基于RS-485總線的分布式故障診斷系統(tǒng)

　　在自動化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠距離的數(shù)字通信。在rs-422標準的基礎(chǔ)上，eia研究出了一種支持多節(jié)點、遠距離和接收高靈敏度的rs-485總線標準。

　　rs-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動器將ttl電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出;在接收端，接收器將差分信號轉(zhuǎn)換成ttl電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mv的電壓，使傳輸信號能在千米以外得到恢復。根據(jù)rs-485標準，rs-485 收發(fā)器的最大傳輸速率為10mbps，最大電纜長度為4000英尺，總線上能連接32個收發(fā)器(sipex公司的sp485r允許在一條總線上連接400 個收發(fā)器)，廣泛適用于遠距離、多站式、分時通訊系統(tǒng)。在要求通信距離為幾十米到上千米時，由于rs-485總線僅需用一對雙絞線即可實現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，且設備簡單、價格低廉，使得eia rs-485成為工業(yè)應用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。

　　當前自動控制系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡，如現(xiàn)場總線can、profibus、interbus-s、cc-link以及arcnet的物理層都是基于rs- 485標準的。

　　2 系統(tǒng)方案

　　本系統(tǒng)應用于某汽車噴涂生產(chǎn)線，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)按照工藝分布劃分為5個區(qū)，分別由5臺三菱q系列plc控制，plc間以三菱melsecnet/h數(shù)據(jù)鏈路聯(lián)網(wǎng)。在整個車間內(nèi)5個控制區(qū)內(nèi)，分別又被細分為數(shù)個子區(qū)域，累計共有73個子區(qū)，每1個子區(qū)設1個操作站。操作站的主要功能是對本子區(qū)內(nèi)的設備運行狀況進行監(jiān)測，當有故障發(fā)生時，應有詳細的故障診斷信息。方案要求簡示如圖1。

　　圖1 系統(tǒng)方案簡示

　　通過對方案要求的仔細分析，綜合比較計算機終端和工業(yè)觸摸屏等常用的操作界面設備，最終決定采用一種帶rs485通訊功能的漢字顯示設備dp210，這種顯示設備帶有專有通訊協(xié)議，外部指令可與其進行通訊讀取或改變其內(nèi)部寄存器的值，從而改變顯示屏上與該寄存器鏈接的文字內(nèi)容。這樣硬件方案基本確定，每臺 plc端增加串口通訊模塊qj71c24來進行rs485串行通訊，每個操作站配備一臺上述漢顯示設備，用以動態(tài)顯示設備狀態(tài)信息。

　　2.1 dp210簡介

　　dp210是一種適用于簡單用戶界面的終端操作設備，內(nèi)部帶有128個字寄存器，它可以顯示中英文字符或數(shù)字，并有簡單圖形顯示功能。

　　dp210內(nèi)置有rs422通訊功能，可作為從站以專有通訊協(xié)議與外部智能設備進行通訊，在通訊過程中，外部設備通過專門指令可改變其內(nèi)部任意字寄存器的值，從而改變屏上的顯示內(nèi)容，實時顯示現(xiàn)場設備信息。

　　(1) dp210通訊協(xié)議

　　外部設備可通過串行通訊讀取或改變dp210內(nèi)部的128個字寄存器的值，通訊過程中，plc充當主站(master),dp210充當從站 (slaver)，主站發(fā)起通訊，向從站發(fā)送讀/寫指令，從站在正確接收到該指令后，將根據(jù)指令要求返回一幀確認信息。

　　協(xié)議采用二進制通訊方式，格式如下所述:

　　讀指令(讀dp210內(nèi)部字寄存器的值)

　　plc端發(fā)送幀:node no. `r` address length sum

　　dp210端返回幀:

　　node no. status address length data sum

　　寫指令(寫dp210內(nèi)部字寄存器的值)

　　plc端發(fā)送幀:

　　node no. `w` address length data sum

　　dp210端返回幀:

　　node no. status sum

　　node no. : dp210顯示器站號，范圍1-255

　　command : `r`/`w` 分別用來區(qū)分讀/寫寄存器，在通訊幀中用16進制數(shù)52h或57h表示

　　address : 要讀寫的寄存器(mw)開始地址號(0-127)

　　length : 要讀寫的寄存器個數(shù)(1-128)

　　data : 從dp210讀出或?qū)懭氲絛p210寄存器中去的值

　　sum : 和校驗(前面所有字節(jié)值的和與100h取模后的值) (若值為5ah,則忽略該值)

　　status : 返回通訊狀態(tài)。意義如下: 0—正常;1— 地址錯誤;2—長度錯誤;3—地址范圍超限(開始地址+長度 >128);4—指令錯誤。

　　2.2 plc串行通訊技術(shù)

　　三菱各系列plc均有用于實現(xiàn)串行通訊的通訊模塊，該種模塊既可用于計算機監(jiān)控plc，又可用于實現(xiàn)plc系統(tǒng)與外部智能設備的自由協(xié)議通訊，具有很廣泛的實用性。本方案中所采用的q系列串行通訊模塊qj71c24就是這一類模塊中最強的一款，它體積小巧而且功能強大，通訊速率最高可達 115200bps，而且q系列plc有專用于該模塊自由協(xié)議通訊的高級指令，能方便快捷地實現(xiàn)與外部設備的串行通訊。

　　三菱q系列plc串行通訊專用指令主要有接收、發(fā)送指令，可進行ascii通訊，也可進行二進制通訊，還有用于清除通訊緩沖區(qū)的清除指令，下面對這3條指令的用法作簡要介紹:

　　(1) 發(fā)送指令:g.output ux xx1 xx2 xx3

　　ux:用來發(fā)送數(shù)據(jù)的串行通訊模塊所在的地址

　　xx1:發(fā)送指令控制參數(shù)區(qū)開始地址，占用連續(xù)3個字寄存器

　　xx2:待發(fā)送數(shù)據(jù)存儲的開始地址，長度由xx1中參數(shù)指令

　　xx3: 用來存儲指令執(zhí)行后的結(jié)果(成功或失敗)，占用連續(xù)2個位寄存器

　　(2) 接收指令:g.input ux xx1 xx2 xx3

　　ux:用來接收數(shù)據(jù)的串行通訊模塊所在的地址

　　xx1:接收指令控制參數(shù)區(qū)開始地址，占用連續(xù)4個字寄存器

　　xx2:用來存儲收到數(shù)據(jù)的寄存器開始地址

　　xx3:用來存儲指令執(zhí)行后的結(jié)果(成功或失敗)，占用連續(xù)2個位寄存器

　　(3) 清除指令:zp.cset ux xx1 xx2 xx3 xx4

　　ux:要進行清除操作的串行通訊模塊所在的地址

　　xx1:要清除的通訊通道號

　　xx2:清除指令控制參數(shù)區(qū)開始地址

　　xx3:備用

　　xx4:用來存儲指令執(zhí)行后的結(jié)果(成功或失敗)，占用連續(xù)2個位寄存器

　　2.3 程序?qū)嵤┖喪?/p>

　　綜合整個方案要求，程序主要可分為2大部分:故障信息的采集與有序存儲、故障信息的發(fā)布顯示。

　　(1) 故障信息的采集與有序存儲

　　故障信息的采集可以借用“事件觸發(fā)”機制來描述，當故障發(fā)送的瞬間，程序立即采取措施，將該故障的相關(guān)信息記錄下來，在本方案中，我們采用了觸點上升沿調(diào)用子程序的編程手法，來進行這項工作，在要求程序反應更為靈敏的場合，可以采用中斷處理的方法來完成。

　　無論是使用中斷處理還是普通掃描上升沿方式來捕捉故障，要建立一個完整的故障信息診斷發(fā)布系統(tǒng)，更為重要的是要有一個靈活實用的存儲機制。在這種機制下，針對故障的發(fā)生、排除都應有相應的程序操作與之對應，為此，我們建立了一個較簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，來配合這些數(shù)據(jù)操作，結(jié)構(gòu)如圖2所示

　　圖2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　在圖2中，每一站的故障記錄數(shù)都根據(jù)實際情況規(guī)定1個最大值，每1個故障記錄都規(guī)定為固定長度，這樣，每個plc內(nèi)都為下轄每個操作站設置了一個固定長度的存儲表，同時，對應故障的發(fā)生與消除，有相應的子程序來進行數(shù)據(jù)表的操作，添加或刪除故障記錄。

　　(2) 故障信息的發(fā)布顯示

　　顯示器的內(nèi)部寄存器已經(jīng)預先鏈接到其顯示畫面中，這樣只要plc通過通訊將當前應顯示的故障記錄信息寫入內(nèi)部寄存器，就可達到信息發(fā)布的目的。如果操作站發(fā)生翻頁操作，則在plc接收到該信號后，它將下一頁的故障信息寫入到顯示器的內(nèi)部寄存器，實現(xiàn)翻頁功能。

　　由于在同一時刻plc只能與1臺顯示器通訊，因此信息的刷新實際上是一種輪詢機制，從第一臺操作站開始，當所有的顯示器都更新過一遍后，這一段時間可以稱為刷新時間，rs-485串行通訊的通訊速率并不太高，所以為了改善刷新時間過長的狀況，我們采取了一次通訊發(fā)送多條記錄的方式，使用戶在翻頁時不會感到很明顯的延遲。

　　3 結(jié)束語

　　rs-485是大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)，它實現(xiàn)起來具有成本低，實施簡便等顯著優(yōu)點，但又兼有速度較低、實時性不高等缺陷，雖如此，對于人機交互不甚頻繁而終端較多的情況仍有較高使用價值。