面向精細化工流程控制的通信技術

何曉東 杜紅濤 黃嘉明

技術應用

面向精細化工流程控制的通信技術

何曉東1杜紅濤1黃嘉明2

（1.珠海市長陸工業自動控制系統股份有限公司，廣東 珠海 5190902.暨南大學理工學院，廣東 廣州 510632）

網絡實時通信是精細化工流程控制的重要基礎環節。以某生產車間精細化工流程控制系統為背景，根據生產需求，設計PC端與PLC的通信架構，并優化報文收發機制，使PLC的數據可根據系統的設定進行頻率有差異地讀取，進而提高通信效率和生產效率。該方法對中小精細化工企業流程控制具有較好的借鑒意義。

流程控制；實時通信；報文收發機制

0 引言

根據某生產車間精細化工流程控制系統的生產要求，需在PC端實時查看生產情況與下單操作。PC端通過實時通信反復輪詢讀取PLC的現場數據，解析后放置于PC端的共享內存中待用。這對PC端與PLC之間的通信效率與通信質量提出較高要求，然而數據的實時性有一定差異。PC端向PLC讀取數據時，應根據數據實時性差異有規律地讀取，從而提高通信效率。

1　流程控制系統硬件

精細化工流程控制系統從下到上分為現場層、控制層和中心管理層3個層級，包括的主要硬件如表1所示。

現場層主要包括各種傳感器、執行機構等設備，負責工業現場數據采集和執行各種控制命令。

控制層包括S7-1500系列CPU控制器，負責對采集的數據進行處理并輸出控制信號。

中心管理層包括生產線監控系統、配方管理系統與生產排單系統等。控制層與中心管理層采用工業以太網的方式通信。

2　PC端與PLC通信架構

精細化工流程控制系統的PLC采用S7-1500。首先，通過數據采集模塊把現場數據采集到PLC的數據塊，并把數據類型和讀寫頻率等級相同的數據放在相同地址塊的連續區域，以便虛設備批量讀取數據和設置掃描級別來提高通信速率[1-2]。其中，虛設備定義為記錄PLC數據塊中連續并小于1000個字節的數據地址信息與設備信息的虛擬設備[3]。

流程控制系統的通信架構圖如圖1所示。首先，初始化虛設備與虛設備隊列，并將虛設備置于虛設備隊列中，虛設備隊列用于輪詢讀取虛設備中的數據；其次，初始化寫指令隊列，寫指令隊列用于存放需進行寫操作的指令；再次，根據讀寫報文添加機制（輪詢各虛設備并按其掃描級別）調用發送與解析包生成讀寫報文，并分別將對應的讀寫報文添加到讀寫報文隊列，從而保證讀取現場數據時，實時性要求高的數據讀取頻率也高；最后，通道線程查看寫報文隊列是否存在寫報文，若存在，則把寫報文發送到指定設備并讀回結果報文，再調用發送與解析包解析是否寫操作成功；若寫報文隊列為空，則把讀報文隊列中的讀報文依次發送到指定設備并讀回結果報文，再調用發送與解析包把相應的數據解析到共享內存中待用。

圖1 流程控制系統的通信架構圖

3 虛設備與變量定義模塊

3.1 虛設備模塊設計

虛設備記錄通信數據的具體位置信息與設備信息。一個虛設備最多可存放數據塊中1000個字節連續的地址數據，而一個TCP報文長度約為1480字節，這樣讀一個虛設備的數據僅需一條讀指令即可。虛設備增加了掃描級別等字段，用于設置該設備的通信頻率[4-6]。

虛設備初始化所需的參數（以S7協議為例）如表2所示。虛設備參數定義如下：

1）虛設備名稱和虛設備編號可區分各虛設備；

2）通信驅動指采用的通信驅動名稱；

3）數據種類指數據屬于哪個數據塊，并由指定數字指代；

4）數據格式用于定義變量格式，字節（8位）、字（16位）和雙字（32位）；

5）數據具體格式包括整型、無符號整型和浮點數3種；

6）訪問方式指訪問數據的方式，分為只讀、只寫和可讀可寫；

表2 虛設備初始化所需參數表

7）開始地址和數據長度分別指數據在目標設備中的開始位置和讀取數據的總長度；

8）超時時間指虛設備生成對應的讀寫報文后發送給目標設備，目標設備在指定的超時時間內沒有返回結果報文時，將修改設備的掃描級別，使得該設備的通信頻率降低，從而減少系統異常等待的時間；

9）掃描級別是指發送讀報文的頻率等級，掃描級別包括1~10，1000，2000共12個數值，數值為1~10時，數字越小掃描頻率越高；掃描級別為1000代表該虛設備的數據只讀取一次；掃描級別為2000代表該虛設備的數據為定時讀??；

10） IP地址和端口號用于指定發送報文目標設備的IP地址和端口號。

根據系統的通信變量定義虛設備，虛設備列表如圖2所示。

圖2 虛設備列表

為簡化虛設備定義過程，雙擊虛設備列表界面即可彈出虛設備定義程序框界面，如圖3所示。

圖3 虛設備定義程序框界面

在圖3中，可輸入或選中虛設備參數，然后一鍵生成虛設備，并記錄于數據庫中。通過該方式使虛設備定義過程模板化，易于修正。

3.2 變量定義模塊設計

虛設備中每個變量代表的具體含義由變量定義模塊來完成。該模塊主要分為開關量模塊、模擬量模塊和文本量模塊[5]，它們分別用來定義大小為1個比特、1個字節和多個字節的通信變量位于指定虛設備的位置信息。

3.3 發送與解析模塊

發送與解析模塊主要完成讀寫報文生成并填充到讀寫報文隊列、解析返回報文2。通過發送與解析包里的初始化虛設備函數，將數據庫中的所有虛設備信息生成對應的虛設備對象填充到虛設備隊列中。發送和解析包含有根據虛設備向讀報文隊列添加對應的讀報文方法、根據寫指令生成寫指令報文并添加到寫報文隊列的方法、根據虛設備解析對應的讀寫報文的方法等。通過調用這些方法，使讀寫報文的生成、添加，結果報文的解析更加方便。

4 讀寫報文的添加模塊與通道線程設計

4.1 讀寫報文的添加模塊

讀報文添加通過虛設備調用發送與解析包中的相應方法，直接將該虛設備生成讀指令報文并添加到讀報文隊列中等待發送。寫指令報文根據寫指令隊列中寫指令參數生成，并將對應的寫報文添加到寫報文隊列。寫指令中記錄寫操作的位置信息、數據長度和寫數據的值等參數。

本文改進寫報文隊列的添加機制，改進部分主要體現在讀報文隊列的添加機制。通過在每個虛設備中定義掃描級別字段，不是簡單輪詢虛設備后立即調用相應方法向讀報文隊列中添加相應的讀報文，而是在輪詢過程中根據掃描級別的設定，使掃描級別等級越高（數值越低）的虛設備添加讀報文的頻率越高，從而提高實時性要求較高的數據的讀寫效率。

讀寫報文的添加規則：首先，在讀報文隊列沒滿且讀指令隊列中沒有讀指令時，輪詢虛設備隊列中的虛設備；輪詢過程中，輪詢到掃描級別為1000的虛設備時，調用發送與解析包中的方法，把對應的讀報文依次添加到讀指令隊列中，此類數據只從現場讀取一次；然后，用計數器記錄輪詢虛設備隊列的次數，初始值為1；最后，在讀報文隊列沒滿的情況下反復輪詢虛設備隊列中的虛設備，若計數器數值是輪詢虛設備掃描級別數值的倍數且掃描級別不為1000或2000時，分別調用發送與解析包中的方法，把對應的讀報文依次添加到讀指令隊列中；輪詢到掃描級別為2000的虛設備時，因該虛設備的數據為定時讀取，先看虛設備中的超時時間，判斷上次發送時間與系統時間之差是否大于等于報文中標記的超時時間，若大于等于，則調用發送與解析包中的方法，把對應的讀報文依次添加到讀指令隊列中；若小于，則跳過該虛設備繼續輪詢下一個虛設備。當寫指令隊列中存在寫指令時，調用發送與解析包中的方法，把對應的寫報文依次添加到寫指令隊列中。

4.2 通道線程設計

通道線程主要完成的工作包括：把讀寫報文隊列中的報文依次發送到具體設備中（PLC），并接收設備返回的結果報文；調用發送與解析包解析返回的數據并置于共享內存中待用；當通信出現問題時，進行日志書寫。通道線程的執行流程圖如圖4所示。

圖4 通道線程的執行流程圖

首先，開啟一個線程，初始化通道與ISO_TP連接；接著，判斷寫報文隊列中是否有寫報文，若存在寫報文，則從寫報文隊列中取出第一個寫報文，并根據該寫報文寫指令中的通道信息，把該報文發送到指定設備，在接收到返回的結果報文后，調用發送與解析包解析是否寫成功；若寫報文隊列為空，則取出讀報文隊列中的第一個讀報文，并根據該讀報文虛設備中的通道信息，把該讀報文發送到指定設備，設備返回結果報文后，通過發送與解析包解析具體數據放置于共享內存中待用。

解析過程中由于某些不確定因素，在發送讀寫報文后，可能出現較長時間沒收到返回的結果報文或返回的結果報文校驗不成功現象。若出現上述情況，將該讀寫報文重新發送到目標設備。若通信還是異常，為不影響其他報文發送，合理分配通信時間，則將該指令報文的掃描級別修改為2000（定時讀?。?。一旦通信正常后，則恢復原來的掃描級別。這樣在輪詢時通信不會進入異常等待狀態，從而提高通信效率。

5 通信結果分析

首先，通過變量模塊定義通信變量；然后，通過虛設備依次定義通信變量位于PLC數據塊中的具體位置信息，并初始化虛設備、虛設備隊列、讀指令隊列、寫報文隊列和讀報文隊列；最后，導入發送與解析包，開啟通道線程。此時PLC與PC端的實時通信完成整體搭建，PLC與PC端通信實時狀態圖如圖5所示。

由圖5的發送欄可知：不同的虛設備發送指令包的數目存在一定的差別，從而得出數據讀取的頻率可以通過配置進行改變。

圖5 通信連接狀態圖

經過多次現場測試，得到的PLC與PC端的實時通信測試結果如表3所示。

表3 PLC與PC端的實時通信測試結果

綜合以上數據分析可得：PLC與PC端的實時通信在網絡與設備狀態良好的情況下，丟包率與錯誤率都較低；丟包、錯誤與連接失敗的主要原因是現場網絡在短時間內出現延遲或網速不穩定。

6 結語

本文根據精細化工流程控制系統中數據對實時性要求存在差異的特點，設計PLC與PC端的通信架構，并實現了虛設備模塊、變量定義模塊、發送與解析模塊、讀寫報文的添加模塊和通道線程，從而使PLC端的數據根據系統設定進行有差異地讀取，進而合理配置資源，提高通信效率。

[1] 王敏,李峰.精細化工行業發展現狀及趨勢[J].云南化工, 2018,45(10):21-22.

[2] 常一帆.工業自動化控制的現狀及未來發展趨勢[J].中國管理信息化,2016,19(12):177.

[3] 李占國.化工企業液位自動化控制系統設計與實現[J].機電信息,2013(12):153,155.

[4] 李建民,熊詩波,魏晉宏.西門子S7-200與PC實時通訊的實現方法[J].太原理工大學學報,2003(4):465-467.

[5] 賈濤.西門子S7-200以太網通訊協議研究[J].電子技術與軟件工程,2014(24):30-32.

[6] 董青青.基于TCP協議的PC與西門子S7-1200PLC通信研究[J].電子測試,2019(19):76-77,79.

Communication Technology for Fine Chemical Process Control

He Xiaodong1Du Hongtao1Huang Jiaming2

(1.Zhuhai Longtec., Ltd, Zhuhai 519090, China 2.College of Science and Engineering of Jinan University, Guangzhou 510632, China)

Network real-time communication is an important part of fine chemical process control. Taking the fine chemical process control system of a production workshop as the background, according to the production demand, the communication architecture between PC and PLC is designed, and the message sending and receiving mechanism is optimized, so that the PLC data can be read differently according to the system setting frequency, so as to improve the communication efficiency and production efficiency. This method can be used for reference in process control of small and medium-sized fine chemical enterprises.

process control; real-time communication; message sending and receiving mechanism

TN914.3

A

1674-2605(2021)01-0009-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.01.009

何曉東，男，1970年生，本科，高級工程師，主要研究方向：工業自動化、信息化系統規劃。E-mail: hexiaodong@longtec.com

杜紅濤，男，1977年生，本科，工程師，主要研究方向：工業自動化、信息化系統研發。E-mail: duhongtao@longtec.com

黃嘉明，男，1995年生，本科，碩士，主要研究方向：網絡通信與信息處理。E-mail: 290045461@qq.com