PLC控制中通信协议宏的应用

          摘  要：文章详细介绍了PLC控制中一种新颖、高效的通信方式——通信协议宏的原理和实现方法，并将该方法成功地应用于港口门机的电气传动部分的改造，取得了令人满意的效果，最后对通信协议宏实际应用中一些应注意冯问题予以总结。

一、引言

随着微机控制技术、电力电子技术和电气传动技术的飞速发展，交流变频调速技术正以其优异的控制性能日益为工业界所接受，而可编程逻辑控制器（PLC）作为一种高可靠性的控制部件，也正以前所未有的速度在工业自动化领域迅速普及。在我国传统的钢铁冶金、交通运输、机械化工等各产业中，存在着大量的以继电器、接触器和直流调速为主的电气传动系统，这些系统存在硬件线路复杂、可靠性低、能耗大、生产维修量大等许多缺点，因此如何将PLC与交流变频调速技术相结合，对传统产业进行改造，是企业界正着力解决的问题。本文就某港务局与浙江大学合作，对其下属的煤运码头门机电气传动部分的改造进行了介绍。原有的门机传动部分分为3块，即门机抓斗的3个自由度，起升、变幅和旋转，均采用交流绕线式电机进串电阻调速，根据以往运行情况，主要缺点在于：能耗大，运行时机械、电气冲击大，故障频繁，维修任务繁重等，故决定将系统改造为PLC控制的交流变频调速系统。

二、系统构成

根据系统特点和生产工艺要求，选用适合小型应用场合的OMRON-C200HE型PLC，变频器采用英国CT公司的高性能通用变频器，为了显示系统工作情况及故障情况，系统还包括一块OMRON-NT620S型触摸屏。遵循以前的生产操作习惯，仍采用手柄操作，触摸屏仅用来显示相关信息，为系统维修提供支持。整个系统中PLC是控制核心——根据操作指令和内部逻辑向变频器发送指令，从变频器读回各种信息，并将这些信息送给触摸屏显示等。C200HE是OMRON系列PLC中较新的型号，具有很强的通信功能，而CT系列变频器也具有可选的通信模块。为了充分利用PLC和变频器的功能，最大限度地减少硬件连线，系统采用PLC与变频器之间以串行通信方式进行控制，硬件上采用适合工业场合的RS485连接，整个系统结构如图1所示。

由于系统生产工艺并不复杂，所以如何实现PLC与变频器之间的通信是整个工作的重点。C200HE型PLC除了通常用于RS232通信方式的TXD，RXD指令外，还提供了一种新颖、高效的通信方式，PMCR指令——通信协议宏功能。这种通信方式不仅适用于RS232通信方式，也适用于抗干扰能力强，传输距离远的RS485方式，而且其最大优点在于允许用户定义单独的数据传送序列和传送信息，用户可以用OMRON通信协议宏支持软件很容易地修改通信序列，从而大大简化编程，增加编程的灵活性，本文将对此进详细的讨论。

三、PLC控制中通信协议宏的实现

1、OMRON 通信协议宏

        通信协议宏功能是把同连接在RS232或RS422/485通用组件等各种通信机器之间的数据送收信息顺序，通过通信协议宏支持软件，让用户自由编制，以PMCR指令就能够实现的用户原始通信协议。

        要实现通信协议宏功能，必须有相应的硬件支持，即通信单元，C200HE包括COM01 ~ COM066种可选单元，其中COM04 ~ COM06支持通信协议宏功能。对于本文的工作，需要一个RS485的通信端口去控制变频器，所以选择COM06单元，其A口（RS485）与CT变频器通信。B口（RS232）与触摸屏进行通信，在选定连接好硬件之后，就可以进行通信协议宏的工作了。首先必须对通信单元作设定，根据变频器的设定，使用ASCII协议，数据通信连接 ：1位起始位，7位数据位，1位停止位，偶校验，RS485两线制，波特率为9600，故对COM06要将切换开关SW1调整到“2”侧，终端电阻开关SW2设定为ON。另外，PLC的数据区DM6555、DM6556要设置成支持协议宏，并且通信连接的格式要与变频器设定一致，在设置完成之后，可以编写协议。用通信协议支持软件可以建立多达1000个通信序列，即000 ~ 999，每个通信序列最多由16步组成，通信序列每一步的结构及各参数的含义如表1所示。

在通行序列各项参数的设置中，Send message和Receive Message是最重要的，因为它们不仅决定发送和接受信息的具体内容，而且其格式的设置要与具体的控制对象的通信协议相结合来确定，下文将对此进行详细讨论。

2、CT变频器的通信协议

根据系统要求，给每台Unidrive变频器配备了CT公司提供的UD-71插入式通信模块，该模块内含1片32位RISC处理芯片，对外提供RS232和RS485两个完全光隔的通信接口，可以方便地将变频器连如RS485网络。Unidrive变频器与上位机之间的通信采用的命令和数据都是字符串，它具有特定的通信协议，该协议由CT公司提供，包括两大类命令，即读数据命令和写数据命令，这两类命令的格式介绍如下。

（1）写命令

当上位机（PLC）想设定网络上某一台变频器的某一个参数时，上位机就发送下列格式的命令：

EOT——复位码，STX——命令开始码，ETX——命令结束码，GA——组号，UA——单元号，M1、M2——参数号，P1、P2——参数在组内的序号，D1…DN——参数的值（D1为符号位），BCC——块校验和。

由于写命令可直接改变电机的运行状态，为防止发生意外，写命令的格式要求很严格，变频器地址、参数、数据缺一不可。如果该命令能被变频器识别，则变频器返回ACK（成功），否则NAK（不成功）。

例1 要将第1组的第2个变频器的参数“1.15”写为“1”，则传送的信息如下。

（2）读命令

当上位机（PLC）想读取网络上某一台变频器的某一个参数时，上位机就发送下列格式的命令。

如果该命令能被变频器识别，则变频器将返回如下结构的信息。

上述格式中的符号ENQ为查询码，其余符号含义与写命令相同。

例2 要读取第1组第2个变频器的有功电值“4.02”参数，则传送的信息如下。

返回信息为

这里值得一提的是BCC校验和，为保证由变频器出入的信息在传输的过程中的准确无误，数据响应以块校验和数BCC字符结尾。BCC实际上是该命令中从STX控制码之后开始的所有字符的ASCII码的异或弛，若运算结果小于32，则加上20H，最终以ASCII码对应的字符加到读写指令中，上位机可以用该值来校验前面收到的数据的准确性。因此，例1中的BCC值为3C。

3、通信协议宏在本系统控制中的实现

前文已述及，在通信协议宏的编制中，发送信息和接收信息是最重要的，而发送信息和接收信息的编制是根据PLC通信协议宏的格式要求，以CT变频器的通信协议为基础来进行的。对变频器的控制，不管是写命令，还是读命令，都包括发送和接收两个信息（Send Message/Receive Message）。对于写命令，发送的信息是某个变频器的某个参数，接收的信息仅是1个位，即通信成功与否（ACK/NAK）；对于读命令，发送的信息是某个变频器的某个参数，接受的信息是该参数的相关内容。因此，写命令和读命令的通信协议序列中，都包括发送信息和接收信息，即协议中Command参数应设为Send&Receive，确定通信协议序列之后，就可以编制具体的发送信息和接收信息。
Send Message和Receive Message结构如下
*Message Name Header(h) Terminator(t) Check Code(c) Length(l) Address(a) Data(d)其中(h)、(t)、(c)表示信息可开始位、结束位、校验位，它们是由通信控制设备的协议所决定的，当设置(t)时，(l)自动附加，(a)是指信息送往目标的标志符，(d)用于设置信息内容。这里结合PMCR指令，对Address(a)和Data(d)作进一步解释。通信协议宏在程序中是以PMCR指令来实现的，它的格式如下。

PMCR

C

S

D

其中C为控制字，第1位用于指定端口，1：A口，2：B口，后3位表示通信序列，S表示发送数据首字，D表示接收数据首字。
下面以本系统为例来说明通信协议宏的实现过程。

要用PLC将其控制的3台变频器的参数读回来，必须先将地址号和参数号发给相应的变频器，变频器识别后，再将返回的信息写到PLC指定的区域内。

实现过程分两步，第一步编写通信协议，关键的问题在于Send Messang和Receive Message中Address和Data的编写。首先需设置它们的属性——读(R)或写(W)，对本例而言，Send Message中发送的地址号和参数号是从PLC的DM区中读出后发送的，所以其属性设为R；而Receive Message中接收到的信息是要写入DM区的，所以其属性设为W。设置了属性，就可以进行第2步：从指定字中读写地址或数据。有几种方法可以指定该字，一种通用的方法是用包括变量N的一阶方程用于地址或数据的引入，每当通信序列步中指定的重复计数器重复一步时，变量N加1，使用带N变量的方程计算地址或数据可实现地址和数据的动态传输。
根据CT变频器通信协议，读变频器参数信息时，每次先发送长度为8个字节的地址号和参数号，返回的信息长度不定，不妨每16个字节存放1条信息，数据长度由(t)确定后自动附加，Data中以通配符*表示。

由此编制Send message和Receive message如下。

以上面的通信协议（序列号设为1），假设发送信息存在DM300开始的单元，接收信息存入DM800开始的单元内，则用下面的一条PMCR指令就可连续读取3台变频器的指定参数。

PMCR

#1001

DM0300

DM0800

四、总结

通信协议宏，可以用一条指令实现遵循同一个协议的多条信息传送，大大简化了编程，增加了编程的灵活性，这一功能被成功地应用于本系统中，不仅提高了程序的运行效果，而且在实际运行中取得了令人满意的效果。目前该系统已在现场正常工作了两个多月，整个系统的维修量和耗电量都大为降低。实践证明，通信协议宏在系统中的应用是成功、有效的。

在本系统的调试中，笔者体会到在使用通信协议宏时，一些细节的问题必须予以充分的考虑，否则，就不能充分发挥通信协议宏的功能，甚至会造成通信失败，这里列举几个调试中遇到的问题。

1、在程序中，有多条PMCR指令时，尽量使用@PMCR——上升沿有效指令，否则可能引起各条指令之间的冲突，从而造成通信失败。

2、当通信失败时，通信忙位28908（内部继电器）始终保持ON，必须在程序中有相应的复位手段，例如当28908保持ON超过一定时间时，可置通信复位继电器28911为ON，使通信复位。

3、通信复位时，虽然可恢复通信，但此时，往往会失去通信所需的上升沿条件，必须在复位的同时，补发一个上升沿，可采用28911的常开触点予以解决。

总之，通信协议宏作为一种新颖的PLC通信手段，与传统的方法相比，具有简单、高效的优点。但实际应用中必须在理解基本原理的基础上，充分考虑各种情况，才能真正发挥通信协议宏的优势。