人工合成金剛石系統的通信設計與實現

牛杰，何文雪，鄒鑫

(青島大學 自動化學院，山東 青島 266071 )

0 引言

隨著金剛石制備技術的發展，高品級的金剛石在工業領域得到了廣泛的應用，這使得世界各工業大國越來越重視金剛石制備技術的研究。目前，我國雖是金剛石生產大國，但在高品級單晶金剛石的生產上仍面臨重重困難，主要原因在于高品級金剛石在形核生長過程中對于溫度、氣體流量等工藝參數的控制精度比較嚴苛[1]。因此，設計一個能夠可靠快速地采集和處理過程變量的通信系統尤為迫切。

針對溫度和氣體流量過程參數的數據采集，分別對微波加熱裝置與PLC的通信和氣體流量控制裝置與PLC的通信進行設計。該設計方案可以廣泛適用于使用微波等離子CVD技術人工合成金剛石的場合，使金剛石合成過程狀態數據可視化，有利于提高合成高品級金剛石的轉化率，獲得更顯著的經濟效益。

1 通信系統硬件設計

1.1 通信系統的總體結構

通信系統主要包括上位機、微波加熱裝置、質量流量計和PLC組成。微波加熱裝置的作用是對合成金剛石氣體原料進行電離和加熱。質量流量計的作用是對多種氣體進行精確測量和控制。采用西門子S7-1200PLC，實現對設備的數據采集和自動控制。通信系統結構底層有4個質量流量計和1個微波發生器，中間是1個西門子PLC，上層是上位機監控中心。4個流量計互相串聯通過RS-485二線制與PLC相連，微波發生器通過雙絞線與PLC相連。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 硬件的選型

控制器選用西門子PLC1215C，該產品具有通信模塊集成工藝和大容量存儲器，具有集成PROFINET接口，并且可以在CPU前方加入一個信號板擴展數字或模擬量I/O[2]。擴展信號模塊選用信號板CB1241(RS-485)，僅支持RS-485電氣接口。微波加熱裝置選用法國某公司的第四代微波發生器GMP G4 60K T400，該版本具有數顯前面板，可用于本地遠程控制，具有弧光檢測和工作環境擴展測量功能，支持Profibus、CanOpen和TCP/IP通信協議，輸出微波功率為6kW。質量流量計選用定制的4種不同氣體種類的FCST1005系列常開型流量計，分別為O2(10SCCM)、Ar(10SCCM)、CH4(50SCCM)和H2(1SLM)，支持RS-485通信協議，標準通信速度為38 400bps，流量輸出信號為0～5V直流電。

2 通信系統的軟件設計

2.1 S7-1200PLC與微波發生器的通信設計

S7-1200PLC與微波發生器的通信遵循單客戶機(Client)、單服務器(Server)的通信結構[3]。在通信連接之前，需要通過數顯前面板將微波發生器通信方式設置為Modbus/TCP模式，并設置本地IP地址。

在通信連接過程中，PLC作為客戶端向服務器即微波發生器發出請求報文，服務器根據請求作出響應報文，經過程序設計處理報文數據實現數據的實時傳輸[4]。報文長度為32個字節，根據讀和寫命令請求的不同對應的報文Modbus地址編號有所不同。在對設備進行讀取操作時，報文的起始Modbus地址編號為100；在進行對設備進行寫入操作時，報文的起始Modbus地址為000。

在博圖軟件中進行程序設計時，首先設置PLC以太網地址，然后添加函數功能塊，調用MB_CLIENT指令，其作用是在客戶端與服務器之間建立連接，發送Modbus請求并接收響應[5]。對其中幾個重要參數進行說明，MB_MODE參數定義了Modbus的讀寫功能。MB_DATA_ADDR參數用于計算遠程地址的地址信息，計算方法為報文起始地址與Modbus起始地址相加。CONNECT參數指向描述連接結構的TCON_IP_v4指針，調用的所有MB_CLIENT指令的CONNECT參數指向同一連接結構指針。TCON_IP_v4指針具體設置如圖2所示。

圖2 TCON_IP_v4參數設置

對發送和接收的數據進行處理。首先添加新的數據塊，按照報文封裝數據的結構，在數據塊中創建兩個結構體變量分別存儲發送和接收的數據，發送的數據結構變量如圖3所示。

圖3 發送的數據結構體變量

調用MOVE指令，處理存儲在數據緩沖區的32個字節的報文數據使之與結構體變量內容相匹配，將處理好的數據存儲到結構體變量中，實現對微波發生器運行參數的數據采集。部分程序設計如圖4所示。

圖4 數據處理程序

2.2 S7-1200PLC與質量流量計的通信設計

PLC與質量流量計是通過RS-485兩線制主從通信連接的方式進行數據傳遞[6]。西門子S7-1200作為通信主機，從信號板CB1241(RS-485)處接出的RS-485通信鏈路掛接4個從站節點，4個質量流量計作為從站通過RS-485通信口相互串聯，如圖5所示。

圖5 質量流量計接入PLC端口配置圖

在通信連接之前，通過FCS_MACIDset軟件對各個質量流量計的MACID物理地址進行設置，以便通信時通過不同的MACID地址號尋找相應的從站，來發送請求指令[6]。將4個質量流量計的MACID地址分別設置為Ox21、Ox22、Ox23和Ox24。控制模式參數Control Mode設置為Digital Mode(數字量控制模式)。

PLC與各質量流量計通過RS-485通信的方式進行連接，通信過程中的數據傳輸幀格式如圖6所示。

圖6 數據傳輸幀格式

根據主站發出讀取和寫入命令請求的不同，從站的應答機制也有所不同，因此通信過程中數據傳輸幀的格式也有所不同[7]。當主站在對從站進行數據讀取命令請求時，命令幀數據格式由Master MACID、STX、Command Code、Packet Length、Class ID、Instance ID、Attribute ID、Pad和Checksum 9個部分組成，長度為9個字節。從站在成功接收到命令請求后，會在1 ms內作出應答響應，包括1個字節的ACK(=Ox06)響應碼和11個字節的數據傳輸幀，因此響應幀總長度為12個字節。當主站在對從站進行數據寫入命令請求時，命令幀數據格式為一般數據傳輸幀格式，字節長11個字節，如圖6所示。從站成功應答命令請求后只會返回2個字節長度ACK(=Ox06)表示數據已成功寫入。

采用輪詢的方式對4個質量流量計發送命令請求，分別獲取各個質量流量計的相關參數數據。通過參照命令功能表，對命令幀中的相關參數進行設置來獲取質量流量計的特定參數數據。當主站發送命令請求獲取IndicatedFlow參數數據時，命令幀中對應的Class ID、Instance ID、Attribute ID參數應分別設置為Ox6a、Ox01、Oxa9。當命令請求獲取Setpoint參數數據時，則命令幀中對應參數應分別設置為Ox69、Ox01、Oxa4。

在博圖(TIA portal)軟件中進行程序設計，首先調用點到點通信發送指令SEND_PTP,其作用是建立通信連接，發送通信緩沖區數據。接收來自質量流量計的響應數據幀時，調用RCV_PTP指令，其作用是接收從站返回的響應幀數據并儲存在緩沖區內[8]。其中BUFFER參數作為地址指針指向命令幀數據。

綜上所述，根據命令幀數據格式的設置規則，當讀取#21質量流量計的Setpoint參數數據時，命令幀數據的長度為9個字節，具體參數設置如圖7所示；當寫入質量流量計的Setpoint參數數據時，命令幀數據的長度為11個字節，具體參數設置如圖8所示。

圖7 讀取Setpoint參數命令幀設置

圖8 寫入Setpoint參數命令幀設置

根據從站應答響應機制的不同響應幀長度有所不同，接收讀取響應幀時數據緩沖區長度應為12個字節，接收寫入響應幀時接收數據緩沖區長度應為2個字節。SEND_PTP指令與RCV_PTP指令必須成對調用才能完成一個完整的命令請求與響應應答的通信過程。兩個指令不可同時作用，上一個指令結束后，下一個指令才能導通。用戶可以根據現場工藝具體要求，自行選擇需要獲取的質量流量計相關參數，確定需要調用的指令組數。

3 上位機畫面設計

系統設計的上位機畫面的作用主要在于西門子S7-1200PLC與各個質量流量計成功建立通信連接后，測試通信數據是否正常以及實現實時監控系統內各個設備的運行狀態和參數。在西門子TIA portal環境中，組態PLC與PC station設備與網絡結構，上位機組態結構如圖9所示。

圖9 上位機組態結構圖

在PC station中的WinCC RT Advanced組態設備下設計了質量流量計控制與顯示畫面，如圖10所示。

圖10 質量流量計控制與顯示畫面

4 結語

通過分析Modbus/TCP協議的報文結構以及RS-485通信協議的數據傳輸幀格式，分別針對單客戶端服務器結構以及一主多從結構的通信結構，實現了PLC與微波電源以及質量流量計之間的通信系統設計。所設計的系統解決了金剛石合成過程中數據反饋不及時的問題，有利于提高合成高品級金剛石的轉化率和產量。該系統已在現場運行，滿足了金剛石合成過程中對過程變量的監控要求。