富士觸摸屏和西門(mén)子PLC通訊中的問(wèn)題及解決方案

0 引言

　　隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )及現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)技術(shù)的發(fā)展，PLC及觸摸屏在工業(yè)控制和樓宇自動(dòng)化中的應用非常廣泛?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其總線(xiàn)接口模塊、智能儀表、控制設備等組成的綜合監控系統已成為當前自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在工控領(lǐng)域，PLC與觸摸屏結合運用的技術(shù)已越來(lái)越為工程人員所了解與熟悉 ,由于觸摸屏具有操作簡(jiǎn)便、界面美觀(guān)直接、編程容易掌握、與PLC通訊良好、抗干擾能力強等等特點(diǎn) ,它正迅速地滲入各個(gè)行業(yè) ,發(fā)揮自動(dòng)化控制的最大優(yōu)勢。

　　PROFIBUS提供了兩種通信協(xié)議：DP、FMS，富士UG系列的觸摸屏支持其中的DP協(xié)議。富士觸摸屏具有很強的兼容性，可以與近30個(gè)廠(chǎng)家的PLC通訊，兼容性極強，而且還可以和計算機通訊（開(kāi)放式通訊協(xié)議）。

　　通過(guò)接口單元、UG031-P通訊卡及總線(xiàn)的連接，UG觸摸屏可以作為從站和作為主站的西門(mén)子的S7-300或S7-400系列的PLC通信（網(wǎng)絡(luò )結構示意見(jiàn)圖一）。

圖一：PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò )結構

1 系統結構

　　本文的背景為某食品加工廠(chǎng)某控制系統包括原料混料線(xiàn)、薯餅生產(chǎn)線(xiàn)、包裝線(xiàn)等構成的主線(xiàn)系統，以及蒸汽鍋爐系統、水系統、壓縮空氣系統、照明系統、通風(fēng)系統和消防系統等構成的輔助系統。各系統位置比較分散，控制點(diǎn)較多，其中包括140多臺電機，29臺變頻器，15個(gè)溫濕度控制點(diǎn)。

　　由于系統比較復雜，控制采取分層控制策略，由兩臺上位機完成工廠(chǎng)級的監控及數據管理功能，觸摸屏和PLC完成現場(chǎng)級的控制，采用Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)的方式進(jìn)行通訊。上位機留有接口，可連接局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，以利于進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。其中數字輸入點(diǎn)有900多點(diǎn)，數字輸出有400多點(diǎn)，模擬量輸入20 個(gè)。

　　下面以這個(gè)食品加工廠(chǎng)為例，組成一個(gè)集中控制系統，系統結構如圖二所示。

　　其中PLC（1）用于主系統，PLC（2）用于輔助系統。輔助系統的組成與主系統相似，因此圖中省略了其構成。PLC選用S7-300系列的 CPU315-2DP和S7-200系列的CPU226，PID模塊為FM355C，通訊模塊為CP342-5，擴展模塊為IM153-1，I/O模塊則使用到：數字輸入模塊選SM321、數字輸出為SM322、模擬量輸入為SM331。上位機選用西門(mén)子的工控機，它內置了PCI接口的CP5611卡用于與PLC通訊。

　　選用S7-300系列的CPU315-2DP是為了能進(jìn)行擴展I/O模塊以滿(mǎn)足控制點(diǎn)數的要求，而用于擴展的IM模塊的選型則是依據IM模塊與中央控制器CPU315-2DP的距離。

　　由于所有的I/O模塊均放在同一組控制柜里，因此選用了通訊距離在5米范圍內的IM153-1[1]。當IM模塊與中央控制器的距離較遠時(shí)可以選擇通訊范圍為100米的型號的IM模塊。

　　觸摸屏選用富士UG420H-SC1，10.4英寸、128色STN顯示，基于Windows95/98/NT操作平臺下的專(zhuān)用組態(tài)軟件，界面友好直觀(guān)，易學(xué)易用，大大節省產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。編程軟件中備有大量的圖形庫（開(kāi)關(guān)、燈、棒圖等）供選擇，還可以根據用戶(hù)需求編輯所需要的工藝圖形，能夠轉換BMP 文件和AUTOCAD中的DXF文件。

圖二： 控系統硬件組成及結構

2 觸摸屏的通訊設置及界面設計

　　在硬件連接完成后，需要在組態(tài)軟件中指定系統的硬件配置以及設置一些通信參數等等。首先制定所使用的觸摸屏的類(lèi)型，這里選擇默認的 UG420（640＊480 10.4inches）;下一步指定和觸摸屏通訊的PLC類(lèi)型及型號，這里選SIEMENS S7-PROFIBUS;最后一步指定系統參數，首先是讀區和寫(xiě)區，讀區是指作為從PLC讀入數據的緩沖，如果系統中需要顯示趨勢圖的話(huà)那么讀區應當設大一些，一般設1000個(gè)字就可以了，寫(xiě)區用于顯示存儲屏幕的狀態(tài)、頁(yè)碼、畫(huà)面層疊以及報警狀態(tài)等等。另外在對話(huà)框No.of Word Setting for I/O中需要指出觸摸屏的MPI地址，以及傳輸的幀長(cháng)度，MPI地址在PLC的硬件組態(tài)里已經(jīng)定義好了，兩者必須一致，否則會(huì )出現通信錯誤。另外幀長(cháng)度為32字節;奇偶校驗為奇校驗;數據長(cháng)度8位;停止位1位;通訊方式RS-485。

　　UG00S-CW具有非常完善而強大的組態(tài)功能，在開(kāi)發(fā)組態(tài)的時(shí)候，開(kāi)發(fā)者可以不去考慮通信協(xié)議的問(wèn)題，因為富士公司已經(jīng)將這一切的技術(shù)細節都屏蔽掉了，它具有智能的尋址功能。在建立一個(gè)按鈕時(shí)，這個(gè)按鈕在PLC中的預先有定義（在西門(mén)子PLC中，無(wú)論是數字量還是模擬量的定義都是在DB塊中）。假設這個(gè)按鈕的地址是DB2.DBX2.0（它的含義是第2個(gè)DB塊中第2個(gè)字節的第0位），觸摸屏中按鈕的地址應表示為DB2：2-0。我們可以看到，除了地址的書(shū)寫(xiě)方式有所不同以外，你幾乎無(wú)需作其他的工作，你無(wú)需去定義變量、更無(wú)需去理會(huì )通信的幀結構等等。

　　對于模擬量同樣如此，只不過(guò)在模擬量中你需要指出模擬量所占的字節個(gè)數，其他的同數字量一樣簡(jiǎn)單。

　　可以說(shuō)，UG00S-CW在處理基本的模擬數字量的時(shí)候非常簡(jiǎn)單、方便，但是在處理一些較為復雜的情況時(shí)卻遇到了意想不到的問(wèn)題。在這個(gè)食品生產(chǎn)線(xiàn)的集中控制系統，其中就涉及到富士觸摸屏和西門(mén)子PLC中的通信格式的兼容問(wèn)題。

　　系統中有些PID控制的模擬量需要用趨勢圖來(lái)顯示，UG00S-CW中顯示趨勢圖并不復雜，首先點(diǎn)一下趨勢圖的圖標，在彈出的對話(huà)框中選擇趨勢圖的類(lèi)型，然后選擇每條曲線(xiàn)對應的地址即可。但是在聯(lián)機調試時(shí)卻總是出現comunication error（通信錯誤）信息，經(jīng)過(guò)排查發(fā)現問(wèn)題出在趨勢圖上，如果將趨勢圖從程序中去掉，則一切正常，后來(lái)我就嘗試先將西門(mén)子PLC中的對應的模擬量數據讀入觸摸屏的緩沖（即內部存儲區），然后將趨勢圖每條曲線(xiàn)的地址改為對應的內部地址。經(jīng)過(guò)聯(lián)機調試，發(fā)現不再出現comunication error信息，但是趨勢圖的曲線(xiàn)的顯示卻極不正常。經(jīng)過(guò)觀(guān)察，發(fā)現除了當模擬量的值為零時(shí)曲線(xiàn)顯示正常，而為非零時(shí)曲線(xiàn)則指向無(wú)窮大。這個(gè)問(wèn)題曾讓筆者百思不得其解，后來(lái)終于想到有可能是西門(mén)子PLC和富士觸摸屏在存儲格式上可能會(huì )不兼容。原來(lái)富士觸摸屏中趨勢圖中的模擬量一般都是雙字（4字節），它從西門(mén)子PLC讀取的順序是將第一字讀為高字，第二個(gè)字讀為低字，而西門(mén)子PLC中模擬量的存儲為先存低字再存高字，這樣富士觸摸屏從西門(mén)子PLC中讀入的數據剛好都是高低字顛倒的。因為一般模擬量的值都比較小，所以高字都為零，這樣相當于將原來(lái)的值乘了一個(gè)2的16次方的數，遠遠超過(guò)了模擬量的上限，所以才出現了以上情況。

　　為了解決以上問(wèn)題，需要將PLC中的數據讀入，然后依次高低字顛倒，然后再將趨勢圖的曲線(xiàn)地址指向存儲修正數據的內部地址即可。為了完成這個(gè)功能，需要用到UG00S-CW的宏指令，富士UG00S-CW平臺提供了豐富的宏命令集，

　　主要有以下幾類(lèi)：

　　屏幕類(lèi)，當打開(kāi)一個(gè)界面時(shí)可執行的OPEN macro，當關(guān)閉一個(gè)界面時(shí)可執行的 CLOSE macro，當打開(kāi)一個(gè)界面后不斷循環(huán)執行直到這個(gè)界面關(guān)閉為止時(shí)停止的 CYCLE macro。

　　按鈕類(lèi)，當按下一個(gè)按鈕時(shí)可執行的 ON macro和當松開(kāi)一個(gè)按鈕時(shí)可執行的 OFF macro。

　　宏模式，即宏指令程序段受某一個(gè)比特位的控制，當這一位為1時(shí)執行，為0時(shí)停止，這個(gè)比特位可以是PLC中的地址，也可以是觸摸屏的內部地址。

　　富士UG00S-CW的宏命令集和匯編語(yǔ)言非常相似，不過(guò)此外還增加了許多系統命令功能和輔助功能，使得開(kāi)發(fā)程序更加方便快捷。觸摸屏中的存儲格式是字，地址用$u來(lái)表示，例如$u1000就表示第1000個(gè)字，$u1000-14就表示第1000個(gè)字的第14位，觸摸屏中沒(méi)有用來(lái)表示字節的地址表示方式。在這個(gè)食品生產(chǎn)線(xiàn)上有多個(gè)PID控制回路，每個(gè)回路對應一個(gè)趨勢圖，以第一個(gè)回路為例，它占用Buffer1（最多有12個(gè)Buffer可供使用）趨勢圖有三條曲線(xiàn)PV、SP、OP，它們所對應的PLC地址分別為DB10：DBD0，DB10：DBD4， DB10：DBD8，然后將調整后的地址存入定為$u500～$u505，程序段如下：

　　/＊首先將模擬量讀入觸摸屏內部，使用塊賦值BMOV指令，即將DB10：DBD0～ DB10： DBD8賦值到$u500～$u505＊/

　　$u500=DB0010：0000 C：12（BMOV）

　　//下面將各個(gè)量的高字和低字顛倒

　　$u600=$u500 （W）

　　$u500=$u501 （W）

　　$u501=$u600 （W）

　　$u602=$u502 （W）

　　$u502=$u503 （W）

　　$u503=$u602 （W）

　　$u604=$u504 （W）

　　$u500=$u505 （W）

　　$u505=$u604 （W）

　　然后將此程序段拷貝到每一屏幕的CYCLE macro中，然后將buffer地址初始地址指向$500，抽樣模式定為：Constant Sample，曲線(xiàn)條數（即No. of Word）定為3條，存儲長(cháng)度為500，其他的設置為默認值，趨勢圖中對應三條曲線(xiàn)的地址改為$u500,$u502,$u504，這樣才能保證觸摸屏中的數據和PLC中的數據同步更新。將程序下載到觸摸屏，經(jīng)過(guò)聯(lián)機測試，一切正常。

3 結束語(yǔ)

　　富士觸摸屏以及西門(mén)子PLC由于其產(chǎn)品具有很高的穩定性，而且在軟件開(kāi)發(fā)上非常高效快捷，因此在工控方面，兩者相結合是一個(gè)很不錯的選擇，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)。但是由于兩者畢竟不是同一廠(chǎng)商，所以難免會(huì )在某些細節的兼容性上會(huì )有紕漏，這是我們在設計工控系統時(shí)特別要注意的地方，硬件漏洞軟件補是 IT界永恒不變的方法，在開(kāi)發(fā)商還沒(méi)有使他們的產(chǎn)品盡善盡美之前，我們應當運用我們自己的智慧來(lái)完善我們的系統。