基于三菱PLC的減少遠程通信時間的研究

杜寶江，過奕君，吳恩啟，喬俊偉，黃正銘

（1. 上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2. 上海光華印刷機械有限公司，上海 200436）

0 引言

印刷機械設備一種復雜的機械設備，印刷機械一旦有故障，就需要有專門的技術人員甚至工程師參與其中，這樣就大大增加了設備供應商的經濟成本，制約了企業的擴大再生產。設備供應商為了減少生產成本、節省人力資源，通常都通過基于無線互聯網技術的遠程通信技術構建機械設備遠程監測系統[1]，對遠程印刷機械設備的工業控制設備（三菱FX系列PLC）進行遠程訪問或者對其內部軟元件進行定時掃描[2]，來獲得印刷設備的各個關鍵部位的數字量或者模擬量的值。根據這些值對印刷設備的運行狀況做整體的評估。

遠程對工業控制設備內部軟元件進行訪問時，通常會有延時的情況出現，出現延時的原因大致分兩種：無線網絡通信延遲和通信規約限制造成的延遲。無線通信網絡技術現在一般都采用市場上最為先進的3G無線網絡技術。3G無線互聯網技術的傳輸速率可達2Mbps～3.1Mbps,與傳統的無線網絡相比，大大減緩了時間的延遲[3]。本文主要分析的是通信規約限制造成的延時。

1 計算機與遠程可編程控制器通信的網絡結構

目前遠程監控系統已近日臻完善，其總體的網絡結構也不外乎包含以下三部分：監控中心端網絡、介質傳輸網絡和制造現場端網絡[4]。

1）監控中心端網絡主要是局域網網絡構成，局域網中的可編程控制器的狀態數據是通過公網服務器得到的。

2）介質傳輸網絡是指傳輸遠程可編程控制器的數據通過該網絡傳輸給本地的監控中心端。介質傳輸網絡是有3G網絡所提供的網絡，它是維系本地監控中心端和遠程現場端的紐帶。

3）制造現場端網絡是通過串口線RS232或者RJ45雙絞線與介質傳輸模塊進行連接，通過串口線或者雙絞線完成對可編程控制器數據的讀取和修改。

網絡鏈路結構圖如圖1所示。

2 訪問遠程PLC傳輸數據的分析

三菱FX系列PLC是目前比較流行的一種PLC，占有比較高的市場份額[5]。本研究中使用的三菱PLC的型號是FX2N-128MR-001。

FX2N系列PLC具有兩個編程口，分別是圓形編程接口和擴展板接口。圓形編程接口一般會被占用，連接手持編程器、計算機或者觸摸屏。擴展板接口可以連接三種擴展板卡：FX2N-232-BD、FX2N-422-BD、FX2N-485-BD。

圖 1 遠程監測網絡結構鏈路圖

此研究中選用了不耗PLC電源能夠連接多種設備的FX2N-232-BD板卡[6]。

2.1 FX2N-232-BD板卡的使用

將FX2N-232-BD板卡安裝在擴展功能口處，需要通過螺釘固定在擴展口處。然后用一條標準的RS232串口線連接在介質傳輸模塊的串口接口上面。

2.2 三菱FX系列PLC的數據報文格式

由于遠程通訊是通過介質傳輸模塊進行數據傳輸的，三菱FX系列PLC通過FX2N-232-BD板卡進行通訊采用的是無協議方式，所以必須要知道PLC的數據傳輸格式即報文格式。計算機向遠程PLC發送的報文格式[6]，如圖2所示。

圖 2 發送命令的報文格式

報文中各個控制字符的含義具體如表1所示。

表1 控制字符的含義

2.3 數據報文中命令代碼的解析

計算機與遠程FX系列PLC的通信時通過“0”、“1”、“7”、“8”四個命令碼對PLC內部的軟元件進行掃描。具體如下所述：

1） “0”表示讀取軟元件的內部的狀態值，可有效讀取的軟元件有X、Y、M、S、T、C、D；特別地，表2中的DATA在此命令中只包含兩部分內容，即讀取特定軟元件的起始地址和位數。

2） “1”表示向軟元件寫入新的值，即更改軟元件寄存器的狀態值或者模擬量的值，可有效寫入值的軟元件有X、Y、M、S、T、C、D；特別地，表2中的DATA在此命令中包含三部分內容即寫入單元的首地址、寫入的位數和寫入的新值。

3）“7”表示強制位軟元件的內部的狀態值為“ON”，可強制的有效的軟元件有X、Y、M、S、T、C；特別地，表2中的DATA在此命令中值的是位地址。

4）“8”表示強制位軟元件的內部的狀態值為“OFF”，可強制的有效的軟元件有X、Y、M、S、T、C；特別地，表2中的DATA在此命令中值的是位地址。

2.4 數據報文中軟元件地址計算方法

對PLC的讀寫操作均是對PLC內部存儲單元的操作，所以如果想要完成這些操作，必須要知道軟元件的地址。三菱FX系列PLC的內部軟元件的地址除了特殊寄存器以外不能夠重新被編輯，其他都可以被重新分配單元內容，但是不同的內存區域只能存放特定軟元件的值。

各軟元件的地址按照位地址和字節地址有如下的函數式。

2.4.1 FX系列PLC中位地址的內存地址

1）輔助繼電器M的內存地址：

2）計時器T的內存地址：

3）計數器C的內存地址：

4）輸入設備X的內存地址：5

）輸出設備Y的內存地址：

對于以上各計算式有以下注釋：

AddB：位元件的地址；

i：各個軟元件編號，8進制數；

Hex[i]：將數字i轉換為16進制數；

Dec{i}：將數字i轉換為10進制數。

2.4.2 FX系列PLC中字地址的內存地址

1）數據寄存器D的內存地址：

2）計數器C的內存地址（16位存儲）：

3）計數器C的內存地址（32位存儲）：4）計時器T的內存地址（16位存儲）：

對于以上各計算式有以下注釋：

AddY：位元件的地址；

i：各個軟元件編號，8進制數；

Hex[i]：將數字i轉換為16進制數；

Dec{i}：將數字i轉換為10進制數。

2.5 FX系列PLC中軟元件內存地址的算法

根據2.4.2所介紹的內容，如果我們要想知道某一個軟元件的內存地址，只需要將該軟元件的編號（注意進制之間的轉換）代入到（1）～（9）之中對應的公式即可。注意，最后的地址是以十六進制形式出現的。

3 訪問遠程PLC響應時間的分析

遠程對FX系列PLC進行操作時，為了采取或者掃描可編程控制內部軟元件數字量或者模擬量的值，一般采用Mx component組件的動態庫來進行數據的通信。

3.1 采用Mx component組件進行通信

通過這種方法將會大大增加通信時間的延遲。

首先在對遠程可編程控制器進行通信之前，Mx component組件中的ActOpen()函數會與遠程的PLC有一個對話驗證的過程，如表2所示。

然后，當對一個軟元件的模擬量或者數字量進行更改時，遠程必須要向遠程的PLC發送三次相同的指令之后，才能完成更改軟元件值的動作，這相當于用了三倍的時間來完成更改PLC軟元件的值。

實驗數據表明正常連接上遠程的可編程控制器需要花費大約40秒的時間。大約每一次的對話與響應會花費1秒多的時間。

表2 向遠程請求連接指令

利用Mx component組件訪問遠程可編程控制器的結構圖如圖3所示。從圖中我們可以看出在遠程對可編程控制器進行掃描或者訪問的時候，可以省略掉對話部分，節省時間，但為了保證在遠程與可編程控制器時，可編程控制器時候在線，所以采用了發送測試指令的方法。當對遠程可編程控制器進行軟元件量得修改（強制ON/OFF或者修改軟元件值）時可以直接用一條指令，完成相應動作。

從圖3可以看出，在兩個虛線框處即“連接請求”和“更改軟元件值”兩處發送的指令沒有必要或者反復。可以將第一處虛線框里面的內容更改為“發送1條測試指令”。第二處虛線框處更改后的內容，如圖4所示。

更改后的局部結構圖，如圖4所示。

3.2 利用自編軟件進行通信

通過以上的分析，我們可以得出結論：直接向遠程的可編程控制器發送如圖1的報文格式。

編寫合格的報文格式可以運用各種主流的編程平臺進行編譯，例如C++, C#, VB, .NET等編程工具都能夠完成相應的要求，類似的文獻比較多，編譯方法比較接近，比較簡單。

圖3 利用Mx Component組件訪問遠程PLC

圖4 更改后的訪問PLC結構圖（部分）

按照圖4的更改方式，經過反復的實驗表明，在無線網絡的因素和計算機本身的因素恒定不變的情況下，通過向PLC發送標準的數據報文格式，不僅能夠完成操作PLC的任務，而且還能夠獲得快速的響應，與通過Mx component組件與遠程PLC進行通信相比，大大節省了時間，特別是在遠程訪問PLC時體現的尤為突出。通過Mx component組件向遠程PLC某一軟元件做讀/寫操作所花費的時間大約是1.1s～1.2s的時間，通過直接向遠程PLC發送數據報文向遠程PLC某一軟元件做讀/寫操作所花費的時間大約是0.7s～0.9s的時間。兩種方法比較后可知，后者比前者節省大約36.3%～25.0%的時間。

4 結束語

通過對FX系列PLC進行的上述通信延遲技術的研究可以顯著縮短監控中心對遠程可編程控制操作的響應時間，這在遠程監控與維護機械裝備方便具有較高的應用價值。該研究內容不僅可以運用于三菱FX系列的工業控制產品中，而且對對其他廠商工業控制設備的遠程維護研究也有借鑒價值。該研究內容已經應用于上海光華印刷機械廠的遠程維護項目中，效果良好。

[1] 沈苑, 陳曉榮, 施展. 基于GPRS技術的遠程數據采集與分析系統[J], 上海理工大學學報, 2007, 29(3):281-284.

[2] 王再河, 趙俠. 基于PLC的氣體激光器智能遠程控制系統[J], 激光與紅外, 2006, 36(12): 1133-1135.

[3] 邢麗麗. 基于3G技術的遠程輻射應急監測系統研究[J],核電子學與探測技術, 2010, 30(3): 446-450.

[4] 袁池, 楮亞萍, 谷興才, 呂恬生, 宋立博.遠程監控與維護系統及其在PC-PLC網絡上的實現[J], 上海交通大學學報, 2003, 37(3): 451-453.

[5] 柳劍, 陳於學, 楊曙年.基于編程口的三菱PLC與PC機串行通信實現[J], 自動化儀表, 2010, 31(11): 31-33.

[6] Sun Jian, Lu Peng, Fu Yaqiong, Liu Ruixiang, Chen Le.The implementation and application of programming port communication between industry PC and Mitsubishi FX series PLC[J] .Intelligent System and Knowledge Engineering, 2008, 3(1): 1324-1327.