李秀芹 杜向陽

(上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620)

低壓斷路器是一種不僅有手動開關作用，而且能自動在電路發(fā)生短路及過載等情況時切斷電路，保護用電設備的電器，所以對低壓斷路器進行過載可靠性等常規(guī)參數(shù)的檢測非常重要，但手工調節(jié)斷路器雙金屬片螺釘長度時誤差較大。為此筆者提出了下位機PLC和上位機相結合的斷路器自動測試系統(tǒng)，下位機PLC主要完成數(shù)據(jù)的采集與運算，上位機則對下位機采集的各工作部件的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控與顯示，并基于VB和PLC自由口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程通信。

1 斷路器測試系統(tǒng)總體方案①

筆者根據(jù)GB 14048.5-2008[1]開發(fā)了一套斷路器熱態(tài)在線測試系統(tǒng)。以三相塑殼式斷路器250H-250A的A相為例，其額定電流為250A，通過給斷路器加載一定的額定負載，檢測其在70～90s內(nèi)是否滿足過載可靠性的要求，如果產(chǎn)品性能不達標，則利用柔性調整結構里的一體化組合螺絲刀改變雙金屬片螺釘?shù)拈L度，使其滿足測試性能的要求。

斷路器測試系統(tǒng)的結構如圖1所示，軸向移動系統(tǒng)主要由步進電機、磁柵傳感器及絲桿機構等部分組成，完成水平移動與換向移動；柔性機構包括一體化螺絲刀和升降電機，實現(xiàn)螺釘?shù)恼{節(jié)與螺母的鎖緊，其定位數(shù)據(jù)及螺釘長度等參數(shù)需通過自由口通信傳到上位機進行實時顯示，同時其他機構的啟停操作通過上位機VB下傳到PLC。PLC和計算機通過自由口字符中斷方式進行通信，實現(xiàn)二者間數(shù)據(jù)的實時遠程傳送；基于VB與Access2000數(shù)據(jù)庫可動態(tài)存儲與查詢測試數(shù)據(jù)，提高了斷路器測試系統(tǒng)的工作可靠性和效率。

圖1 斷路器測試系統(tǒng)結構示意圖

2 自由口通信配置

串行通信具有接線少、成本低、適宜遠距離傳輸及可靠性高等優(yōu)點。筆者設計的斷路器熱態(tài)在線測試系統(tǒng)的上位機與PLC之間的通信即采用自由口串行通信方式。S7-200 PLC在自由口模式下可以與任何已知協(xié)議的智能設備通信，允許用戶自定義一些簡單的基本的通信協(xié)議設置，如數(shù)據(jù)長度及奇偶校驗等通信協(xié)議完全可由用戶自定義。

2.1 自由口通信工作方式

S7-200 PLC通過特殊的功能寄存器SMB30(Port0)和SMB130(Port1)進行自由口工作模式的設置[2]。自由口通信主要通過發(fā)送接收指令、特殊功能寄存器配置和中斷來實現(xiàn)，其中端口0的常用中斷和通過SMB30設計校驗方式、波特率及數(shù)據(jù)位長度等的控制字可參考文獻[3]。

2.2 通信系統(tǒng)硬件連接

S7-200PLC與PC機進行通信時，需要考慮通信雙方的距離問題[4]，由于標準的PC/PPI電纜長度為5m，而實際系統(tǒng)設計時，二者間距可達幾十甚至上百米，為此制定硬件連接方案，解決通信數(shù)據(jù)失真和抗干擾問題。具體方案如下：

a. RS485總線中，如果傳輸線達到一定距離，而且處于復雜的外部環(huán)境時，易受外部環(huán)境的電磁感應等干擾。而中繼器中的高效防雷管可以有效抑制閃電和ESD，其傳輸距離可達1 200m，長距離通信時可選用圖2中的方案一，利用PC/PPI電纜與RS485中繼器配合的方式進行通信。

b. 如果通信距離不是很長，可采用RS485延長線來加長通信距離。

c. 通信設備距離在5m內(nèi)時，直接用標準PC/PPI電纜進行通信連接，但要注意設置電纜的波特率等參數(shù)。

圖2 自由口通信硬件的3種連接方案

3 下位機PLC通信

該測試系統(tǒng)基于CCD攝像機的視覺定位系統(tǒng)獲取斷路器雙金屬片螺釘螺母的中心坐標，通過該坐標控制軸向移動裝置和柔性調整機構動作，進行螺釘長度在線調整。為了避免通信中各方爭用通信線，測試系統(tǒng)計算機與PLC通信時，大多采用主-從方式，即把計算機作為主機、PLC看作從機，主機主動發(fā)送請求報文，從機收到請求后返回響應報文。本設計中PC為主站，S7-200 PLC為從站。

3.1 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分配

通信協(xié)議是指PC與PLC通信時發(fā)出命令和收到應答的信息格式，通信協(xié)議包含起始字符、站號、命令字、數(shù)據(jù)、校驗碼和結束字符[5]。

該系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)單元共4個，模/數(shù)轉換后，兩個字節(jié)的整數(shù)將轉換為4個字節(jié)的實數(shù)(即工程值)，所以需要發(fā)送給上位機的數(shù)據(jù)長度為16個字節(jié)。發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存放區(qū)的劃分：VD220——發(fā)送緩沖區(qū)的指針；VB224——存放PLC發(fā)來的數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)；VB225——存放計算機計算出的異或校驗結果。

本設計采用字符接收中斷方式接收數(shù)據(jù)，即根據(jù)收到的字符個數(shù)來判斷接收是否結束，所以沒有設置結束字符，劃分接收緩沖區(qū)如圖3所示。其中，VD86是接收緩沖區(qū)的指針，PLC計算出的異或校驗值存放在VB90中，計算機發(fā)來的數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)存放在VB99中。

圖3 數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)分配

3.2 通信流程

S7-200 PLC與上位機自由口的通信主要分為以下步驟：

a. 通過SMB30.1=1或SM0.7=1方式進行自由口通信模式選擇；

b. 串口參數(shù)初始化，將操作數(shù)寫入控制字節(jié)，開中斷ENI；

c. 字符接收準備，若有傳送字符則執(zhí)行字符接收中斷子程序，并將收到的字符存入接收緩沖區(qū)；

d. 執(zhí)行發(fā)送指令XMT，將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機；

e. 完成發(fā)送后，執(zhí)行發(fā)送完中斷程序，等待下一幀數(shù)據(jù)，并轉至步驟c。

PLC通信程序流程如圖4所示。

圖4 PLC通信程序流程

PLC部分通信程序代碼如下：

/**主程序**/

LD SM0.7//自由口與PPI通信轉換

SM0.1//首次上電掃描

CALL SBR_0:SBR0//調用初始化子程序

/**初始化子程序**/

MOVB16#09,SMB30//9600bit/s，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗

MOVB 10,SMB34//定時10ms

ATCH INT_0:INT0,8//字符中斷事件8連接

ATCH INT_1:INT1,9//定時中斷事件9連接

ENI//開中斷

RCV VB100,0//指向接收緩沖區(qū)首地址

/**部分接收子程序**/

MOVB 0,VB100//清零

MOVD & VB100,VD86//指針VD86指向接收緩沖首地址VB100

MOVB SMB2,VB99//將報文數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)存在VB99

4 上位機功能開發(fā)

4.1 VB自由口通信設計

上位機設計采用VB6.0作為開發(fā)工具對斷路器中的VB與PLC通信程序進行設計。串行通信的實現(xiàn)主要是通過控件MSComm實現(xiàn)[6,7]。通信控件MSComm的屬性主要包括：CommPort，設置或返回通信端口號；PortOpen，設置或返回通信口的狀態(tài)；Setings，設置并返回通信參數(shù)；Input，返回并清除接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)；Output，向發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)。

MSComm控件對通信問題的處理主要有事件驅動方式和查詢方式兩種。事件驅動方式——相當于一般程序設計中的中斷方式，當串口發(fā)生錯誤或事件時，MSComm控件將產(chǎn)生OnComm事件，使用戶程序對該事件進行相應的處理，這種方法的優(yōu)點是可靠性高、程序響應及時。查詢方式——在程序的每個關鍵功能執(zhí)行后，在用戶程序中設計定時或不定時查詢，通過檢查CommEvent屬性值來查詢事件和錯誤，從而做出相應的處理。由于查詢方式占用的CPU時間太長。本設計中采用的是事件驅動方式。

上位機通信程序代碼及其注釋如下：

/**串口初始化部分程序**/

With MSComm1

.CommPort=1//選擇通信端口為COM1

.Settings="9600,n,8,1"http://串口通信參數(shù)設置，波特率為9600b/s，奇校驗，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位

.InBufferCount=0//清空接收緩沖區(qū)

.OutBufferCount=0//清空發(fā)送緩沖區(qū)

.RThreshold=1//接收到的字符數(shù)大于等于1就產(chǎn)生接收事件

.PortOpen=True//打開串口

/**上位機接收數(shù)據(jù)部分程序**/

rcvtemp=MSComm1.Input//讀串口到緩沖區(qū)

For i=LBound(rcvtemp)To UBound(rcvtemp)

rcvlenth=rcvlenth+1

rcv(rcvlenth)=rcvtemp(i)//將接收到的各字節(jié)放入接收字節(jié)數(shù)組

Next i

上位機發(fā)送數(shù)據(jù)程序。起始字符約定為0，結束字符約定為&HFF，校驗碼約定為報文中第二個字節(jié)與數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)各字節(jié)的異或和。程序代碼如下：

nbyte(1)=UBound(sdate)+1//發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)

fcs=nbyte(1)//異或校驗碼

For i=2 To UBound(sdate)+2

nbyte(i)=sdate(i-2)//待發(fā)送數(shù)據(jù)

MSComm1.Output=nbyte//發(fā)送

4.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)

4.2.1數(shù)據(jù)庫基本功能

為方便管理測試數(shù)據(jù)，本設計選用Access2000數(shù)據(jù)庫作為平臺，實現(xiàn)斷路器合格率及測試時間等重要參數(shù)的組織、存儲、查詢、瀏覽信息記錄及斷路器合格率的報表統(tǒng)計等功能。同時，數(shù)據(jù)表字段顯示測試時間、斷路器型號及規(guī)格參數(shù)等信息。

4.2.2數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建和鏈接

在Access中創(chuàng)建一個新數(shù)據(jù)庫，命名為“斷路器測試數(shù)據(jù)庫”，然后創(chuàng)建ODBC數(shù)據(jù)源，這個數(shù)據(jù)源包括數(shù)據(jù)庫位置、數(shù)據(jù)庫類型及ODBC驅動程序等信息。

ADO是Visual Basic程序中數(shù)據(jù)庫開發(fā)的最新內(nèi)容，用以控件鏈接數(shù)據(jù)庫。ADO可以處理不同的數(shù)據(jù)庫記錄，使應用程序具有靈活性和通用性，其中ADO中最主要的對象是Connection、Recordset和Command。Connection對象主要用于設置數(shù)據(jù)源的鏈接；Recordset對象主要用來接收和管理來自Connection數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)；Command對象設置訪問數(shù)據(jù)源所需的命令；在窗體的FormLoad事件中編寫相應的VB與Access2000數(shù)據(jù)庫鏈接。

5 通信調試

考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境不理想，周圍光線分布不均勻且工作空間狹小，有可能會影響通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以設計外加電磁擾動源(如變壓器及變頻器等)，測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性并進行調試實驗進行對比分析。測試時從VB操作界面發(fā)送字符串16##55 16##EE 16##CC 16##BB …，下位機通過查看相應存儲空間核查發(fā)送數(shù)據(jù)是否正確。經(jīng)調試分析得出在有變頻器等干擾存在的情況下，通信要加金屬屏蔽套管抗干擾，否則通信數(shù)據(jù)可能會丟失。用示波器監(jiān)測到的自由口通信數(shù)據(jù)波形如圖5所示。

圖5 自由口通信數(shù)據(jù)波形

6 結束語

筆者根據(jù)斷路器測試系統(tǒng)的控制要求，開發(fā)了基于VB與S7-200 PLC自由口模式下的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了斷路器在線檢測系統(tǒng)的實時通信、數(shù)據(jù)顯示和遠程控制，有效解決了人工操作產(chǎn)生的誤差。采用Access2000數(shù)據(jù)庫與VB操作界面動態(tài)鏈接模式，方便了測試結果的查詢和歷史趨勢分析?，F(xiàn)場調試和運行結果表明：該方法簡單、實時性好且可靠性高，同時降低了開發(fā)成本，提高了檢測的智能程度。

[1] GB 14048.5-2008,低壓開關設備和控制設備[S].北京:中國標準出版社,2008.

[2] 張揚,蔡春偉,孫明健.S7-200 PLC原理與應用系統(tǒng)設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:196～202.

[3] 甘宜洋,程武山,李小龍.水下生產(chǎn)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信[J].化工自動化及儀表,2014,41(12):1412～1416.

[4] 程武山.分布式控制技術及其應用[M].北京:科學出版社,2008:90～100.

[5] 李如甲,程武山,董林.基于RS-485的智能儀表與PLC串行通信[J].儀表技術與傳感器,2011,(8):34～36.

[6] 李江全,湯智輝,朱東芹.Visual Basic數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應用實戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社,2010:143～152.

[7] 董淑冷,茅紅偉.物料自動分揀系統(tǒng)中PLC與上位機的通信[J].計算機工程,2007,33(11):267～269.