常用設(shè)備串口通信協(xié)議及其應(yīng)用

李煊丁為

(中石化上海石油化工研究院，上海 201208)

0 引言

上海石油化工研究院所用的實(shí)驗(yàn)裝置具有點(diǎn)數(shù)少、設(shè)備多樣化等特點(diǎn)。一套典型的小試裝置，控制點(diǎn)一般少于100個。這種規(guī)模的裝置用分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)顯然不夠經(jīng)濟(jì)(集中評價部門除外)。因此，目前設(shè)計(jì)的微反、小試、中試裝置中，多使用“智能儀表+PLC”模式，其模擬量的測量控制(AI、AO)由智能儀表完成，開關(guān)量(DI、DO)的控制由PLC及相關(guān)電路完成。近年來，這種模式得到了上海石油化工研究院研究、管理部門的認(rèn)可。對于這種模式的監(jiān)控、操作、記錄平臺的實(shí)現(xiàn)，工控機(jī)和串口編程技術(shù)成為了核心。本文列舉了幾種日常工作中常用設(shè)備的通信協(xié)議，并介紹了這些通信協(xié)議的應(yīng)用。

1 AIBUS通信協(xié)議

AIBUS是廈門宇電自動化科技有限公司為AI系列顯示控制儀表開發(fā)的通信協(xié)議，其使用異步串行通信接口，接口電平符合RS-232C或RS-485標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定［1］。采用RS-485通信方式時，能通過簡單的指令實(shí)現(xiàn)儀表的全功能操作，并提供比其他常用協(xié)議(如Modbus)更快的速率。在9600 bit/s下，一般上位機(jī)訪問一臺7.0版儀表的平均時間約80 ms，但若采用AIBUS，一次性訪問56個通道只需1.2 s，平均訪問時間在20 ms左右。

1.1 AIBUS 通信指令

AI儀表采用16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式來表示各種指令代碼及數(shù)據(jù)，其軟件通信指令經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，只有讀、寫兩條指令，從而使得上位機(jī)軟件的編寫更容易，且能夠100%地對儀表進(jìn)行操作。標(biāo)準(zhǔn)的讀寫指令如下。

①讀:地址代號+52H(82)+要讀的參數(shù)代號+0+0+校驗(yàn)碼。

②寫:地址代號+43H(67)+要寫的參數(shù)代號+寫入數(shù)低字節(jié)+寫入數(shù)高字節(jié)+校驗(yàn)碼。

參數(shù)代號是指在使用RS-485通信方式時，為在一個通信接口上連接多臺AI儀表，需要為每臺AI儀表編一個互不相同的通信地址，有效的地址為0～80。校驗(yàn)碼采用16位求和校驗(yàn)方式，其中讀指令的校驗(yàn)碼計(jì)算方法為要讀參數(shù)的代號×256+82+Addr。寫指令的校驗(yàn)碼計(jì)算方法為以下公式作16位二進(jìn)制加法計(jì)算得出的余數(shù)(溢出部分不處理):要寫的參數(shù)代號×256+67+要寫的參數(shù)值+Addr，余數(shù)為2個字節(jié)，其低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。公式中Addr為儀表地址參數(shù)值，范圍為0～80。要寫的參數(shù)值用16位二進(jìn)制整數(shù)表示。無論是讀還是寫，儀表都返回以下10個字節(jié)數(shù)據(jù)，即測量值PV+給定值SV+輸出值MV及報(bào)警狀態(tài)+所讀/寫參數(shù)值+校驗(yàn)碼。其中，PV、SV及所讀參數(shù)值均各占2個字節(jié)、MV占1個字節(jié)、狀態(tài)位占1個字節(jié)、校驗(yàn)碼占2個字節(jié)，共10個字節(jié)。

1.2 讀表程序的邏輯框圖

正常情況下，一臺儀表的通信時間不會超過100 ms。若在1 s內(nèi)不能完成通信，則認(rèn)為本次通信失敗，連續(xù)5次通信失敗則判斷為儀表通信故障;若在1 s內(nèi)完成通信且校驗(yàn)碼正確，則認(rèn)為儀表通信成功。在實(shí)際測試中，沒有發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)碼錯誤例子。寫表程序類似，不再贅述。設(shè)計(jì)的讀表程序邏輯框圖如圖1所示。

圖1 讀表程序邏輯框圖Fig.1 Logical diagram of communication programme for computer’s reading

1.3 VB環(huán)境下的編程實(shí)例

根據(jù)AIBUS協(xié)議，在我們的監(jiān)控軟件中，讀表程序主要部分描述如下。其中，out定義為字節(jié)型數(shù)組。

1.4 應(yīng)用情況

在實(shí)際工作中，通過使用AIBUS協(xié)議所編寫的程序，用戶可以在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值(多段控制值)的輸入、控制參數(shù)的修改和實(shí)時值(測量值、給定值、輸出值及報(bào)警狀態(tài))采集。以返回接收緩沖器的字節(jié)數(shù)等于10作為輸入結(jié)束的判斷，沒有發(fā)現(xiàn)過異常或者亂碼，AIBUS協(xié)議被認(rèn)為是目前所用各類通信協(xié)議中較為友好、穩(wěn)定的協(xié)議。

2 FX2N系列PLC通信協(xié)議

FX2N系列PLC與計(jì)算機(jī)間的通信類型有N∶N網(wǎng)絡(luò)、并行鏈接、計(jì)算機(jī)鏈接(用專用協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，RS-485/422)和無協(xié)議通信(用RS指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸)等［2］?？紤]到系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)少和工控機(jī)監(jiān)控的特點(diǎn)，本文采用計(jì)算機(jī)鏈接通信。

2.1 計(jì)算機(jī)鏈接指令

計(jì)算機(jī)鏈接指令如表1所示，由此可以對PLC進(jìn)行全方位操作。

表1 計(jì)算機(jī)鏈接指令表Tab.1 The table of computer linking instructions

2.2 相關(guān)指令介紹

常用的指令包括位軟元件成批讀指令(BR)和位軟元件成批寫指令(BW)。

2.2.1 位軟元件成批讀(BR)指令

BR指令協(xié)議格式為ENQ+站號+PC號+BR+等待時間+元件號+元件數(shù)+校驗(yàn)碼。其中，“ENQ”表示計(jì)算機(jī)查詢，其值為05H;“站號”表示如有N臺PLC，站號為00H～(N-1)，十六進(jìn)制;“PC號”表示對于FX系列PLC，該號取值為FFH;“BR”表示批讀指令;“等待時間”的值根據(jù)需要設(shè)置;“元件號”表示一組位軟元件及其編號;“元件數(shù)”表示本次要同時讀的元件個數(shù)。

PLC接受指令后的反饋值為 STX+站號 +PC號+指定元件數(shù)據(jù)+EXT+校驗(yàn)碼。其中，“STX”表示文本起點(diǎn)，其值為02H;“EXT”表示文本終點(diǎn)，其值為03H;“指定元件數(shù)據(jù)”取值為“0”或“1”，“0”代表“關(guān)”，“1”代表“開”。

2.2.2 位軟元件成批寫(BW)指令

BW指令協(xié)議格式為ENQ+站號+PC號+BW+等待時間+元件號+元件數(shù)+校驗(yàn)碼。除了指令字符為BW外，其他定義同2.2.1節(jié)。PLC接受指令后的反饋值為STX+站號+PC號。

2.3 PLC 編程實(shí)例

在研究院的各項(xiàng)試驗(yàn)中，工作程序往往是變化的，特別是某一工段的時間設(shè)置。對于這種工作狀態(tài)，讓試驗(yàn)人員不斷地修改PLC程序并不現(xiàn)實(shí)，自控人員也沒有時間和精力經(jīng)常去做這件事。為此，在PLC編程中，編制了兩套程序，分別用于2種工作狀態(tài)。

①PLC控制狀態(tài)，適用于按照預(yù)先規(guī)定好的常規(guī)工作程序操作，此時計(jì)算機(jī)可以啟動/關(guān)閉現(xiàn)場設(shè)備和試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。

②計(jì)算機(jī)控制狀態(tài)，適用于不斷變化的工作程序。而這兩種狀態(tài)的切換，由計(jì)算機(jī)改變PLC中的輔助繼電器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)計(jì)算機(jī)處于控制狀態(tài)時，PLC僅充當(dāng)DI、DO功能，并保留安全連鎖功能。

按照上述思想編制的部分PLC程序梯形圖如圖2所示。

圖2 PLC程序梯形圖(部分)Fig.2 Ladder diagram of PLC ladder program(partial)

圖2中，M20為狀態(tài)切換的輔助繼電器，缺省值為PLC控制，X0003為連鎖保護(hù)輸入點(diǎn)，在兩個狀態(tài)下都適用，Y0005為控制目標(biāo)輸出端，T0、T4為PLC的時間繼電器，分別代表開始、結(jié)束時間，M5為計(jì)算機(jī)控制所使用的輔助繼電器，其開關(guān)狀態(tài)由計(jì)算機(jī)規(guī)定，由此實(shí)現(xiàn)任意時間的設(shè)置。

2.4 功能的實(shí)現(xiàn)指令

改變M20，由PLC控制并切換成計(jì)算機(jī)控制的指令為:

MSComm2.Output=Chr$(5)+＂00FFBW0M002001156＂

閉合M5，使Y0005動作的指令為:

MSComm2.Output=Chr$(5)+＂00FFBW0M000501159＂

讀取Y0000～0007狀態(tài)的指令為:

MSComm2.Output=Chr$(5)+＂00FFBR0Y00000831＂

通過這些指令，可靈活地根據(jù)實(shí)際需要，使用計(jì)算機(jī)控制PLC的開關(guān)狀態(tài)，達(dá)到計(jì)算機(jī)控制目的。

2.5 實(shí)際應(yīng)用情況

按上述思路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置和自行開發(fā)的程序，自2003年開始使用至今，除了電動機(jī)聯(lián)動限位開關(guān)長期使用損壞過外，其他控制部分沒有出過任何問題。

PLC接受指令后的反饋值，作為通信成功的判定。其中通信故障判斷方法類似1.2節(jié)，不再贅述。

3 PL-L系列電子天平

3.1 部分MT-SICS指令

發(fā)送至天平的指令包含一個或多個ASCII碼組，因此，必須注意以下幾點(diǎn)［3］。

①只能使用大寫字母輸入指令;

②指令中的參數(shù)必須在指令名中以空格的形式分開;

③文字的輸入可以是8位ASCII字符集從字符32到255(十進(jìn)制)所構(gòu)成的一組字符串;

④每組指令必須以 CRLF結(jié)束(ASCII十進(jìn)制代碼13，10);

例如，指令“SI”+CRLF為要求天平發(fā)送當(dāng)前穩(wěn)定的凈稱量值，天平返回值為“S S 100.00 g”。同時，天平可能返回其他信息，如“S I”，表示無法執(zhí)行指令(天平正執(zhí)行其他指令，如去皮或因未達(dá)到穩(wěn)定值指令已超時);返回“S+”時，表示天平過載，“S–”時，表示天平欠載。

3.2 實(shí)際應(yīng)用情況

上海石油化工研究院裝置中的電子天平(秤)一般都用于監(jiān)視原料(產(chǎn)物)的減少(增加)，其屬于一個動態(tài)過程，故平時只使用該天平指令中的“SI”指令(立即發(fā)送稱量值)，即MSComm3.Output=“SI”+vbCr+vbLf)。指令發(fā)出后，即可得到相應(yīng)值，按位數(shù)取出重量值及單位即可。

但實(shí)際應(yīng)用中存在的問題是該天平的通信時間不穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)測記錄，從指令發(fā)出到返回值接收，所用的時間是隨機(jī)變化的，從小于200 ms到大于2 s都有可能，這對故障判斷非常不利。在實(shí)際編程中，若連續(xù)10次通信時間超過2 s，則判斷該天平通信故障或者沒有上電，在發(fā)出故障通報(bào)后，停止對該天平的監(jiān)控。

4 Mark天平/Q系列

4.1 RS-232C 接口參數(shù)

Mark天平/Q系列電子天平可以通過標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口，由計(jì)算機(jī)運(yùn)行各種功能［4］。天平操作按鍵與計(jì)算機(jī)指令對應(yīng)表如表2所示。

表2 按鍵與指令對應(yīng)表Tab.2 Pushbuttons vs.computer instructions

對于計(jì)算機(jī)通信設(shè)置，該系列天平提供了PC Cout(連續(xù))模式和PC Cmd(指令)模式兩種選項(xiàng)。這兩種模式的返回格式如表3所示。

表3 返回值格式表Tab.3 Format(s)of the returned value(s)

4.2 實(shí)際應(yīng)用情況

連續(xù)模式不需要指令，天平會連續(xù)不斷地發(fā)送當(dāng)前的稱量值。由于沒有上下位機(jī)的協(xié)調(diào)動作，計(jì)算機(jī)首先取到的往往是亂碼。而指令模式僅能在稱重物質(zhì)量穩(wěn)定的情況下使用，否則會出現(xiàn)通信錯誤的提示。

經(jīng)過分析，決定在連續(xù)模式下進(jìn)行“去偽存真”處理:將輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的長度定在50，約是輸入數(shù)據(jù)長度(15)的3倍;然后在大于一個數(shù)據(jù)段長度的第11位開始，找到重量單位“g”，再倒退11位，分析每一位是否為0～9的數(shù)字，并分析小數(shù)點(diǎn)和正負(fù)符號位的正確性，若滿足，則認(rèn)為這一段是有效值，否則再從下一個數(shù)據(jù)段進(jìn)行查找;若整個數(shù)據(jù)段都是亂碼，則放棄，重新取數(shù)。若重新取數(shù)5次，還沒有拿到正常數(shù)據(jù)，則發(fā)出通信錯誤通報(bào)。

根據(jù)實(shí)測情況，約每10組數(shù)中有一組亂碼，而且亂碼都出現(xiàn)在前幾個字符，這樣基本上保證了上述對策的有效性。經(jīng)過長時間的運(yùn)行，該對策經(jīng)受住考驗(yàn)，使得計(jì)算機(jī)能夠按要求獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 Lab alliance II型計(jì)量泵

5.1 通信指令簡介

Lab alliance II型計(jì)量泵配置了一個RS-232C通信接口，接口使用的是RJ-11接頭，與計(jì)算機(jī)上的9針串口的對應(yīng)關(guān)系如表4所示［5］。上位機(jī)可以對該泵進(jìn)行流量設(shè)置和啟停操作。

表4 計(jì)量泵與RS-232C引腳的接線對照Tab.4 Connections between metering pump and RS-232C pins

Lab alliance II型計(jì)量泵常用的通信指令有3條:①FL，x.xx表示設(shè)置流量為 x.xx mL/min 的指令，設(shè)置范圍由泵頭類型決定，如 0.01 到 0.09，0.1 到 39.9等;②RU表示設(shè)置泵運(yùn)行指令;③ST表示設(shè)置泵停止指令。

5.2 實(shí)際使用情況

VB 指令 MSComm7.Output== “FL，”+Text7.Text+vbCr+vbLf表示將指定的流量送入計(jì)量泵，MSComm7.Output=“RU” +vbCr+vbLf表示發(fā)出運(yùn)行指令，MSComm7.Output=“ST” +vbCr+vbLf表示發(fā)出停止指令

泵在接收以上指令后，會反饋一個“OK”字符，表示通信成功。經(jīng)過多年的使用，該泵的通信較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過問題，但存在以下幾個缺點(diǎn)。

①接口使用的是RJ-11，需要專用卡鉗制作。

②沒有流量讀取指令，當(dāng)用戶在現(xiàn)場手動改變流量后，計(jì)算機(jī)不能獲得信息，此時若需要記錄，只能到計(jì)算機(jī)界面上修改(不下傳)。

6 Valco公司八通閥

整套八通閥由閥體、控制器、手操器、24 V直流電源以及相關(guān)連接電纜組成［6］?？刂破魍ㄟ^RS-232C(RS-485可選)電纜與電腦連接。當(dāng)多臺閥與計(jì)算機(jī)相連時，可以使用該公司提供的并聯(lián)線，將多臺閥全部并聯(lián)后，接入計(jì)算機(jī)的一個串口。本項(xiàng)目使用了6臺(最多10臺)。閥之間通信的區(qū)分通過給每臺閥設(shè)置不同的ID號實(shí)現(xiàn)。

6.1 常用指令介紹

常用的指令有:VR，為顯示部件號和出廠日期;GOnn，為閥按照最短路徑走到nn位;CP，為顯示當(dāng)前通道數(shù);IDn，為設(shè)置 ID 號，從 0 ～9［7］。

6.2 使用中遇到的問題

類似上述恒流泵，許多指令如GOnn是沒有應(yīng)答的，這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)無法得知指令是否被完整執(zhí)行。

與供貨商討論的結(jié)果是在GOnn指令后，再加上一條CP指令，以讀取當(dāng)前的實(shí)際通道數(shù)，用兩條指令滿足實(shí)際控制的要求。從表面上看，該邏輯是成立的，但在實(shí)際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)GOnn指令的完整執(zhí)行需要較長時間，例如閥從1號位到4號位接近1 s，在閥還沒有轉(zhuǎn)動到位時，CP已經(jīng)返回目標(biāo)值，而不是實(shí)際到位信息。

這種現(xiàn)象在單個閥控制時不會出現(xiàn)問題，若多閥聯(lián)動且共用一條通信線時，則會造成通信上的堵塞。從控制器返回的信息可以發(fā)現(xiàn)，許多正常的指令，在一定狀態(tài)下特別是通信繁忙的情況下，會被閥控制器判斷為無效指令。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，只能在用戶可接受的范圍內(nèi)放慢運(yùn)行速度，以保證每個閥的轉(zhuǎn)動確實(shí)到位。

7 結(jié)束語

工控機(jī)及串口編程技術(shù)是中石化上海石油化工研究院裝置自控部分設(shè)計(jì)的核心，上述幾種串口通信協(xié)議及程序設(shè)計(jì)方法在裝置設(shè)計(jì)中均得到了較好的應(yīng)用。在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)中，需要仔細(xì)分析各串口通信協(xié)議的內(nèi)容，根據(jù)各協(xié)議的不同特點(diǎn)，靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，必要時還需要與生產(chǎn)商進(jìn)行溝通。

［1］張磊.AIBUS現(xiàn)場通訊總線的PLC工控設(shè)計(jì)方案［J］.MM現(xiàn)代制造，2006(9).

［2］王芹，滕今朝.可編程控制器技術(shù)及應(yīng)用［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2008.

［3］Mettler-Toledo Pac Rim AG.PL-L line of classic light balances［EB/OL］.［2007-08-06］.http://www.mt.com/classic.

［4］BEL Engineering S R L.Analytical and top loading“Q”series MARK balances［EB/OL］.［2009-10-15］.http://www.belengineering.com/chi/menu_downloads.asp.

［5］Scientic Systems，Inc.Series II pump user’s guide［EB/OL］.［2009-07-09］.http://www.laballiance.com/Pdf/active/pumps/Series_II.pdf.

［6］Valco Instruments Co.Inc.Technical note 415:multi-position microelectric valve actuators［EB-OL］［2011-07-02］.http:∥wenku.baidu.com/view/014a870a763231126edb1183.html.