6GK7243-1GX00-0XE0货源充足

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 利用GPRS技术无线通信的优点,并结合PLC在工业控制上抗干扰性强的优势,可应用于等实时遥控系统领域。值此以一个对海上的灯塔迸行实时遥控系统的具体设计方案为例作分析。

1系统结构组成

PLC远程实时遥控系统由系统用户监控和通信网络与终端设备组成。其系统结构拓扑见图1所示。PLC远程实时遥控系统分布上由GPRS终端设备务软件组成,系统通过配置可以对多个设备迸行状态和数据监控,也可以通过服务软件仅对单个终端设备迸行远程调试和通信数据的应答和转发。

*GPRS终端设备的设计

GPRS终端设备通过通信口与PLC现场设备连接,它负责采集PLC设备的各种信息数据,并通过IP链路方式或GSM短信方式送至系统监控或控制。另外，将控制手机或系统服务软件发送过来的各种有效的控制指令和PLC远程调试关键数据发送给现场PLC设备。

而GPRS终端设组成包括嵌入式GPRS通信模块、MCU处理模块及其它附属部件。GPRS终端设备是监控服务器迸行业务、数据交互的接口，是系统数据采集和指令执行部分，完成将PLC工作的实时上传和接收来自监控的各种命令的执行工作。而GPRS终端硬件模块主要包括电源变换模块、嵌入式GPRS通信模块、MCU微处理器模块、PLC控制模块和现场显示控制触摸智屏。

嵌入式GPRS数据通信模块将从监控接收的数据送给MCU微处理器，MCU微处理器根据数据的类型迸行相应的处理，对于需要转给PLC的给PLC控制模块。同时MCU微处理器将从PLC控制模块中得到的数据进行相应的处理并由嵌入式GPRS模块发送给监控。触摸屏实时监视系统和设备的运行状态，并可以进行现场设定设备运行的参数。由于GPRS终端设备不同的模块所需要的电源参数不同，因此，需要利用电源变换模块将输入电源变换为不同的电压输入给相应的处理模块以满足其正常的工作。

*关于系统服务软件

系统服务软件是整个系统的,其将来自GPRS终端设备的各种指令信息、数据转发给终端状态软件,接收来自终端状态软件的查询指令并发送给远程的GPRS终端设备。

2.系统的运行

GPRS终端设备将的各种信息数据按照设定的协议送到系统服务软件或用户监控上, 系统服务软件判断收到的数据是监控还是调试转发数据,按照不同的要求将数据迸行相应的处理,并根据设定的要求迸行接收确认。同时系统服务软件也可以按照操作人员的要求配置参数,有选择的查询必要的终端设备信息。当系统迸行远程调试应用时,系统服务软件可以对PLC已知的应答软件迸行自动在线保持,仅将关键数据迸行远程传输到GPRS终端设备迸行数据请求，同时GPRS终端设备对已请求到的设备指令发送到系统服务软件，系统服务软件再通过串口转发送给远程调试软件。其中, 关键数据指令的交互周期和等待周期可以由系统软件配置。这既可以有效的节省数据通信的流量,又可以保证软件调试的稳定性。

3.系统优势

该基于GPRS网络技术的PLC远程技术可应用于海上灯塔遥控系统设计方案，因为给出了实时性和性关键问题的解决方法，通过应用GPRS无线通信技术，实现了PLC远程实时监控和调试。给工作人员对观察灯塔设备运行的工作状态带来了大的方便，也十分有利于对灯塔设备的异地控制和维护。

在工业控制领域中，PLC作为一种稳定的控制器得到广泛的应用。但它也有自身的一些缺点，即数据的计算处理和管理能力较弱，不能给用户提供良好的界面等。而计算机恰好能PLC的不足，它不但有很强的数据处理和管理能力，而且能给用户提供非常美观而又易于操作的界面。将PLC与计算机结合，可使系统达到既能及时地采集、存储数据，又可处理和使用好数据，两者结合的关键是PLC与计算机之间的通信。本文以OMRON公司的CPMI小型PLC为例，详细的讨论了PLC与计算机通信的原理和用VB如何实现PLC与计算机的通信。

一、通行原理与方法

上位机要能够通过PLC监控下层设备的状态，就要实现上位机与PLC间的通信，一般工业控制中都是采用RS232C实现。上位机向PLC 发送查询数据的指令（实际上是查询PLC中端子的状态和dm区的值等），PLC接收了上位的指令后，进行校验（fcs校验码），看其是否正确，如果正确，则向上位机传送数据（包含尾校验字节）。否则，PLC拒绝向上位机传送数据。上位接收到PLC传送的数据，也要判断正确与否，如果正确，则接收，否则，拒绝接收。

由于cpm1a没有提供串行通信口，我们利用其提供的外设端口实现通信。PLC与计算机之间的连接是通过omron提供的电缆cqm1-cif01来实现的，

二、 PLC与计算机间的通信规约

计算机与PLC间的通信是以“帧”为单位进行的，并且在通信的过程中，计算机具有高的级。，计算机向PLC发出命令帧，然后，PLC作出响应，向计算机发送回响应帧。其中命令帧和响应帧的格式如下:

（1） 命令帧格式。为了方便计算机和PLC的通讯，cpm1a对在计算机连接通信中交换的命令和响应规定了相应的格式。当计算机发送一个命令时，

其中@放在，表示以@开始，设备号为上位机识别所连接的PLC的设备号。识别码为命令代码，用来设置用户希望上位机完成的操作，fcs为帧检验代码，一旦通信出错，通过计算fcs可以及时发现。结束符为“＊”和cr回车符，表示命令结束。

其中，异常码可以确定计算机发送的命令是否正确执行。其它的与正文中的含义相同。正文仅在有读出数据时有返回。

三、 通信程序的设计

为了充分利用计算机数据处理的强大功能，我们可以采用计算机有权的方式，在计算机上编写程序来实现计算机与PLC的通信， 计算机向 PLC发出命令发起通信，PLC自动返回响应。本文中采用vb来编写计算机与PLC间的通讯程序。在vb中提供了通信控件—应用通信控件（mscomm），实现通过串行端口传送和接受的功能。

下面介绍mscomm控件的属性:

＊commport:设定通信连接端口代号，程序所要使用的串行端口号，bbbbbbs系统使用所设定的端口与外界通信。

＊portopen:设定通信口状态，若为真，通信端口打开，否则关闭。

＊settings:设定通信口参数，其格式是"BBbb,p,d,s"，其中bbbb为通信速率（波特率），p为通信检查方式（奇偶校验）， d 为数据位数，s为停止位数，其设定应与PLC的设定一致。

＊bbbbb:将对方传送至输入缓冲区的字符读入到程序。

＊output:将字符写入输出缓冲区。

＊inbuffercount:传回接收缓冲区中的字符数。

＊outbuffercount:传回输出缓冲区中的字符数。

＊bbbbblen:设定串行端口读入字符串的长度。

＊bbbbbmode:设定接收数据的方式。

＊rthreshold:设定引发接收事件的字符数。

＊commevent:传回ONcomm事件发生时的数值码

＊oncomm事件:无论是错误或事件发生，都会触发此事件。

（1） 控件参数的初始化

初始化程序如下:

port=2 ｀使用串口com2

mscomm.settings="9600, e, 7, 2" ｀波特率9600，偶校验，7位数据位，2位停止位

mscomm.portopen=true ｀打开通信端口，准备通信

（2） 计算校验码fcs，计算fcs的vb自定义函数如下:

function fcs（byval bbbbbSTr as bbbbbb） as bbbbbb

dim slen, i, xorresult as integer

dim tempfes as bbbbbb

slen=len（bbbbbstr） ｀求输入字符串长度

xorresult = 0

for i = 1 to slen

xorresult = xorresult xor asc（mid$（bbbbbstr, i, 1）） ｀按位异或

next i

tempfes=hex$（xorresult） ｀转化为16进制

if len（tempfes）=1then tempfes =“0”+tempfes

fcs = tempfes

end function

（3） 计算机与PLC通信程序

主要是一个自定义函数。

function readdata（byval bbbbbstr as bbbbbb, byval num as integer） as bbbbbb

dim outputstr as bbbbbb

dim inbbbbbb as bbbbbb

dim returnstr as bbbbbb

dim endbbbbbb as bbbbbb

dim fcsbbbbbb as bbbbbb

dim returnfcsbbbbbb as bbbbbb）

mscomm.inbuffercount=0

utputstr=bbbbbstr+fcs（bbbbbstr）+“＊” ｀给出命令帧

mscomm.output=outputstr+chr$（13） ｀向PLC传送命令帧

do

doevents

loop while mscomm.inbuffercount < 15

inbbbbbb=mscomm.bbbbb ｀PLC的响应帧

｀结束码判断

endbbbbbb = mid$（inbbbbbb, len（inbbbbbb） -

num- 5, 2）

if endbbbbbb = "13" then

readdata = "error"

exit function

elseif endbbbbbb = "14" then

readdata = "error"

exit function

elseif endbbbbbb = "15" then

readdata = "error"

exit function

elseif endbbbbbb = "18" then

readdata = "error"

exit function

elseif endbbbbbb = "a3" then

readdata = "error"

exit function

elseif endbbbbbb = "a8" then

readdata = "error"

exit function

end if

｀响应帧校验

endbbbbbb = mid$（inbbbbbb, 1, len（inbbbbbb） - 4）

returnfcsbbbbbb = mid$（inbbbbbb,len（inbbbbbb） - 3, 2）

fcsbbbbbb = fcs（endbbbbbb）

if fcsbbbbbb <> returnfcsbbbbbb then

readdata = "error"

exit function

end if

returnstr = mid$（inbbbbbb,

len（inbbbbbb） - num - 3, num）

readdata = returnstr

end function

从上面程序可以看到，计算机对PLC返回的响应帧要进行fcs校验，并利用异常码排除返回的异常数据，这样不但可以提高计算机信息的正确性，而且提高了计算机监控的实时性。

四、结束语

本文介绍的通信方法在我校cims研究自行研制的一套机电一体化设备中得到实施运用，经试验运行，证明这种通信方法稳定、，确实是一种非常有效的方法。将PLC与计算机通信网络连接起来，PLC作为下位机，计算机作为上位机，形成一个优势互补的自动控制系统，实现了“集中管理，分散控制”。其中各个PLC子系统或远程工作站在生产现场对各个被控对象进行控制，利用网络连接构成一个PLC综合控制，满足了现代自动化系统向信息化、网络化、智能化的过渡。

可编程逻辑控制器(PLC)使用逻辑、时序控制、定时、计数和算术算法等快速、确定性的功能来控制机器和过程。PLC使用 模拟和数字信号与终端节点通信，例如读取传感器和控制执行 器。典型的通信方法包括电流/电压环路、Fieldbus1和工业以太网2协议

随着工业远程应用领域传感器和控制节点数的不断增加，控制器中I/O模块节点数也相应增加，一些分布式控制系统(DCS) 能够处理成千上万的节点。如此密集的节点使温度相关的挑战难度越来越大，尤其是对于4mA至20mA环路通信标准的系统。

对系统设计人员而言，大且密切相关的挑战是提率并降低功耗，因为现有系统的低效率导致电能浪费，运营成本增加。本文将说明设计率系统面临的挑战，并介绍一款多功能、4通道、16位数模转换器(DAC) AD5755，它作为一种集成度高的解决方案有助于解决这些问题。

系统

典型工业控制系统的通信分层情况直到近，分布式输入/输出（远程I/O和PLC）通常仍然使用Modbus3、 PROFIBUS4（过程现场总线）或Fieldbus等开放或专有协议进行连接。如今，业界对使用PROFINET5的兴趣日渐增强，它是 一种设计用于在以太网设备之间快速交换数据的工业以太网协议。

PROFINET的优势包括：

●速度快，从RS-232的9.6 kbps提高到1 Gbps。

●改进的整体性能。

●距离长。

●能够使用标准接入点、路由器、交换机、集线器、电 缆和光纤，这比等效串行端口设备得多。

一条链路可以有两个以上的节点。这对于RS-485是可行的，但对于RS-232则不可行。

在"现场"级，用于将工业驱动器、电机、执行器、控制器与PLC/DCS I/O系统互连的现场总线协议为数众多，包括 DeviceNet?、CAN 6、InterBus?7和上述PROFIBUS、Fieldbus。

输入输出(I/O)控制器连接工厂或过程环境中的传感器和控制执行器，并通过上述模拟和数字方式与多个终端节点通信。本身的系统通过4mA至20mA电流环路进行连接，一些系统则使用隔离技术。控制处理器通常为8位至32位处理器，性能可达100 DMIPS（Dhrystone 百万条指令/秒）。工厂自动化设备结实，能在恶劣的工业环境中工作而不需要风扇。

模拟4mA至20mA电流环路常用于工业过程控制的信号传输，4mA代表范围的低端，20mA代表范围的。电流环路的主 要优势在于信号精度不受互连线路的压降影响，而且环路可以提供4mA电流为器件供电。即使线路电阻很大，电流环 路变送器也会在其电压能力范围内维持适当的电流。

通过4mA所代表的"活动—零"状态，接收仪表可以检测环路的一些故障（例如：0mA表示开环，3mA表示传感器发生故障），双线变送器设备也能通过环路电流供电。此类仪表用于测量压力、温度、流量、pH值和其它过程变量，以及控制阀门定位器或其它输出执行器。模拟电流环路中的电流可以在环路中的任一点，通过一个串联精密电阻转换为电压输入。仪表的输入端可能会将电流环路的一端连接到机壳（大地），因 此当串联连接多个仪表时，可能需要模拟隔离器。

功耗考虑

一个通道配置为4mA至20mA通信（本例中为从DAC驱动一个执行器负载）。执行器的端接电阻决定环路所需的大电源电压。例如，100电阻至少需要2 V电压才能提供20 mA电流。如今的系统能够驱动达（有时甚至过）1k的负载，这是很常见的要求。对于这一负载阻抗和20 mA的满量程电流，电源需要提供至少20 V电压。所产生的功率为：

P = V × I = 20 V × 0.02 A = 0.4 W.

如果负载阻抗变为100 ，使用同一电源（有效条件）时，即使只需要 0.04 W功率，功耗仍将为0.4 W。这种情况下，系统的效率损失为，360mW功率遭到浪费。

对于一个8通道模块，20V电源下的总功耗将为3.2 W，其中多达2.88 W的功率遭到浪费（如果所有负载均为100 ）。这种情况下，自热效应和功耗预算的提高开始演变成问题。模块内的温度升高可能导致系统误差增大，各个器件的漂移特性需要纳入系统整体的误差预算中加以考虑。

设计人员会考虑各种办法来解决这些问题：

●增大模块尺寸以支持多功耗，但成本会增加，因而 这种解决方案的竞争力不强。

●使用散热和/或风扇控制，这是一种昂贵的解决方案，同时会增大空间。事实上，在一些关键应用中，不允许使用这种温度控制设备。

●减小大负载阻抗，以便限制电路的整体功耗。在一些应用中，这会限制性能，导致系统的市场竞争力下降。

无论如何，在小的空间中提供多的通道这一趋势会给许多系统设计人员带来散热和功耗方面的困扰。

一种有助于解决此问题的方法是从5V电源入手。监控输出负载电压，然后根据需要有效升压并调节输出电压。5V电源和一款率DC/DC升压转换器利用反馈控制提供适当的输出电压，使片内功耗小。

AD5755系列4通道、16位、串行输入、电压和电流输出DAC能够提供这种闭环动态电源能力（见附录—图A）。它的每个 通道都能以16位分辨率提供电流或电压，输出端由动态电源控制下的DC/DC转换器供电，因此该器件相当于在一个非常紧凑的9mm × 9mm × 0.8mm封装中提供4个低功耗节点。

使用感性升压电路的动态电源控制工作原理。每个通道都能提供30V以上的升压输出电压。动态电源控制机制利用反馈调节输出电压，然后经过电阻分压器分压后与内部误差放大器中的基准电压进行比较，产生一个误差电流。开关周期开始时，MOSFET开关接通，电感电流缓升，然后测量转换为电压的MOSFET电流。当电流检测电压大于误差电压时，MOSFET断开，电感电流缓降，直到内部时钟启动下一个开关周期。在电流模式下调节输出电源电压采用类似方案，此时使用的是反馈误差电流。

不采用动态电源控制时，设使用24V电源，则每个通道的差情况功耗可以通过下式计算：

功耗  =电源电压 × 大电流

= 24 V × 20 mA

= 0.48 W

在同样的条件下，4个通道的功耗将接近2W，这会给模块和半导体电路带来问题。启用动态电源特性时，AD5755调节电源，使片内功耗降至。图6显示了启用和禁用动态电源（固定电源）两种情况下每个通道的功耗对比。

启用动态电源功能时，在24mA输出电流下片内功耗约为50mW，而无调节时的片内功耗则为400mW。这种控制片内功耗的能力非常有用，系统设计人员在提高系统通道数的同时可以使模块功耗降至，从而不需要考虑繁琐而昂贵的方法来 控制系统温度。

故障状况下的系统差错校验与诊断

对于工业应用，能够监控并报告系统级故障，在故障状况下拥有尽可能多的系统控制权至关重要。AD5755包括许多片内诊断特性，能够为用户提供系统级差错校验功能。

发生故障时，一个重要考虑是控制DAC的MCU/DSP会如何。 由于不能控制输出，用户将失去对系统的控制。AD5755有一个定时器（时可编程设定），如果它在时期限内没有收到SPI接口传来的命令，就会设置警告标志（高电平有效）。需要时，此ALERT引脚可以直接连到清零引脚（也是高电平有效），以便将输出设置为已知的状态。 AD5755的每个通道都有一个16位可编程清零码寄存器，用户可以灵活地将输出清零为任意码。

在高噪声工业环境中，即使MCU正常工作，通信信号也可能遭到破坏。为了应对这种可能性，AD5755具有可选的分组差错校验(PEC)功能，它实施一种CRC8多项式例程。该功能可以通过软件使能或禁用，确保输出不会错误地新。

输出端接线错误常会导致连接开路或短路，有可能会造成系统损坏。（即使没有发生损坏，问题也往往难以诊断。AD5755具有开路和短路检测功能，可以即时设置故障标志，提醒技术人员处理相关问题。）此外，当发生短路时，短路保护功能可以限制输出电流。所有故障都可以通过SPI接口或硬件故障引脚传达，以便用户即时采取处理措施。

灵活的输出范围编程功能

为了处理所需的各种电压和电流，AD5755的各通道都可提供许多可编程范围，包括：4 mA至20 mA、0 mA至24 mA、0 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V、±10 V和±12 V。 用户也可以对各通道的各种范围的增益和失调进行数字化编 程。这些增益和失调寄存器具有16位分辨率。例如，为了设置0V至10.5V输出范围（如图8所示），选择0V至12V范围，然后编程设置增益码，将范围调整到10.5 V。完成增益调整后，输出范围即为0V至10.5V，并具有16位分辨率。失调的编程设置方式与此相似。

通过4mA至20mA电流环路传输附加信息

纯4mA至20mA电流环路的缺点是只能单向传输单个过程变量，这对于现代工业控制系统是个限制。可寻址远程传感器高速通道(HART)标准的发展为4mA至20mA通信线路开启了新的可能。

HART提供数字双向通信机制，兼容4mA至20mA电流环路。 在4mA至20mA模拟电流信号之上叠加一个1mA峰峰值频移键控(FSK)信号。基于BELL 202通信标准，所用的两个频率为1200 Hz（逻辑1）和2200 Hz（逻辑0）

AD5755可以配置为仅利用两个外部器件来传输HART信号。HART调制解调器的输出经过衰减后，交流耦合至AD5755的CHART引脚；这导致调制解调器输出在4mA至20mA模拟电流上进行调制，而不会影响该电流的"直流"电平。电路显示AD5755如何与HAR调制解调器接口以实现这种双向通信形式。

HART规范要求模拟电流的大变化速率不得干扰HART通信。很显然，电流输出的步进变化可能会中断HART信号传 输。幸运的是，AD5755提供可控制的压摆率，启用该功能后， 用户可以通过数字方式限制电流输出的压摆率。

当使能动态电源控制特性时，每个通道需要四个外部器件：一个饱和电流约为1A的电感、一个开关二管和两个具有低等效串联电阻(ESR)的电容。利用少的外部器件，AD5755提供一款集成的单芯片、系统解决方案。总非调整误差(TUE)典型值为0.01%，其中包括25°C时的所有增益和失调误差。

结论

随着所需通道数和各模块通道密度提高，系统设计人员面临着许多问题：如何在提高通道数量的同时保持较小的模块尺寸？如何提高通道数量并设计高能效系统，同时使系统的自热效应和漂移误差保持小？就输出编程性能而言，如何为客户提供大的灵活性？提供哪些特性和诊断功能，以确保系统稳定并能够轻松找出问题所在？

AD5755是一款采用9mm × 9mm CSP封装的4通道器件，能够大幅减小系统的电路板面积并提高通道密度。其动态电源控制特性能够调节片内功耗，使模块功耗降至。此外还有片内诊断功能，包括定时器、PEC差错校验及开路/短路检测和保护，稳定的设计使它能在恶劣的工业环境中工作，让终用户有信心。AD5755是一款真正的片上系统解决方案。