基于自由口协议和Modbus RTU协议称重数据远传研究

2018-09-10陈志伟徐世许

青岛大学学报（工程技术版） 2018年2期

关键词：通信

陈志伟　徐世许

摘要：为了将称重数据实时传送到DCS中方便管理，本文以青岛某碱厂采集的20多种生产原料数据为例，基于自由口协议和Modbus RTU协议，设计应用了称重数据远传系统。系统由上位机、可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）和分布式控制系统（distributed control system，DCS）组成。上位机从数据库中读取数据并经过转换写入PLC内存区；DCS设有RS485接口，且只能识别Modbus RTU协议，于是DCS经RS485光纤转换器与PLC相连，实时读取PLC中的数据。本方案主要应用西门子自由口协议和Modbus协议，编写PLC内部程序，上位机方面使用VB60编写上位机与PLC的串行端口数据传输程序，同时应用ADO方式对结构化查询语言（structured query language，SQL）数据库进行数据操作，实现数据的查询、导出和删除。该系统已成功应用于堿厂生产现场，能够满足对数据远程实时监控的要求。

关键词：自由口协议； Modbus RTU协议；通信； DCS

中图分类号： TP393.04文献标识码： A

近年来，随着工业的迅速发展，传统的通信方式已不能适应现代工业生产的需求，将自动化设备采集的数据传送到计算机并进行相关的分析处理，已经成为交通、电力、冶金等相关行业的重要目标[1]。通常情况下，需要运用企业资源计划（enterprise resource planning，ERP）系统[2]，实现对计算机数据的远程监控和分析，但是过高的成本使小型集散控制系统失去经济效益。DCS凭借操作简单、网络通信能力好等优点，在很多领域得到了普遍应用，但是DCS无法与其他系统共享信息，使得整个系统信息封闭[34]。为了将Toledo地磅系统中的称重数据传送至该厂的DCS系统中，实现对生产现场实时监控，需要设计一个称重数据远传系统，解决DCS系统信息封闭的缺点。基于此，本文设计了一个由上位机、PLC和DCS组成的称重数据远传系统，并应用自由口协议和Modbus RTU协议[57]实现数据采集、传输和存储。该系统通过在上位机上使用高级语言编写程序，使地磅系统数据库中的数据先传送至PLC指定区域中存放，再由DCS系统主动查询PLC中的数据，从而降低成本，并充分运用DCS的功能。称重数据远传系统能够实时将地磅上传到SQL Server数据库中的数据传送到DCS系统中，满足了厂家对数据实时监管的需求。该研究提高了工厂的工作效率和管理水平。

1称重数据远传系统硬件结构

称重数据远传系统由上位计算机、PLC和DCS组成，称重数据远传系统硬件结构如图1所示。PLC选用含有两个RS485通信端口的西门子S7200 226系列，并运用自由口协议与上位机通信，运用Modbus RTU协议与DCS通信。DCS使用的是FOXBORO I/A Series，控制器为FCP270，通讯卡采用FBM231或Modbus板卡[810]。由于DCS只能作为主站，实时主动查询指定区域内的数据，所以需要在从机PLC内对数据进行分区，供DCS查询[11]。

考虑PLC与DCS的通信距离过远且传送过程中有电磁干扰，采用RS485串口通信不能保证信号的实时性和稳定性，于是采用了一套RS485光纤转换器（光端机）来实现数据的远距离通信[12]。

该数据远传系统的工作原理是将地磅传感器传送到AVS AC系统的数据存入SQL Server数据库，然后通过编写的VB软件将SQL Server中的数据经过MSComm控件调用Windows的底层应用程序编程接口（application programming interface，API）发送到PLC的内存区（V区）。

由于上位机用到的串口过多，于是安装了Moxa板卡进行串口拓展。将Moxa端口1设置为RS232接口后，利用Moxa的端口1连接到PLC的Port 1进行数据传输，数据传送至PLC后，由PLC内部的程序将数据进行相应的分区，从而实现数据的定位存储，然后DCS通过FBM231板卡或Modbus板卡对PLC中固定区域的数据每05 s采集一次，采集完成后在DCS的监控界面中显示当前正确的数据和历史数据的趋势图。

2上位机程序设计

2.1上位机程序流程图

称重数据远传系统在上位机上的软件操作系统通过VB 60编程实现。上位机程序流程图如图2所示。

2.2上位机自由口通信指令

自由口通信需要在上位机和PLC内分别编程来实现。在VB 60中编写的上位机自由口通信写指令格式是固定的，由起始字符、数据段和结束字符组成：

Send（0）=&H21‘起始字符

Send（1）～Send（18）‘由数据库数据转换为二进制的数据段

Send（19）=&H0A‘结束字符

设置结束字符是为了方便人为识别指令在何处结束。

PLC向上位机返回的响应指令格式固定，由起始字符、数据段和结束字符组成：

Receive（0）=&H21‘起始字符

Receive （1）～Receive（18）‘返回存入PLC中的信息码

Receive（19）=&H0A‘结束字符

2.3MSComm控件的使用

为了使应用程序更加便捷、快速地使用串行接口接收和发送数据，Microsoft公司开发了微软通信控制（microsoft communications control，MCC）。该控件简化了Windows下串行通信的编程，并通过事件驱动（eventdriven）方法和查询法对通讯过程中产生的问题进行相应处理[13]。MSComm控件程序段如下：

With Mscomm1

.MSComm1.CommPort = 3‘使用3號串口

.MSComm1.Settings = "9 600，n，8，1"‘波特率为9 600，无校验，8位数据位，1位停止位

.MSComm1.InputLen = 0‘一次读取全部数据

.MSComm1.PortOpen = True‘打开端口

.MSComm1.InputMode = ComInputModeBinary‘Input属性以二进制方式取回

MSComm1.InBufferCount=0‘清空接收缓冲区

MSComm1.Output=send‘将自由口通信写指令以二进制形式发送

Doevents

Loop until MSComm1.InBufferCount>=20‘返回字符个数大于等于20个时Receive=MSComm1.Input‘接收返回码

运用自由口协议和MSComm控件，经过编程后实现上位机和PLC的通信。在VB 60环境下，开发的上位机程序界面如图3所示。

2.4使用ADO控件实现对SQL Server和Excel的操作

ADO Data控件是通过Microsoft ActiveX数据对象（activeX data object，ADO）建立符合OLE DB规范数据源连接的数据绑定控件。在VB 60的环境下使用ADO控件对数据库中的数据表进行操作，具体操作步骤如下[1416]：

1）在工程中选择“部件”命令，添加Adodc控件与DataGrid控件。

2）用Adodc中的ConnectionString属性或Connection对象连接数据库。

3）用Adodc中的RecordSource属性或者Recordset对象从数据源中需要的数据，选择打开的记录集。

4）用Recordset对象中的属性对记录集中的记录实现读取、查询、删除和导出等功能。

5）通过DataGrid控件中的Datasource属性设置在DataGrid控件中显示的数据内容，在此处将该属性设置为Adodc 1，即可将数据直观的显示在程序界面。

6）该软件能够根据日期、货物代号、车牌号或车辆代号对数据进行查询、删除、导出等功能，数据查询与清理界面如图4所示。

3PLC程序设计

3.1自由口通信的程序设计

S7200 PLC通信协议的类型有很多，主要有点对点接口（point to point interface，PPI）协议、多点接口（multipoint interface，MPI）协议、PROFIBUS协议、Modbus RTU协议、自由口协议等。PPI协议不能一次性传输足够长的数据，而且需要使用用于过程控制的（OLE for process control，OPC）服务器[1718]对程序进行开发，过程复杂。自由口协议是由用户自定义与其他设备的串行通信协议，使用简单方便，于是该设计选择自由口协议作为该系统的通信协议。S7200 CPU的通信口可以设置为自由口模式，设置后，端口0或端口1由PLC内部程序来控制，于是整个通信过程就由发送指令XMT、接收指令RCV、接收完成中断、字符中断和发送完成中断来控制。S7200自由口通信是基于RS485通信基础的半双工通信的，在该协议下发送和接收指令不能同时执行[19]。

自由端口模式的使用需要在特殊寄存器（SM）中进行参数设置。因为端口1与上位机通信，所以要对SMB130、SMB187、SMB188、SMB190、SMB192、SMB194进行设置。

SMB130为端口1的控制字节，自由端口模式控制字节如图5所示。图5中，pp为奇偶检验选择，选择无校验，所以是00；d为每个字符的数据位，选择8位/字符，所以是0；bbb为自由端口的波特率，选择9 600，所以是010；mm为协议的选择，选择自由端口模式，所以是01。综上所述，控制字节的二进制表示形式为00001001，转化为十六进制则为09。

SMB186为消息接收状态字节，当该字节非零时，RCV指令未被激活或接收已经结束。

SMB187～SMB194为RCV指令开始、终止接收数据的条件。

SMB187为消息接收控制字节，消息接收控制字节如图6所示。图6中，en为禁止或允许接收消息，此处为1，表示允许接收消息；sc为起始字符检测，此处为1，使用起始字符检测；ec为结束字符检测，此处为0，不使用结束字符检测；il为空闲线时间检测，此处为1，使用空闲线检测；c/m为1，使用消息定时器来检测数据接收结束状态；tmr为1，使SWM192中的时间有效；bk为0，忽略break条件。

SMB188字节中存放消息的起始字符，SMB190中存放以ms为单位的空闲线时间间隔，SMB192中存放以ms为单位的字符间/消息间定时器的超时值，若超出该时间段，则停止接收消息，SMB194为接收的最大字符数（1～255B）。

3.2Modbus RTU从站协议的通信程序设计

工厂中应用的DCS只能识别Modbus RTU协议，所以在PLC中使用Modbus协议通信时需要安装STEP 7Micro/WIN V32指令库[20]，然后在库文件中找到“Modbus Slave Port 0”，调用MBUS_INIT指令和MBUS_SLAVE指令。MBUS_INT指令如图7所示，MBUS_SLAVE指令如图8所示。

输入参数Mode为1时，分配Modbus协议并启用该协议。Addr用于设置从站地址，该地址为6，Baud将波特率设置为9 600，Parity为0是无校验，Delay是以ms为单位的Modbus消息结束的延迟时间。主设备能够访问PLC的V存储区的最大字个数用MaxHold表示，PLC中V存储区内保持寄存器的起始地址用HoldStart表示。

指令添加之后要分配库存储器，Modbus指令需要780B的V存储区，为了使MBUS_INIT指令中用HoldStart和MaxHold参数分配的V存储区不重叠，库存储区的起始地址应该在V存储区之外。该工程的库存储区设置在VB4000。

4DCS对PLC的数据读取

FOXBORO I/A Series的DCS具有强大的功能，能够对数字信息进行实时采集和监控。DCS通过FBM231板卡上的RS485接口连接到PLC，然后通过组态软件对PLC内存区中20多个固定的存储区域进行数据采集，每05 s扫描一次所有内存区。由于DCS对数据的读取方式与PLC的数据存储方式不同，所以需将采集的数据进行高字节与低字节互换，才能得到正确的数据形式，最后将正确的数据显示在DCS的监控界面中，并产生历史趋势图。

5结束语

本文基于自由口协议和Modbus RTU协议，设计了由上位机、PLC和DCS组成的称重数据远传系统，实现了将上位机数据远程传送到DCS中监控的功能，开发了DCS的信息共享功能。该系统结构精简，经济性好，并且能够满足工业现场对数据进行实时监控的要求。该系统运用ADO方式对数据进行操作，方便了现场工作人员对数据的使用和管理，减少了数据查询时的错误，同时提高了企业的管理效率和管理水平，节约生产成本。

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