摘要：本文介紹在某食品加工生產(chǎn)線中使用的富士觸摸屏和西門(mén)子PLC組成的Profibus網(wǎng)中如何建立通訊連接，以及觸摸屏組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)，并且就其中出現(xiàn)的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析，最后給出了解決方案。
關(guān)鍵詞：觸摸屏，PLC，通訊
The problems in the communication between
Fuji POD and Simens PLC and it’s solution
Yang hongkai Li hongguang
(Beijing University of Chemical Technology Beijing 100029)
Abstract: this paper introduces how to establish communication connection between Fuji Programmable Operation Display(POD) and Siemens PLC ,with the design of POD software. afterwards it analysies some problems occuered and gives the solution.
Key words: Programmable Operation Display， PLC，communication
0 引言
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(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(yīng)用非常廣泛。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其總線接口模塊、智能儀表、控制設(shè)備等組成的綜合監(jiān)控系統(tǒng)已成為當(dāng)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(jié)合運(yùn)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、界面美觀直接、編程容易掌握、與ＰＬＣ通訊良好、抗干擾能力強(qiáng)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(shì)。
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(qiáng)的兼容性，可以與近30個(gè)廠家的PLC通訊，兼容性極強(qiáng)，而且還可以和計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖一）。
圖一：PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文的背景為某食品加工廠某控制系統(tǒng)包括原料混料線、薯餅生產(chǎn)線、包裝線等構(gòu)成的主線系統(tǒng)，以及蒸汽鍋爐系統(tǒng)、水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等構(gòu)成的輔助系統(tǒng)。各系統(tǒng)位置比較分散，控制點(diǎn)較多，其中包括140多臺(tái)電機(jī)，29臺(tái)變頻器，15個(gè)溫濕度控制點(diǎn)。
由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，控制采取分層控制策略，由兩臺(tái)上位機(jī)完成工廠級(jí)的監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理功能，觸摸屏和PLC完成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制，采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的方式進(jìn)行通訊。上位機(jī)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(shù)字輸入點(diǎn)有900多點(diǎn)，數(shù)字輸出有400多點(diǎn)，模擬量輸入20個(gè)。
下面以這個(gè)食品加工廠為例，組成一個(gè)集中控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示。
其中PLC(1)用于主系統(tǒng)，PLC(2)用于輔助系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)的組成與主系統(tǒng)相似，因此圖中省略了其構(gòu)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(kuò)展模塊為IM153-1，I/O模塊則使用到：數(shù)字輸入模塊選SM321、數(shù)字輸出為SM322、模擬量輸入為SM331。上位機(jī)選用西門(mén)子的工控機(jī)，它內(nèi)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(kuò)展I/O模塊以滿足控制點(diǎn)數(shù)的要求，而用于擴(kuò)展的IM模塊的選型則是依據(jù)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(nèi)的IM153-1[1]。當(dāng)IM模塊與中央控制器的距離較遠(yuǎn)時(shí)可以選擇通訊范圍為100米的型號(hào)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(tái)下的專用組態(tài)軟件，界面友好直觀，易學(xué)易用，大大節(jié)省產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。編程軟件中備有大量的圖形庫(kù)（開(kāi)關(guān)、燈、棒圖等）供選擇，還可以根據(jù)用戶需求編輯所需要的工藝圖形，能夠轉(zhuǎn)換BMP文件和AUTOCAD中的DXF文件
圖二： 控系統(tǒng)硬件組成及結(jié)構(gòu)
2 觸摸屏的通訊設(shè)置及界面設(shè)計(jì)
在硬件連接完成后，需要在組態(tài)軟件中指定系統(tǒng)的硬件配置以及設(shè)置一些通信參數(shù)等等。首先制定所使用的觸摸屏的類型，這里選擇默認(rèn)的UG420（640*480 10.4inches）；下一步指定和觸摸屏通訊的PLC類型及型號(hào)，這里選SIEMENS S7-PROFIBUS；最后一步指定系統(tǒng)參數(shù)，首先是讀區(qū)和寫(xiě)區(qū)，讀區(qū)是指作為從PLC讀入數(shù)據(jù)的緩沖，如果系統(tǒng)中需要顯示趨勢(shì)圖的話那么讀區(qū)應(yīng)當(dāng)設(shè)大一些，一般設(shè)1000個(gè)字就可以了，寫(xiě)區(qū)用于顯示存儲(chǔ)屏幕的狀態(tài)、頁(yè)碼、畫(huà)面層疊以及報(bào)警狀態(tài)等等。另外在對(duì)話框No.of Word Setting for I/O中需要指出觸摸屏的MPI地址，以及傳輸?shù)膸L(zhǎng)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(xiàn)通信錯(cuò)誤。另外幀長(zhǎng)度為32字節(jié)；奇偶校驗(yàn)為奇校驗(yàn)；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8位；停止位1位；通訊方式RS-485。
UG00S-CW具有非常完善而強(qiáng)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?yàn)楦皇抗疽呀?jīng)將這一切的技術(shù)細(xì)節(jié)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(yù)先有定義（在西門(mén)子PLC中，無(wú)論是數(shù)字量還是模擬量的定義都是在DB塊中）。假設(shè)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(jié)的第0位），觸摸屏中按鈕的地址應(yīng)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(jié)構(gòu)等等。
對(duì)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(jié)個(gè)數(shù)，其他的同數(shù)字量一樣簡(jiǎn)單。
可以說(shuō)，UG00S-CW在處理基本的模擬數(shù)字量的時(shí)候非常簡(jiǎn)單、方便，但是在處理一些較為復(fù)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)線的集中控制系統(tǒng)，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(tǒng)中有些PID控制的模擬量需要用趨勢(shì)圖來(lái)顯示，UG00S-CW中顯示趨勢(shì)圖并不復(fù)雜，首先點(diǎn)一下趨勢(shì)圖的圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中選擇趨勢(shì)圖的類型，然后選擇每條曲線對(duì)應(yīng)的地址即可。但是在聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)卻總是出現(xiàn)comunication error（通信錯(cuò)誤）信息，經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在趨勢(shì)圖上，如果將趨勢(shì)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(duì)應(yīng)的模擬量數(shù)據(jù)讀入觸摸屏的緩沖（即內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)），然后將趨勢(shì)圖每條曲線的地址改為對(duì)應(yīng)的內(nèi)部地址。經(jīng)過(guò)聯(lián)機(jī)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)不再出現(xiàn)comunication error信息，但是趨勢(shì)圖的曲線的顯示卻極不正常。經(jīng)過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)除了當(dāng)模擬量的值為零時(shí)曲線顯示正常，而為非零時(shí)曲線則指向無(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(chǔ)格式上可能會(huì)不兼容。原來(lái)富士觸摸屏中趨勢(shì)圖中的模擬量一般都是雙字（4字節(jié)），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(chǔ)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(shù)據(jù)剛好都是高低字顛倒的。因?yàn)橐话隳M量的值都比較小，所以高字都為零，這樣相當(dāng)于將原來(lái)的值乘了一個(gè)2的16次方的數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了模擬量的上限，所以才出現(xiàn)了以上情況。
為了解決以上問(wèn)題，需要將PLC中的數(shù)據(jù)讀入，然后依次高低字顛倒，然后再將趨勢(shì)圖的曲線地址指向存儲(chǔ)修正數(shù)據(jù)的內(nèi)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(tái)提供了豐富的宏命令集，主要有以下幾類：
屏幕類，當(dāng)打開(kāi)一個(gè)界面時(shí)可執(zhí)行的OPEN macro，當(dāng)關(guān)閉一個(gè)界面時(shí)可執(zhí)行的 CLOSE macro，當(dāng)打開(kāi)一個(gè)界面后不斷循環(huán)執(zhí)行直到這個(gè)界面關(guān)閉為止時(shí)停止的 CYCLE macro。
按鈕類，當(dāng)按下一個(gè)按鈕時(shí)可執(zhí)行的 ON macro和當(dāng)松開(kāi)一個(gè)按鈕時(shí)可執(zhí)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(dāng)這一位為1時(shí)執(zhí)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(nèi)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(tǒng)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(chǔ)格式是字，地址用$u來(lái)表示，例如$u1000就表示第1000個(gè)字，$u1000-14就表示第1000個(gè)字的第14位，觸摸屏中沒(méi)有用來(lái)表示字節(jié)的地址表示方式。在這個(gè)食品生產(chǎn)線上有多個(gè)PID控制回路，每個(gè)回路對(duì)應(yīng)一個(gè)趨勢(shì)圖，以第一個(gè)回路為例，它占用Buffer1（最多有12個(gè)Buffer可供使用）趨勢(shì)圖有三條曲線PV、SP、OP，它們所對(duì)應(yīng)的PLC地址分別為DB10：DBD0，DB10：DBD4， DB10：DBD8，然后將調(diào)整后的地址存入定為$u500~$u505，程序段如下：
$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$500，抽樣模式定為：Constant Sample，曲線條數(shù)（即No. of Word）定為3條，存儲(chǔ)長(zhǎng)度為500，其他的設(shè)置為默認(rèn)值，趨勢(shì)圖中對(duì)應(yīng)三條曲線的地址改為$u500,$u502,$u504，這樣才能保證觸摸屏中的數(shù)據(jù)和PLC中的數(shù)據(jù)同步更新。將程序下載到觸摸屏，經(jīng)過(guò)聯(lián)機(jī)測(cè)試，一切正常。
3 結(jié)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(wěn)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(jié)合是一個(gè)很不錯(cuò)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商，所以難免會(huì)在某些細(xì)節(jié)的兼容性上會(huì)有紕漏，這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)工控系統(tǒng)時(shí)特別要注意的地方，硬件漏洞軟件補(bǔ)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(yīng)當(dāng)運(yùn)用我們自己的智慧來(lái)完善我們的系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)：
1、富士觸摸屏用戶手冊(cè)USER’S MANUAL
