作者簡介：林兵（1979-），男，四川省達(dá)州人，技術(shù)支持工程師。現(xiàn)就職于貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司，主要從事電控系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)開發(fā)、OEM用戶電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序開發(fā)以及技術(shù)支持工作。

    摘 要：本文以真空鍍膜自控系統(tǒng)為應(yīng)用背景，詳細(xì)介紹了貝加萊X20系列PLC作為通訊網(wǎng)關(guān)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。以RS485數(shù)據(jù)通信方式采集中頻電源、真空計(jì)、流量計(jì)和分子泵等150余臺設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，并采用虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（VNC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程獨(dú)立監(jiān)視和控制，同時(shí)還通過Profibus-DP現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)TCP/IP接口實(shí)現(xiàn)與鍍膜線其他設(shè)備的無縫鏈接。

    關(guān)鍵詞：真空鍍膜；可編程計(jì)算機(jī)控制器 ；數(shù)據(jù)通信；虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)；中頻電源

    1 引言

    真空鍍膜技術(shù)是一種新型的材料合成與加工新技術(shù)，是將待鍍工件置于真空室內(nèi)，采用一定方法使金屬蒸發(fā)、濺射和離子鍍，從而使固體表面具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣和裝飾等性能。通過真空鍍膜鍍件具有許多優(yōu)于固體材料本身的優(yōu)越性能，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長產(chǎn)品壽命、節(jié)約能源的目的。本文以真空濺射工藝的某鍍膜玻璃線為例，介紹了PLC作為通訊網(wǎng)關(guān)，通過RS485對采用非標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的中頻電源、真空計(jì)、流量計(jì)、分子泵等鍍膜核心設(shè)備進(jìn)行采集和控制，并通過DP接口使這些設(shè)備無縫接入整個(gè)鍍膜線。

    2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    中頻電源、真空計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、分子泵是真空鍍膜線的重要組成部分，對這些設(shè)備的控制直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量。在這條鍍膜生產(chǎn)線上有16臺中頻電源、30臺真空計(jì)、75臺質(zhì)量流量計(jì)、30臺分子泵。該P(yáng)LC與以上設(shè)備之間都沒有采用現(xiàn)成的通訊驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，而采用了RS485接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)定，所以，必須分別按照各個(gè)設(shè)備廠家的通信協(xié)議進(jìn)行通訊。這條生產(chǎn)線采用貝加萊X20系列PLC作為對以上設(shè)備的通訊控制網(wǎng)關(guān)，對其采集和控制，每個(gè)通訊模塊控制同樣類型設(shè)備的8~10個(gè)，鍍膜線的其他邏輯控制和傳動(dòng)設(shè)備通過其他控制器來控制，通過VNC實(shí)現(xiàn)對通訊設(shè)備的本地顯示和操作，并通過Profibus-DP接口與上位DP主站控制器通訊實(shí)現(xiàn)整體控制。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

                    

                                      圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

    3 中頻電源通訊協(xié)議

    PLC發(fā)送請求主要有地址請求、讀、寫數(shù)據(jù)請求，每種請求電源都會(huì)有返回?cái)?shù)據(jù)。詳細(xì)的電源通訊的協(xié)議如下：

    格式1 PLC發(fā)送地址請求格式：（此時(shí)檢驗(yàn)位為1）

   

    格式2 電源應(yīng)答地址格式：（此時(shí)檢驗(yàn)位為0）

   

    格式3 PLC讀數(shù)據(jù)請求格式：（此時(shí)檢驗(yàn)位為0）

   

    格式4 電源應(yīng)答讀數(shù)據(jù)格式（正確返回）：（此時(shí)檢驗(yàn)位為0）

   

    格式5 電源應(yīng)答讀數(shù)據(jù)格式（錯(cuò)誤返回）：（此時(shí)檢驗(yàn)位為0）

   

    格式6 PLC寫數(shù)據(jù)請求格式：（此時(shí)檢驗(yàn)位為0）

   

    格式7 電源應(yīng)答寫數(shù)據(jù)格式（正確返回）：（此時(shí)檢驗(yàn)位為0）

   

    數(shù)據(jù)傳輸：所有數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制數(shù)

   

    校驗(yàn)位的計(jì)算：所有數(shù)據(jù)做異或運(yùn)算的結(jié)果作為CRC校驗(yàn)位。

    4 中頻電源通訊流程及特殊要求：

    4.1 PLC發(fā)送地址數(shù)據(jù)

    PLC要控制和讀取某一個(gè)中頻電源時(shí)，首先通過RS485模塊發(fā)送站地址指令到中頻電源，此時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位必須為高，以這樣的校驗(yàn)方式發(fā)送站地址到中頻電源才能正確的被接收。當(dāng)RS485總線上掛的電源地址與RS485模塊發(fā)出來的地址指令一致時(shí)，電源便打開指令接口，等待PLC的RS485模塊發(fā)送讀/寫功能數(shù)據(jù)的指令，并以低校驗(yàn)位的方式返回確認(rèn)數(shù)據(jù)給PLC。例如發(fā)送5445數(shù)據(jù)及讀4號站電源，通訊電壓波形如圖2所示。

               

                              圖2 校驗(yàn)位為高時(shí)的通訊數(shù)據(jù)電壓波形

    4.2 修改通訊校驗(yàn)位

    PLC發(fā)送地址指令后，如果要接收電源的返回地址數(shù)據(jù)或者在發(fā)送讀寫電源的功能數(shù)據(jù)請求，必須將RS485模塊的通訊校驗(yàn)位改為低，才能收到電源的返回?cái)?shù)據(jù)。但是值得注意的是，當(dāng)發(fā)送地址指令后，立刻把RS485模塊的校驗(yàn)位改為低后，有可能發(fā)現(xiàn)上次以高校驗(yàn)位發(fā)送的地址數(shù)據(jù)中有個(gè)別數(shù)據(jù)還沒發(fā)完，那么沒發(fā)完的數(shù)據(jù)的末尾的校驗(yàn)位就為低了，從而使得電源接收到的地址指令的校驗(yàn)位不符合要求，引起電源不接收這樣的請求指令，導(dǎo)致通訊失敗。

                    

                                圖3 校驗(yàn)位為低時(shí)的通訊數(shù)據(jù)電壓波形

    4.3 電源的地址返回

    電源接收到PLC過來的正確數(shù)據(jù)后，便返回自己的地址數(shù)據(jù)給PLC，同時(shí)打開自己的指令接收接口，等待PLC發(fā)讀/寫功能指令。此時(shí)PLC的校驗(yàn)位如果修改為低，方能收到電源返回的正確數(shù)據(jù)。

    4.4 PLC發(fā)送功能數(shù)據(jù)

    讀/寫功能指令以低校驗(yàn)位方式發(fā)送給電源，反之認(rèn)為無效。如果電源的指令接口打開時(shí)間超過100ms還沒收到讀/寫指令，其打開的接口將關(guān)閉，關(guān)閉后即便是發(fā)送的讀/寫功能數(shù)據(jù)校驗(yàn)位是正確的，也不再響應(yīng)。所以PLC以高校驗(yàn)位的方式發(fā)送電源地址指令后，必須確保地址數(shù)據(jù)已經(jīng)全部發(fā)出完畢，然后在把校驗(yàn)位修改為低，最后在發(fā)送讀/寫功能數(shù)據(jù)指令，整個(gè)過程不能超過100ms。通訊程序在時(shí)間的把握上非常關(guān)鍵，既不能太快也不能太慢。

    4.5 電源返回功能數(shù)據(jù)

    電源接收到PLC發(fā)出的正確地址信息后，便打開通訊接口等待PLC第二次發(fā)給它的讀/寫功能數(shù)據(jù)。如果寫指令，電源將執(zhí)行指令動(dòng)作，控制電源的參數(shù)設(shè)定或者啟停，并返回寫指令是否成功的數(shù)據(jù)給PLC。如果為讀指令，電源便將自己的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如當(dāng)前電壓、電流、功率、設(shè)定等狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給PLC。返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間也大約是接收到讀寫功能數(shù)據(jù)后2ms。

    4.6 PLC讀返回功能數(shù)據(jù)

    電源返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)為20個(gè)字節(jié)，用示波器查看，大概要18.4ms才能完成發(fā)送。即PLC讀數(shù)據(jù)的功能塊，要在電源發(fā)送出狀態(tài)數(shù)據(jù)18.4ms后去接收。RS485總線上，同一時(shí)刻只能有PLC發(fā)數(shù)據(jù)或者電源返回?cái)?shù)據(jù)的信號在總線上，如果同時(shí)存在，在電信號相交的地方，電信號會(huì)疊加在一起，導(dǎo)致PLC和電源各自接收到的數(shù)據(jù)與對方發(fā)過來的數(shù)據(jù)不一致，這一點(diǎn)也對數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送的時(shí)機(jī)提出了要求。

    5 X20 PCC通訊實(shí)例

    以實(shí)際項(xiàng)目為例，首先PLC以高校驗(yàn)位發(fā)送以下數(shù)據(jù)，例如發(fā)4號站地址請求，PLC發(fā)送數(shù)據(jù)如下：

    wr_data1[0] = $05
    wr_data1[1] = $04
    wr_data1[2] = $04
    wr_data1[3] = $05

    以9600的波特率發(fā)送以上4個(gè)字節(jié)，計(jì)算并用示波器測量的結(jié)果為4.6ms左右，及PLC執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，大約要4.6ms后，數(shù)據(jù)才能全部從RS485的硬件端口發(fā)出。

    （1）如果在4.6ms之前把通訊的校驗(yàn)位改為低后，那么發(fā)送出去最后的幾個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位就為低，從而電源接收不到正確的站地址指令，也不會(huì)返回電源本身的數(shù)據(jù)。所以修改PLC模塊通訊的高/低校驗(yàn)位，必須要在發(fā)出地址指令4.6ms以后。

    （2）電源接收到PLC發(fā)過去的正確數(shù)據(jù)后，經(jīng)過中頻電源系統(tǒng)本身處理并把本身的地址返回給PLC的間隔時(shí)間為2ms。電源發(fā)送出來的數(shù)據(jù)校驗(yàn)位為低，此時(shí)PLC的通訊校驗(yàn)位也必須為低才能收到電源返回的地址確認(rèn)信息。所以必須在這2ms內(nèi)把PLC校驗(yàn)位修改為低。

    （3）正確的時(shí)序邏輯：PLC以高校驗(yàn)位方式發(fā)送電源地址，在發(fā)出地址指令4.6ms后立刻修改通訊模塊的校驗(yàn)位，修改完成的時(shí)間必須在4.6ms之后6.6ms之前。只有這樣PLC才能正確的收到從電源返回的數(shù)據(jù)。

    （4） PLC接收到電源返回的地址確認(rèn)信息后，PLC程序?qū)Ψ祷氐臄?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)分析，如果正確，就發(fā)送讀/寫功能數(shù)據(jù)。反之就再發(fā)一次地址請求數(shù)據(jù)。因?yàn)橹蓄l直流電源干擾非常大，所以必須對PLC收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的正確性和控制的可靠性。

    （5）電源收到讀/寫功能請求后，會(huì)把自己的狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給PLC，數(shù)據(jù)有20個(gè)字節(jié)，以9600波特率傳輸，大約需要23ms才能傳送完畢。PLC在電源發(fā)出23ms之后讀取通訊的數(shù)據(jù)緩存方能取到正確的數(shù)據(jù)。

    （6）PLC從數(shù)據(jù)緩存中取出電源返回的正確數(shù)據(jù)后，立刻清除數(shù)據(jù)緩存，并再次修改通訊的校驗(yàn)位為高，發(fā)送另一個(gè)電源的站地址，進(jìn)行與下一個(gè)電源的通訊和控制。

                   

                                   圖4 PLC和電源通訊數(shù)據(jù)時(shí)序

    目前電源的通訊，根據(jù)發(fā)送地址指令需要4.6ms的特點(diǎn)，所以我們采用5ms的循環(huán)任務(wù)，通訊流程如圖4所示，圖中每一個(gè)網(wǎng)格，表示每一個(gè)循環(huán)任務(wù)5ms時(shí)間，執(zhí)行以下5個(gè)CASE語句。

    CASE0：修改校驗(yàn)位為高，并發(fā)送站地址
    CASE1：修改校驗(yàn)位為低
    CASE2：延遲5ms，然后讀電源的地址返回?cái)?shù)據(jù)
    CASE3：PLC發(fā)送讀/寫功能數(shù)據(jù)
    CASE4：延遲35ms，PLC讀電源返回?cái)?shù)據(jù)

    執(zhí)行完每個(gè)CASE語句后，在下一個(gè)循環(huán)會(huì)自動(dòng)跳到下一個(gè)CASE語句。執(zhí)行完CASE4后，CASE將跳到CASE0，開始與下一個(gè)中頻直流電源的通訊。在60ms時(shí)間里PLC讀數(shù)據(jù)兩次，發(fā)數(shù)據(jù)兩次完成一個(gè)電源的通訊。

    6 與其他設(shè)備通訊 

    質(zhì)量流量計(jì)采用廠家內(nèi)部的CPL通訊協(xié)議，讀數(shù)據(jù)時(shí)必須按照廠家協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)格式，包含起始結(jié)尾數(shù)據(jù)、站地址信息、讀數(shù)據(jù)的地址、數(shù)據(jù)長度以及校驗(yàn)位以ASCII碼的方式通過RS485發(fā)送，例PLC發(fā)送讀數(shù)據(jù)如下：

                 

    設(shè)備收到PLC正確的數(shù)據(jù)請求后，便返回設(shè)備的當(dāng)前信息，PLC根據(jù)通訊協(xié)議把實(shí)際的工藝數(shù)據(jù)從返回的一串?dāng)?shù)據(jù)中挑選出來組成實(shí)際需要的數(shù)據(jù)。流量計(jì)返回?cái)?shù)據(jù)如下：

                   

    如果要修改設(shè)備的參數(shù)，則必須發(fā)出寫指令給對應(yīng)流量計(jì)，PLC寫指令時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)如下：

                

    寫指令發(fā)送后，設(shè)備將返回寫指令是否成功的信息，PLC收到返回的失敗信息后將重復(fù)發(fā)送此寫指令，操作3次都不成功，系統(tǒng)將提示，并退出對這個(gè)站的寫操作。

    CRC校驗(yàn)計(jì)算：發(fā)送數(shù)據(jù)ETX以前的20個(gè)數(shù)據(jù)以16進(jìn)制方式相加，取其結(jié)果的后兩位，例如為36F(16進(jìn)制)，取后兩位6F，把6F轉(zhuǎn)化為2進(jìn)制結(jié)果為01101111，在求反碼，其結(jié)果為10010000；然后在最后一位加上1，計(jì)算結(jié)果為10010001，在轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制結(jié)果為91，在把十位和個(gè)位分開并轉(zhuǎn)換為ASCII碼就是39 31，就得到了兩個(gè)校驗(yàn)位數(shù)據(jù)。不同的設(shè)定值校驗(yàn)位是不一樣的，在項(xiàng)目中利用高級語言編寫了一個(gè)計(jì)算校驗(yàn)位的庫，利用庫函數(shù)自動(dòng)計(jì)算檢驗(yàn)位，實(shí)現(xiàn)只要輸入設(shè)定值和通訊站地址，函數(shù)會(huì)自動(dòng)按照協(xié)議的格式把數(shù)據(jù)鏈層和應(yīng)用層數(shù)據(jù)生成為一個(gè)符合通訊協(xié)議要求數(shù)組。PLC只要把這個(gè)數(shù)組通過RS485接口發(fā)送即可。由于流量計(jì)返回?cái)?shù)據(jù)比較多，目前采用80ms的循環(huán)任務(wù)來處理，及PLC發(fā)送讀指令間隔80 ms后執(zhí)行讀取指令，將流量計(jì)返回的數(shù)據(jù)讀出。時(shí)間間隔太短會(huì)引起數(shù)據(jù)還沒接收完就讀另一個(gè)設(shè)備，時(shí)間太長又影響通訊實(shí)時(shí)性。

    分子泵的通訊方式和協(xié)議基本與流量計(jì)相同，在此不再做介紹。真空計(jì)的通訊需要把當(dāng)前真空室的真空度讀出來，通訊協(xié)議相對簡單，把地址和數(shù)據(jù)結(jié)束符通過ASCII碼的方式發(fā)送，然后50ms以后PLC在執(zhí)行讀取指令，把真空計(jì)返回的數(shù)據(jù)從緩存中讀取出來，讀取完成后再通訊下一個(gè)設(shè)備，采用輪詢的方式實(shí)現(xiàn)所有真空計(jì)的通訊。

    7 X20系列PLC在控制和數(shù)據(jù)通信方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢

    電源通訊協(xié)議的特殊性，對RS485通訊模塊提出了較高的要求，RS485模塊必須在2ms之內(nèi)修改模塊的校驗(yàn)位，并且每讀一次電源的數(shù)據(jù)都要這樣頻繁的修改。很多模塊不能在2ms之內(nèi)修改校驗(yàn)位，讀寫通訊數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)又不好把握，給編程帶來很大麻煩，另外即便是程序執(zhí)行了修改校驗(yàn)位的指令，但有些模塊發(fā)出去的電平信號無法在2ms內(nèi)對校驗(yàn)位的修改做出響應(yīng)，這些要求和特性也致使很多PLC無法實(shí)現(xiàn)這樣的通訊。

    經(jīng)過多個(gè)廠家PLC的測試，貝加萊的X20系列PLC滿足這樣的控制要求。該P(yáng)LC采用VXWORKS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可對每個(gè)子程序設(shè)定相應(yīng)的循環(huán)任務(wù)時(shí)間，根據(jù)電源的通訊特性，把握數(shù)據(jù)讀/寫時(shí)間，避免了通訊總線上收發(fā)信號重疊，以及把PLC讀、發(fā)數(shù)據(jù)兩次的時(shí)間控制在100ms以內(nèi)，并盡可能地提高通訊效率。目前60ms時(shí)間就控制一個(gè)電源的讀寫控制，整個(gè)生產(chǎn)線上一共有16臺電源，選擇貝加萊公司IF1030 RS485通訊模塊，每個(gè)模塊控制8個(gè)電源。該模塊通過軟件和示波器測試，其修改高低校驗(yàn)位并最終輸出的時(shí)間間隔小于1ms，另一款RS485接口模塊X20CS103則慢一些，大概間隔是在20ms，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間不能實(shí)現(xiàn)在地址發(fā)出后4.6ms到6.6ms之間修改校驗(yàn)位，所以X20CS103這個(gè)模塊是無法滿足電源的通訊要求。 X20CS103模塊可用來和真空計(jì)、分子泵和流量計(jì)通訊。

    利用實(shí)時(shí)多任務(wù)的處理機(jī)制，對實(shí)時(shí)控制提供了保障，把項(xiàng)目中各個(gè)不同工藝的處理放在不同的循環(huán)任務(wù)里，根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)整每個(gè)任務(wù)的循環(huán)執(zhí)行時(shí)間，準(zhǔn)確把握修改校驗(yàn)位的時(shí)機(jī)和通訊讀/寫時(shí)間。并且支持標(biāo)準(zhǔn)C、BASIC高級語言編程，在做校驗(yàn)位運(yùn)算和通訊編程時(shí)更為便利。這正是150臺設(shè)備的通訊和控制選用該廠家的原因之一。

    8 支持VNC的PLC

    VNC (Virtual Network Computing)是虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的縮寫，是一款優(yōu)秀的遠(yuǎn)程控制工具軟件，它由兩部分組成：一部分是客戶端的應(yīng)用程序(Vncviewer)，另外一部分是服務(wù)器端的應(yīng)用程序(Vncserver)。Vncserver運(yùn)行在設(shè)備中，Vncviewer運(yùn)行在任何遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中，輸入正確的IP地址和密碼就能調(diào)用和查看Vncserver中的畫面程序，不需要插件和專業(yè)軟件的支持。貝加萊公司的PLC支持VNC技術(shù)，即在編寫PLC邏輯處理程序的同時(shí)，寫入類似觸摸屏一樣的畫面程序，把PLC作為Vncserver，通過以太網(wǎng)把PLC中的畫面顯示在作為Vncviewer的計(jì)算機(jī)上，從而達(dá)到遠(yuǎn)程操作和顯示的目的；

    整線要求這套采集系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，也可以通過主控系統(tǒng)來控制。由于PLC支持VNC技術(shù)，所以這樣的要求不需要額外增加觸摸屏，只是在對PLC編程時(shí)，除編寫RS485等通訊控制程序外，還需編輯控制電源以及顯示數(shù)據(jù)的畫面，程序完成后畫面和通訊邏輯程序一同下載到X20CP3484硬件中去。任何一臺計(jì)算機(jī)與PLC自帶的以太網(wǎng)接口相連，通過Vncviewer輸入正確IP地址和密碼后，PLC中寫的畫面便顯示在計(jì)算機(jī)上，監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)；同時(shí)可通過鼠標(biāo)來控制這套系統(tǒng)，使其能獨(dú)立運(yùn)行。在硬件上免去了觸摸屏，軟件上減少了程序開發(fā)的工作量，也不需要在計(jì)算機(jī)中安裝組態(tài)軟件。VNC畫面如圖5所示。

                       

                                    圖5 VNC畫面

    9 結(jié)語

    質(zhì)量流量計(jì)、真空計(jì)、分子泵和中頻電源在鍍膜線上使用的數(shù)量較多，而這些設(shè)備進(jìn)口價(jià)格約為國產(chǎn)的2-3倍，如能采用國產(chǎn)設(shè)備一條線就能節(jié)省上百萬元的成本。目前國產(chǎn)設(shè)備大多為自主研發(fā)，通訊協(xié)議多為自定義協(xié)議，常見PLC在非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通訊處理和控制時(shí)略顯不足。而貝加萊PLC支持多種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，完美地解決了這個(gè)問題。它的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、高速的指令執(zhí)行、高級語言的編程方式以及快速硬件響應(yīng)能力，方便地實(shí)現(xiàn)了對自定義通訊協(xié)議設(shè)備的通訊，把PLC作為通訊網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的直接控制， 通過功能劃分后結(jié)構(gòu)更加清晰，編程更加簡單。兩套操作終端都可對這些設(shè)備進(jìn)行操作，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，也促進(jìn)了國產(chǎn)儀器設(shè)備的使用和鍍膜技術(shù)的革新。