臺(tái)達(dá)PLC串行通訊應(yīng)用原理

臺(tái)達(dá)PLC串行通訊應(yīng)用原理

本文根據(jù)串行通訊的基本原理，以臺(tái)達(dá)PLC與松下變頻器通訊為案例，詳細(xì)討論臺(tái)達(dá)PLC的串行通迅功能及在項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用。主要介紹如何使用臺(tái)達(dá)PLC完善的通訊功能完成各種實(shí)際應(yīng)用，體現(xiàn)了臺(tái)達(dá)PLC強(qiáng)大的通訊技術(shù)特性。
關(guān)鍵詞：串行通訊 PLC RS485 MODBUS協(xié)議 變頻器、自由口通訊 EASY LINK

1 引言

隨著計(jì)算器技術(shù)的發(fā)展，通訊傳輸在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低、簡單易用，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用?，F(xiàn)在各PLC生產(chǎn)廠家都極其重視通訊在PLC推廣中的應(yīng)用，并且各具有優(yōu)勢特點(diǎn)，合理利用PLC串行通訊功能將極大的降低自動(dòng)化項(xiàng)目成本，提高產(chǎn)品競爭力。

2 串行通訊簡介

計(jì)算機(jī)通訊即是不同的設(shè)備通過線路互相交換編碼數(shù)據(jù)，其主要目的在于將數(shù)據(jù)從某端傳送到另一端，實(shí)現(xiàn)信息的交換。通訊通常有并行和串行兩種方式，由于并行傳輸方式在數(shù)據(jù)電壓傳送的過程中容易衰減互擾，并且線路工程費(fèi)用較高，而串行通訊方式則能很好的解決這些問題，因此在工業(yè)應(yīng)用中絕大多數(shù)使用串行通訊。

串行通訊的基本接口方式分為RS-232和RS-485兩種標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 RS-232接口

(1) RS-232-C接口連接器一般使用型號(hào)為DB-9的9芯插頭座,只需三條接口線,即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號(hào)地”即可傳輸數(shù)據(jù)，其9支腳位的定義如下表1所示。

表1 RS-232-C接口連接器定義

(2) 在RS232的規(guī)范中，電壓域值在+3V---+15V（一般使用+6V）之間稱為“0”或“ON”；電壓在-3V----15V（一般使用-6V）之間稱為“1”或“OFF”；計(jì)算機(jī)上的RS-232“高電位”約9V，而“低電位”則約-9V。

(3) RS-232為全雙工工作模式，其訊號(hào)準(zhǔn)位是參考地線而得，分別作為數(shù)據(jù)的傳送和接收；實(shí)際應(yīng)用中其傳輸距離可以達(dá)到15米。只具有單站功能，即一對一通訊。

2.2 RS485接口

（1）采用正負(fù)兩根信號(hào)線作為傳輸線路。
（2）RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6） V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。
（3）RS485為半雙工工作模式，其訊號(hào)是正負(fù)兩條線路訊號(hào)準(zhǔn)位相減而得，是差動(dòng)式輸入方式，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好；實(shí)際應(yīng)用中其傳輸距離可達(dá)1200米。具有多站能力，即一對多的主從通訊。

3 臺(tái)達(dá)PLC的串行通訊功能

臺(tái)達(dá)DVP系列PLC各型主機(jī)均內(nèi)建2個(gè)通訊口的標(biāo)準(zhǔn)配置，即一個(gè)RS232和一個(gè)RS485通訊口，其RS232口主要用于上下載程序或作為與上位機(jī)、觸摸屏通訊，而RS485口主要用于組建485網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通訊控制。尤其值得一提的是EH機(jī)型可通過通訊功能卡擴(kuò)充一個(gè)RS232或RS485通訊口，使得在組建多重通訊網(wǎng)絡(luò)更加方便。

相對于通訊口的硬件配置，臺(tái)達(dá)PLC在軟件指令上對通訊的支持也是相當(dāng)豐富和便利，主要通過以下三種方式完成485通訊功能：

3.1 自由通訊方式

該方式通過串行數(shù)據(jù)傳輸指令RS來完成主站與從站之間的數(shù)據(jù)交換，可以實(shí)現(xiàn)無協(xié)議的自由通訊。許多接口設(shè)備如變頻器、儀表等…若配備RS-485串行通訊，且該設(shè)備之通訊格式也有公開即可由PLC使用者以RS指令設(shè)計(jì)程序來傳輸PLC與接口設(shè)備之間數(shù)據(jù)。

3.2 MODBUS通訊方式（GB/Z 19582）

MODBUS協(xié)議是目前國際上公開的標(biāo)準(zhǔn)串行通迅協(xié)議，也是中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z 19582：基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。臺(tái)達(dá)PLC通訊符合MODBUS協(xié)議，并且臺(tái)達(dá)其它產(chǎn)品如變頻器、溫控儀、司服控制器等485通訊均符合MODBUS協(xié)議，對于符合MODBUS之通訊格式的產(chǎn)品，臺(tái)達(dá)PLC提供了更加便利的通訊指令MODRD 、MODWR、MODRW來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫，程序編寫中不需關(guān)注傳送的字符，校驗(yàn)碼的轉(zhuǎn)換等等，只需要確定通訊地址及寫入讀出的數(shù)據(jù)即可，不過在多指令讀寫時(shí)需要考慮通訊時(shí)序問題，避免通訊沖突。

3.3 臺(tái)達(dá)PLC最有特色的通訊命令EASY LINK

基于MODBUS通訊協(xié)議，臺(tái)達(dá)EP/EH系列PLC機(jī)型提供了更為方便快捷的通訊方式——EASYLINK。EASY LINK通訊是臺(tái)達(dá)PLC最有特色的通訊命令，可以提供主站與32個(gè)從站通訊，每個(gè)從站讀寫各100項(xiàng)數(shù)據(jù)的能力，且不需要復(fù)雜編程即可高速快捷的完成通訊控制，節(jié)省大量的編程時(shí)間。

綜合比較上述三種通訊方式，自由通訊方式的編程最為復(fù)雜，但它可以與非MODBUS協(xié)議的設(shè)備通訊，設(shè)備選擇自由靈活不受限制；MODBUS通訊方式的編程則簡單的多，且也具有一定的編程靈活性，如可優(yōu)先與某個(gè)從站通訊；而EASY LINK通訊方式是針對符合MODBUS協(xié)議互連設(shè)備最簡單的通訊方式，幾乎不需要編程即可完成，不需要考慮半雙工通訊方式中通訊時(shí)序問題，只需要指定讀出寫入數(shù)據(jù)的寄存器和數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)，啟動(dòng)LINK連接即可完成設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊。因此對于符合MODBUS協(xié)議的設(shè)備建議采用LINK通訊方式。

3.4串行通訊工程要點(diǎn)問題

在工業(yè)自動(dòng)化控制中，有許多數(shù)據(jù)信號(hào)需要采集、處理，特別對于遠(yuǎn)距離的設(shè)備，一般的傳感器電壓訊號(hào)如果傳輸距離過遠(yuǎn)的話，會(huì)造成訊號(hào)的衰減，如此一來，將得不到正確的結(jié)果，因此，采用傳感器訊號(hào)就地處理，而數(shù)據(jù)傳輸通過數(shù)字通訊方式能夠有效的解決這一問題，保證數(shù)據(jù)的正確性與準(zhǔn)確性；但通訊同樣也會(huì)受到外界的干擾，使得通訊質(zhì)量下降，甚至根本無法建立通訊。要保證通訊正常，在組建通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）保證通訊協(xié)議一致，所有聯(lián)機(jī)之從站接口設(shè)備波特率及通訊格式需與主站相同，合理分配各從站的站地址，避免地址沖突。

（2）合理布線，減少外界干擾對通訊的影響。走線走得好，可以很大程度減少干擾的影響，提高通訊的可靠性，走線應(yīng)遵循兩個(gè)原則：遠(yuǎn)離電源線，變頻器等干擾源；當(dāng)網(wǎng)線不能與電源線等干擾源避開時(shí)應(yīng)與電源線垂直，不能平行，并采用質(zhì)量高的雙絞線走線

（3）通訊速率的選擇，一般來說提高通訊波特率能夠提高通訊效率，但并非一味的提高就肯定好，傳輸速率的提高同時(shí)加大了傳輸錯(cuò)碼率，使傳輸質(zhì)量下降，特別是在工業(yè)控制場合外界干擾比較大的情況下，有時(shí)適當(dāng)降低傳輸速率會(huì)得到更好的傳輸效率。

（4）正確編制通訊程序。PLC通訊程序的編制在實(shí)現(xiàn)串行通訊中也是非常關(guān)鍵的一步，一個(gè)合理的通訊程序能夠提高通訊效率，而不完善的通訊程序則會(huì)導(dǎo)致通訊效率下降，甚至通訊失敗，使PLC出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤。由于RS485通訊采用半雙工的工作模式，因此通訊程序的編寫主要是對通訊指令的分時(shí)處理程序，在此用以下兩個(gè)通訊程序來描述如何合理編制PLC通訊程序，程序主要是PLC通過485通訊方式讀寫三臺(tái)變頻器的頻率，均實(shí)際測試運(yùn)行過：

3.5 臺(tái)達(dá)PLC通訊程序要點(diǎn)

（1）“固定時(shí)序通訊程序”是臺(tái)達(dá)PLC通訊技術(shù)工程處理通訊常用方法，利用固定計(jì)時(shí)的方法來實(shí)現(xiàn)分時(shí)通訊，這樣的寫法比較容易造成通訊時(shí)序上的問題。Modbus 通訊規(guī)格是采用主/從模式，也就是主站發(fā)通訊命令給從站，從站收到之后再回應(yīng)主站，這一收一回才算完成一個(gè)完整的通訊資料交換，該程序有使用到M1127來判斷，但是決定下一個(gè)通訊指令是否運(yùn)行的接點(diǎn)開關(guān)卻不是由通訊旗標(biāo)來決定，而是由100ms 的 timer來決定，這樣很容易有問題生成，因?yàn)橥ㄓ嵉恼麄€(gè)時(shí)間包含通訊資料在線上傳輸?shù)臅r(shí)間加上通訊資料在主/從站處理的時(shí)間，若這時(shí)間超過100ms，那就很容易造成從站回傳，而主站送資料出去，造成資料在線上碰撞，因而影響傳輸?shù)恼_性，如果把timer時(shí)間延長，還是會(huì)碰到有問題，因?yàn)檫@種寫法，通訊旗標(biāo)的動(dòng)作與決定傳送的旗標(biāo)本身并未同步，因而會(huì)有時(shí)間差，造成資料不正確。該程序在EH機(jī)型上測試，發(fā)現(xiàn)通訊速度比較慢，且讀回來的數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)發(fā)生交叉的現(xiàn)象，即從站2的頻率讀到從站4的寄存器上，錯(cuò)誤讀寫的情況可見圖一。使用這種編程方法在通訊正常時(shí)沒有問題，一旦當(dāng)通訊數(shù)據(jù)錯(cuò)亂時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致PLC死機(jī)，參見圖1。

圖1 錯(cuò)誤讀寫，紅圈部分信道D200數(shù)據(jù)變?yōu)镵3000，應(yīng)該是K1000

（2）“通訊旗標(biāo)方式程序”是調(diào)整后的程序，可以比較一下，其主要區(qū)別在于Modbus Read/Write 指令在程序使用上搭配M1127, M1129, M1140, M1141 來判斷，由這幾個(gè)旗標(biāo)的狀態(tài)來決定下一個(gè)通訊指令的運(yùn)行時(shí)間，能夠很好的處理串行通訊的時(shí)序問題，保證通訊的可靠及效率，正常通訊監(jiān)控畫面如圖二。在用固定時(shí)序通訊中，即使通訊正常完成，那末也要等到100MS以后做下一個(gè)通訊，比如寫指令通訊完成耗時(shí)20MS，則需要等待80MS，降低了通訊效率，而采用通訊旗標(biāo)會(huì)在通訊完成或出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下轉(zhuǎn)入執(zhí)行下一個(gè)通訊指令，有效利用了時(shí)間，參見圖2。

圖2 正常通訊監(jiān)控畫面

4 臺(tái)達(dá)PLC與松下變頻器通訊案例

采用臺(tái)達(dá)ES系列PLC，用通訊方式來改變松下VF0C系列變頻器的設(shè)定頻率，PLC端使用485口，無協(xié)議方式來模擬VF0C變頻器的通訊協(xié)議。

4.1 通訊協(xié)議

VF0C系列變頻器留有485通訊口，并提供內(nèi)部通訊協(xié)議如下：

寫：% [站號(hào)] #WD [功能號(hào)] [起始地址] [結(jié)束地址] [數(shù)據(jù)] [BCC] \CR
讀：% [站號(hào)] #RD [功能號(hào)] [起始地址] [結(jié)束地址] [BCC] \CR
如果寫正確，返回：%01$WD BCC\CR
如果讀正確，返回：%01$RD [數(shù)據(jù)] BCC\CR

分別規(guī)定了字節(jié)數(shù)，在以下表格以寫數(shù)據(jù)為例做詳細(xì)說明：

在松下VF0C系列變頻器中，站號(hào)默認(rèn)為01，通訊格式為9600、N、8、1，通訊方式是ASCII方式，數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制，存儲(chǔ)模式為8位模式。設(shè)定頻率的地址是DT237，而讀設(shè)定頻率的地址為DT133，而且在DT237和DT133的數(shù)據(jù)都是以0.01Hz為單位的。下面以寫頻率為例，來做詳細(xì)說明。

4.2實(shí)例說明

假設(shè)要寫入的頻率是43.5Hz，那么需要寫入的數(shù)值應(yīng)為10FE（4350），變頻器的存儲(chǔ)模式為8位模式，應(yīng)從低位開始寫入，那么應(yīng)該先寫FE后寫10。校驗(yàn)碼是把從起始碼到數(shù)據(jù)碼所有的字節(jié)進(jìn)行異或所得。

XOR：%01#WDD0023700237FE10=52（HEX）

那么得出以下所有通訊格式碼：

%01#WDD0023700237FE1052\CR

通訊方式是ASCII方式，數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制格式，把這些格式碼按正確的次序發(fā)出，就可以把數(shù)據(jù)43.5HZ寫入到變頻器設(shè)定頻率DT237中。

4.3 梯形圖設(shè)計(jì)

在PLC中，無協(xié)議通訊也是從低位開始發(fā)送數(shù)據(jù)的，可選用8位模式和16位模式傳送，不同就在于發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中的8位數(shù)據(jù)還是16位數(shù)據(jù)，在這里以16位模式做說明。梯形圖如下：把格式碼數(shù)據(jù)253031235744443030323337303032333745463130520D按照從低位到高位的順序依次存入到D0~D11中去，占用12個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)寄存器，就是說有24個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。設(shè)定通訊參數(shù)9600，N，8，1，ASCII方式，16位模式。當(dāng)M0接通一次，就可以發(fā)送一次數(shù)據(jù)，寫一次頻率。

4.4 程序優(yōu)化

如果再加上讀頻率的程序，就可以做成小閉環(huán)，完成讀寫頻率的程序優(yōu)化。因?yàn)樵趯戭l率的數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，可做延時(shí)3秒后讀頻率，在讀成功以后，把讀回的頻率數(shù)據(jù)和要寫入的頻率數(shù)據(jù)做比較，如果相等，則通訊程序停止，如果不相等，再執(zhí)行寫頻率——>讀頻率——>比較。

5 結(jié)束語

綜上所述，臺(tái)達(dá)PLC具有強(qiáng)大的串行通訊功能，且相關(guān)應(yīng)用指令豐富，能夠很好的完成各種通訊需求，合理利用通訊功能將大大降低設(shè)備的制造成本，節(jié)省配線，提高抗干擾能力，由于臺(tái)達(dá)產(chǎn)品均符合MODBUS協(xié)議，因此可以把臺(tái)達(dá)產(chǎn)品通過通訊方式整合在一起，實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能要求。

參考文獻(xiàn)
［1］臺(tái)達(dá)PLC編程用戶手冊.臺(tái)達(dá)電子集團(tuán)
［2］VF0C系列變頻器使用手冊.松下電工(中國)有限公司

作者簡介
袁斌(1972-) 男 常德紡織機(jī)械廠電氣開發(fā)設(shè)計(jì)人員