基于ASCII的張力傳感器數據采集系統

周桂存

(中國石化儀征化纖股份有限公司，江蘇 儀征 211900)

在紡織化纖行業，絲束張力是一個十分重要的參數，一般將該參數的檢測作為質量控制的重要手段之一。在線張力傳感器在化纖生產中應用廣泛，德國施密特公司生產的FS系列在線張力傳感器在化纖行業有很多應用，FS系列在線張力傳感器設有RS-422數字輸出信號接口，通過配置RS-422/RS-232轉換器和該公司開發的張力檢測軟件，即可實現在PC機上顯示在線張力傳感器采集的數據。但是此張力檢測軟件的用戶界面比較單一，靈活性不夠，而且要單獨采購，增加了生產成本。

筆者通過對FS系列在線張力傳感器數字輸出接口通信協議ASCII的研究，采用基于CP341的串口通信模塊，將其信號采集到現有的S7-300 PLC上，在上位監控系統中將在線張力傳感器信號進行實時采集和記錄，以方便生產管理和絲束張力對質量影響的追蹤分析。在此，基于ASCII通信協議，介紹采用RS-422全雙工模式，通過CP341串口通信模塊對FS系列在線張力傳感器檢測數據實時采集的實現方法。

1 FS系列在線張力傳感器數據采集系統的結構①

FS系列在線張力傳感器的數據采集系統分為現場層、控制層和上位監控層，如圖1所示。現場層由FS張力傳感器組成，張力傳感器采用RS-422通信接口，單段RS-422總線上可以接1～32個張力傳感器；控制層由S7-300 PLC組成，PLC系統配置有CP341串口通信模塊，與FS張力傳感器進行RS-422通信，實現數據采集；監控層采用iFIX監控組態軟件構成操作員站，對所采集的數據進行實時顯示與超限報警，并形成歷史記錄，用于事后數據分析等。

圖1 數據采集系統結構示意圖

2 硬件連接與參數設置

2.1 串口通信模塊

圖2是FS-422張力傳感器和CP341串口模塊之間的RS-422電氣連接示意圖，采用全雙工模式。FS張力傳感器需外部供電，多臺FS張力傳感器之間通過RJ45網線并聯連接。

圖2 張力傳感器與CP341的硬件連接示意圖

2.2 張力傳感器RS-422數字輸出口定義

FS系列在線張力傳感器出廠前如無特別要求，RS-422接口默認設置為：波特率57 600bit/s，8位數據位，1位停止位，無校驗。通信設定參數用戶不能修改。

2.3 CP341參數設置

S7-300 PLC的硬件組態中需對CP341進行參數設置，通信協議選ASCII，波特率、數據位、停止位、校驗方式設置成與FS-422張力傳感器一致，字符延時時間4ms，接口界面模式選全雙工(四線制)，其他采用默認設置，保存編譯下載到S7-300 CPU硬件組態。

3 軟件

FS張力傳感器的ASCII通信發送/接收數據命令格式如下：

a. 發送數據格式，地址+功能碼，無CR或LF；

b. 接收數據格式，值+CRLF。

FS張力傳感器ASCII協議的通信代碼見表1。

表1 FS-422張力傳感器的ASCII代碼

采用ASCII協議驅動實現多站點輪詢通信。S7-300 PLC作為主站發出數據請求，張力傳感器各站作為從站應答響應，主站通過發送不同地址站點的信息幀輪詢不同從站，從站根據地址站點信息來判斷是否是發給自己的信息，是發給自己的信息即做出相應處理，否則不做處理。響應數據幀中不含地址信息，通過定時輪詢，完成后延時直接啟動下一個作業。發送或接收數據無數據校驗處理。發送數據幀和響應數據幀的格式如圖3所示，發送數據幀占2個字節，Byte1為從站地址，Byte2為功能碼；響應數據幀7個字節，Byte1～Byte5為響應值；Byte6為CR字符；Byte7為LF字符。

圖3 發送和接收數據幀格式

3.1 PLC程序

正確完成硬件接線與模塊參數設置后，通過編寫PLC程序完成與在線張力傳感器數據采集通信，S7-300 PLC主站發送數據幀由CP341的功能塊FB8實現，接收數據幀由功能塊FB7實現。為了實現對多個在線張力傳感器從站的輪詢，PLC程序中設計了一個輪詢計數器，通過修改輪詢計數器的值，來修改主站發送數據幀中的從站地址標識字符。

程序發送/接收數據輪詢時序如圖4所示，當T1=T2時占空比1∶1，T1開始時，發送數據準備，延時T11，發送數據同時清除接收數據緩沖區；T2開始時接收數據，延時T21，將數據從接收緩沖區轉移到指定的從站數據存儲區中，延時T22，修改輪詢計數器，準備輪詢下一個從站。

圖4 程序發送或接收數據的輪詢時序

從在線張力傳感器接收到的數據為ASCII字符，需將其轉換成整數類型，便于在上位機顯示記錄。如發送請求命令“d”或“s”，則從站返回數據Byte1～Byte5中Byte5為空格，Byte1～Byte4為實際響應數據，響應數據表如圖5所示。

圖5 張力傳感器響應數據表

圖5中，Byte1(千位)有3種類型的ASCII字符響應：“1～9”為數字符號；“-”為負數符號；“sp”為空格符號，表示數字“0”。對應的Byte2～Byte4響應ASCII字符如圖5所示。Byte1～Byte4字符(CHAR)轉換成整數(INT)的FC部分程序如下：

//Byte1變量轉換成整數

L #char1//檢查字符1(Byte1)的值是否在30H～39H之間

L 57

>I

JC err

TAK

L 48

JC err//如不，則轉到err

-I//計算Byte1

L 1000

*I

T #char1tmp

//Byte2變量轉換成整數

L #char2//檢查字符2(Byte2)的值是否在30H～39H之間

L 57

>I

JC err

TAK

L 48

JC err//如不，則轉到err

-I//計算Byte2

L 100

*I

T #char2tmp

//Byte3變量轉換成整數

L #char3//檢查字符3(Byte3)的值是否在30H～39H之間

L 57

>I

JC err

TAK

L 48

JC err//如不，則轉到err

-I//計算Byte3

L 10

*I

T #char3tmp

//Byte4變量轉換成整數

L #char4//檢查字符4(Byte4)的值是否在30H～39H之間

L 57

>I

JC err

TAK

L 48

JC err//如不，則轉到err

-I//計算Byte43

L 1

*I

T #char4tmp

L #char1tmp//Byte1～Byte4相加

L #char2tmp

+I

L #char3tmp

+I

L #char4tmp

+I

T #Result//Byte1～Byte4整數轉換結果

BEU

err:NOP 0

上述程序給出了當Byte1為“1～9”、Byte2～Byte4為“0～9”的ASCII字符時，字符(CHAR)轉換成整數(INT)的程序實現方法。

3.2 上位組態程序

上位監控系統采用iFIX組態軟件，通過OPC與S7-300 PLC進行以太網通信，將采集到的PLC在線張力傳感器數據在上位機上顯示、記錄、超限報警，并形成歷史記錄便于數據分析和跟蹤追溯。

4 結束語

基于ASCII通信的在線張力傳感器數據采集系統，可對多臺張力傳感器檢測數據進行實時采集，通過張力傳感器的數字輸出接口將其集成到現有的基于PLC的DCS系統中，組網方便，人機交互界面友好，數據處理靈活，系統投資成本也得以降低。現場實際使用表明，基于CP341串口通信模塊的RS-422全雙工數據采集系統，實時性好、穩定性高，為化纖產品的質量監控提供了有效手段。