時(shí)，V100.0設(shè)置為1；如發(fā)生錯(cuò)誤，錯(cuò)誤代碼存放于VB101。

2.2 振蕩時(shí)鐘程序

V100.0置位后，啟用T37進(jìn)行100 ms延時(shí)，確保初始化完成。利用內(nèi)部繼電器M0.1和M0.2形成振蕩時(shí)鐘，周期為20 ms，占空比為1∶1，見圖3。

圖3 振蕩時(shí)鐘程序梯形圖與波形圖

由于MODBUSRTU通信協(xié)議規(guī)定兩條數(shù)據(jù)幀之間應(yīng)至少大于3.5 B的時(shí)間，在9 600 b/s波特率下，該時(shí)間為3.5×（1/9 600）×11 s=0.004 s，為了留下足夠余量，LCM346T-M型三維電子羅盤將此時(shí)間提高到大于10 ms，因此每條數(shù)據(jù)幀之間至少留下10 ms的時(shí)間間隔。PLC中設(shè)置的時(shí)間為20 ms，從而可以確保每個(gè)周期內(nèi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

2.3 MODBUSRTU通信MBUS_MSG指令

MODBUSRTU通信MBUS_MSG指令配置見圖4，振動(dòng)時(shí)鐘M0.2驅(qū)動(dòng)EN和First。EN輸入接通時(shí)，MBUS_MSG指令會(huì)向Modbus從站 （即LCM346T-M型三維電子羅盤）發(fā)起主站請(qǐng)求。有新請(qǐng)求要發(fā)送時(shí)，將參數(shù)First設(shè)置為接通，并僅保持一個(gè)掃描周期。First輸入以脈沖方式通過邊沿檢測(cè)元素（例如上升沿），這將導(dǎo)致程序發(fā)送請(qǐng)求一次。在本設(shè)計(jì)中M0.2持續(xù)20 ms的時(shí)間，確保每次數(shù)據(jù)交互時(shí)間充裕。

圖4 MBUS_MSG指令配置程序梯形圖

因?yàn)長CM346T-M型三維電子羅盤地址默認(rèn)為1，所以Slave設(shè)置為1。RW設(shè)置為0，表示PLC讀取LCM346T-M型三維電子羅盤數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從LCM346T-M型三維電子羅盤的寄存器中讀取，起始地址為40002，長度共12 B。DataPtr用于存放從LCM346T-M型三維電子羅盤中讀取的原始數(shù)據(jù)，存放地址為：&VB0，表示從VW0開始存放，一直到VW10。其中讀取的有效數(shù)值分別存放于VD0，VD4，VD8，數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)數(shù)。完成標(biāo)志位為V100.1；如有錯(cuò)誤代碼，存放于VB102。

3 MCGS觸摸屏設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)備組態(tài)中添加“西門子_Smart200”通信組件，PLC的IP地址為192.168.2.1，MCGS的IP設(shè)置為同一網(wǎng)段，例如設(shè)置為192.168.2.2。設(shè)置3個(gè)變量X，Y，Z，分別連接通道VDF000，VDF004，VDF008，對(duì)應(yīng)與PLC數(shù)據(jù)存放地址VD0（VB0），VD4和VD8。MCGS設(shè)備組態(tài)設(shè)置界面見圖5。

圖5 MCGS設(shè)備組態(tài)設(shè)置界面

MCGS顯示界面見圖6，分別包含主界面、曲線界面和歷史數(shù)據(jù)界面。主界面顯示俯仰角X（Pitch）、橫滾角Y（Roll）和方位角Z（Head）；曲線界面顯示數(shù)據(jù)曲線值，直觀觀察數(shù)據(jù)變化情況；歷史數(shù)據(jù)界面顯示設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)情況，并可使用U盤保存，存儲(chǔ)格式為EXCEL表格形式。注意事項(xiàng)中主要注明觸摸屏使用方法及技巧。

圖6 MCGS顯示界面

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試主要包括LCM346T-M型三維電子羅盤與PLC的通信調(diào)試、PLC與MCGS的通信調(diào)試。

4.1 LCM346T-M與PLC的通信調(diào)試

先確保LCM346T-M型三維電子羅盤與PLC硬件連接正確，然后調(diào)試程序，在PLC上位機(jī)的軟件仿真運(yùn)行中進(jìn)行程序狀態(tài)監(jiān)控，觀察程序運(yùn)行情況，同時(shí)監(jiān)視狀態(tài)圖表，觀測(cè)VD0，VD4和VD8中浮點(diǎn)類型角度數(shù)據(jù)，PLC調(diào)試界面見圖7。如有異常則進(jìn)行程序調(diào)整，直到正常為止。

圖7 PLC調(diào)試界面

4.2 PLC與MCGS的通信調(diào)試

PLC與MCGS用網(wǎng)線連接好，IP設(shè)置一定要確保無誤，另外顯示文本中的變量輸出格式要設(shè)置正確，見圖8。變量名稱鏈接正確，設(shè)置為數(shù)值型，保留兩位小數(shù)位，都設(shè)置好后，文本可正確顯示PLC解析出的角度數(shù)據(jù)值。

圖8 MCGS變量輸出設(shè)置界面

綜上所述，系統(tǒng)通過PLC解析出LCM346T-M型三維電子羅盤姿態(tài)傳感器的角度數(shù)據(jù)，并送MCGS觸摸屏進(jìn)行了顯示，主要技術(shù)要點(diǎn)包含了PLC的MODBUSRTU通信編程和MCGS觸摸屏通信及數(shù)據(jù)顯示設(shè)置。此外，PLC解析出角度數(shù)據(jù)后，除了送MCGS觸摸屏顯示，還可以將數(shù)據(jù)應(yīng)用于其他方面，例如與繼電器、電機(jī)等連接，用于控制相關(guān)器件，從而可以設(shè)計(jì)出功能更強(qiáng)大的自動(dòng)化系統(tǒng)。