PLC 通信方式及其在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

平 路

（國網(wǎng)三門峽供電公司， 河南 三門峽 472000）

0 引言

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)用于對工業(yè)設備或場所進行監(jiān)視控制，監(jiān)控系統(tǒng)一般包括傳感器、控制器、執(zhí)行器，控制器用的較多的是PLC，PLC 與PLC 之間，PLC 與傳感器、 執(zhí)行器之間的通信方式多種多樣， 通信方式的選擇和實施是監(jiān)控系統(tǒng)的重點，也是難點，本文擬對以PLC 為核心的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的通信方式和具體實現(xiàn)方法加以分析。

1 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

常用的本地工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)測設備和環(huán)境參數(shù)的傳感器，如溫度、壓力、流量等傳感器，用于控制設備和環(huán)境因素的各種執(zhí)行器，如變頻器、電磁閥、接觸器等，以及與現(xiàn)場設備配套的觸摸屏、儀器儀表等。如果需要遠程監(jiān)控，還需要云智能網(wǎng)關、云平臺、智能終端等設備。本文主要分析本地工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，其常用構(gòu)架見圖1。

圖1 工業(yè)現(xiàn)場常用監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)常用通信方式

在現(xiàn)場工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC 是監(jiān)控系統(tǒng)核心器件，本文以西門子S7-1200PLC 為例介紹現(xiàn)場工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)常用的通信方式。

2.1 智能IO 設備通信

如果一個系統(tǒng)由多個站組成， 每個站由一個S7-1200PLC 控制，則可以將其中一個PLC 做為上位機（主站），其它PLC 做為該上位PLC 的智能IO 設備，用智能IO 設備通信方式，將各個站的信息匯集到上位PLC，也可以從上位PLC 下發(fā)控制指令到其它做為智能IO 設備的PLC 中。

2.2 分布式IO 通信

分布式IO 通信是指PLC 與分布式IO 設備之間的通信。當S7-1200PLC 的本機需要分層分機架布局IO 點時，可以采用這種通信方式。

2.3 開放式以太網(wǎng)通信

開放式以太網(wǎng)通信適宜于PLC 與其它設備間的報文傳輸。 TSEND_C 指令把發(fā)送數(shù)據(jù)塊的指令發(fā)送給對方，TRCV_C 指令將從對方接收的數(shù)據(jù)存放在接收數(shù)據(jù)塊中。

2.4 Modbus RTU 通信

Modbus RTU 通信用于與支持Modbus RTU 通信協(xié)議的設備進行通信。 PLC Modbus RTU 通信指令有三條：MB_COMM_LOAD 指令、MB_MASTER 指令和MB_SLAVE指令。 儀器儀表、變頻器等用Modbus RTU 協(xié)議通信的比較多。

2.5 自由口通信

S7-1200PLC 的自由口通信是串行通信。 適宜與不支持Modbus 協(xié)議的儀器儀表通信。 S7-1200PLC 的自由口通信指令有兩條： 一是SEND_PTP （發(fā)送數(shù)據(jù)）； 二是RCV_PTP（接收數(shù)據(jù)）。

3 PLC 通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

S7-1200PLC 之間，S7-1200 與其它設備儀器之間不同通信方式的實現(xiàn)方法和步驟如下：

3.1 PLC 之間的智能IO 設備通信

PLC 之間的智能IO 設備通信方式可用在兩個或多個PLC 之間通信。

（1）硬件與接線。 兩個或多個PLC 之間通過交換機，用網(wǎng)線連接。

（2）組態(tài)與編程。 ①添加兩個或多個PLC，設置IP 地址，使不同PLC 處于同一網(wǎng)段；②智能設備通信是主從通信，在擬作為從站的PLC 的硬件組態(tài)中，點擊PLC 的網(wǎng)口，在屬性的常規(guī)-操作模式-智能設備通信中，設置發(fā)送區(qū)和接收區(qū)；③根據(jù)上述發(fā)送區(qū)和接收區(qū)的設置，分別在主PLC 和作為智能IO 設備的從PLC 進行編程。

3.2 PLC 與閥島的分布式IO 通信

（1）硬件與接線。 智能閥島是智能IO 與電磁閥匯流板的集成產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的離散式電磁閥相比，簡化了接線，增加了分布式IO 的控制功能。

分布式IO 集成了通信接口、電源模塊、I/O 模塊等。

PLC 與閥島之間用網(wǎng)線連接。

（2）組態(tài)與編程。

GSD 文件安裝：①打開Portal 軟件，打開項目視圖，點擊選項中的管理通用站描述方件（GSD）；②選擇閥島所對應用GSD 文件，安裝。

設備組態(tài)：①選擇網(wǎng)絡視圖，點擊硬件目錄，選擇過濾；②點擊Profinet 下的I/ O；③雙擊Syckin Intelligent 下的SV2Series；④連接PLC 和分布式IO；⑤設定智能閥島參數(shù)：修改閥島IP 地址；⑥修改閥島名稱。

組態(tài)擴展模塊：在設備視圖右側(cè)硬件目錄中，選中模塊下的SV2PN，拽到設備視圖中。

編程：硬件組態(tài)后，根據(jù)智能閥島屬性中的分配地址進行編程。 智能閥島只有輸出Q 地址。

3.3 PLC 與RFID 的開放式以太網(wǎng)通信

（1）硬件與接線：①硬件：PLC 與RFID 的開放式以太網(wǎng)通信硬件包括PLC 和RFID。 RFID 是一種非接觸的射頻識別技術， 通過射頻信號識別特定目標標簽數(shù)據(jù)并進行讀寫傳輸； ②接線：RFID 與PLC 通過網(wǎng)線連接；③RFID 軟件調(diào)試：RFID 軟件調(diào)試包括IP 地址設置、 端口號、功率、讀取模式等。

（2）編程：PLC 與RFID 開放式以太網(wǎng)通信用到了兩條指令：TSEND_C 指令和TRCV_C 指令，這里以和TRCV_C指令為例分析。 TSEND_C 指令如圖2 所示。

圖2 TSEND_C 指令

TSEND_C 指令參數(shù)含義如下：

REQ：在上升沿啟動發(fā)送工作。

CONT：控制通信連接，0-斷開通信連接；1-建立并保持通信連接。

LEN：發(fā)送的最大字節(jié)數(shù)，如果在參數(shù)DATA 中使用純符號值，則LEN 參數(shù)的值必須為0。

CONNECT：指向連接描述的指針，這個包含連接關系的指針會自動生成。

DATA：發(fā)送數(shù)據(jù)塊，需要將其屬性中的優(yōu)化數(shù)據(jù)塊中的對鉤去掉并編譯，并在其中建數(shù)組變量。

編程方法：編程中先將RFID 中的報文內(nèi)容分別寫在發(fā)送數(shù)據(jù)塊的數(shù)組元素中， 然后啟動發(fā)送指令RCV_C，將發(fā)送數(shù)據(jù)塊中的內(nèi)容發(fā)送到RFID 中， 然后啟動TRCV_C 指令接收RFID 反饋的數(shù)據(jù)。

3.4 PLC 與變頻器的Modbus RTU 通信

（1）硬件與接線：PLC 與變頻器的Modbus RTU 通信需要的硬件為：支持Modbus 的變頻器、S7-1200 的PLC、S7-1200 配套的通信擴展板CB1241 或擴展模塊CM1241。

需要注意： 接線時要將CM1241 或CB1241 的RS485的A 端或正端接變頻器的B 端，RS485 的B 端或負端接變頻器的A 端，這一點與其它RS485 的接線方式有所不同。

（2）組態(tài)和編程：①組態(tài)。 將硬件目錄-通信模塊-點到點中的CM1241（RS485）添加到PLC 模塊的左側(cè)通信擴展槽中，并設置對應參數(shù)，如“9600-N-8-1”等；②編程。編程中要用到Modbus RTU 指令：MB_COMM_LOAD 和MB_MASTER 或MB_SLAVE 指令。 這里以主站指令MB_MASTER 為例介紹。

MB_COMM_LOAD 指令作用： 組態(tài)Modbus 通信端口，該指令只需執(zhí)行一次。

MB_COMM_LOAD 指令主要參數(shù)含義：

REQ：上升沿執(zhí)行

PORT：通信端口ID。

PARITY：奇偶校驗選項。 0-無、1-奇、2 偶。

BAUD：波特率。

MB_DB：指向MB_MASTER 的背景數(shù)據(jù)塊。

DONE：指令執(zhí)行完畢，無錯。

ERROR：錯誤，0-無錯、1-有錯。

STATUS：錯誤代碼，存在WORD 變量中。

MB_MASTER 指令作用：作為MASTER 主站，可以訪問一個或多個MASTER 從站中的數(shù)據(jù)，因為RS485 通信是半雙工，所以多個MASTER 指令要進行輪詢訪問。

MB_MASTER 指令主要參數(shù)含義：

REQ： 請求輸入，0-無請求，1—請求將數(shù)據(jù)發(fā)送到MASTER 從站設備。

MB_ADDR：Modbus RTU 從站地址。 默認地址范圍：0-247。

MODE：模式選擇：讀取、寫入或診斷。

DATA_ADDR：從站中的起始地址，指定Modbus 從站中將要訪問的數(shù)據(jù)起始地址，比如40001。

注意：ModbusRTU 設備協(xié)議中的數(shù)據(jù)地址和指令中的Modbus 寄存器地址之間需要換算。 DATA_LEN：從站中被訪問的數(shù)據(jù)長度。 以位或字為單位。

DATA_PTR： 參數(shù)是指向用來寫入或讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊或位存儲器的指針， 書寫參考格式：P#DB1.DBX0.0 INT 2。

利用上述兩條指令就可以讀取或?qū)懭胱冾l器參數(shù)，如啟停命令或運行頻率等。

3.5 PLC 與掃碼槍的自由口通信

如果儀器儀表不支持Modbus 協(xié)議， 就需要采用S7-1200PLC 的自由口通信協(xié)議來完成PLC 與儀器儀表的通信。

（1）硬件和接線：掃碼槍內(nèi)置二維碼傳感器。 二維碼傳感器由光源發(fā)出的光線照射到條形碼， 反射光成像在光電轉(zhuǎn)換器，譯碼成數(shù)字信號經(jīng)自由口通信傳輸給PLC。

掃碼槍上有網(wǎng)口， 可分解為RS232 串口和USB 口。用調(diào)試軟件設置掃碼槍參數(shù)時，需要用網(wǎng)口轉(zhuǎn)USB 轉(zhuǎn)接線與電腦相連。

PLC 需要在左側(cè)擴展一個RS232 的通信模塊， 以便與PLC 進行串口連接。

（2）組態(tài)和編程：①掃碼槍軟件設置。點擊設置-點擊系統(tǒng)設置-點擊掃描設置-將解碼格式改為感應模式-點擊保存到設備。在設置里面點擊通信接口-點擊RS232 設置-將通信格式設置為“9600-N-8-1”，點擊保存到設備；②PLC 硬件組態(tài)： 將硬件目錄-通信模塊-點到點中的CM1241（RS232）添加到PLC 模塊的左側(cè)通信擴展槽中，并設置其對應參數(shù)，如“9600-N-8-1”等；③編程：編程會用到兩個通信指令：一個是SEND_PTP，其功能是發(fā)送發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)；另一個是RCV_PTP，其功能是啟用接收信息，將接收的數(shù)據(jù)放在接收緩沖區(qū)中。

這里以RCV_PTP 為例進行介紹。

RCV_PTP 的位置：

指令-通信-通信處理器-點到點。可以將其拖拽到程序編輯區(qū)中。

RCV_PTP 指令參數(shù)含義：

EN_R：啟用接收指令，上升沿觸發(fā)。

PORT：通信模塊的端口標識符，當添加了通信模塊后會自動生成端口標識符。

BUFFER：指向接收緩沖區(qū)的起始地址，不要在接收緩沖區(qū)中使用STRING 類型的變量。 新建一個掃碼槍數(shù)據(jù)接收DB 塊，在其中新建變量Array[0..10]，然后將其屬性中優(yōu)化的塊訪問的對鉤去掉，對塊進行編譯。

4 結(jié)束語

本文主要分析了工業(yè)設備及場所的本地監(jiān)控系統(tǒng)中PLC 與PLC 之間，PLC 與其它設備器件之間的通信方式及實現(xiàn)方法，這些方法分為兩類：以太網(wǎng)通信（智能IO 設備通信、分布式IO 通信、開放式以太網(wǎng)通信）和串行通信（Modbus 通信、自由口通信）。 本文所分析通信方式也可在其它領域推廣應用。