FTO系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信處理分析
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1技術(shù)方案
1．1傳統(tǒng)通信方式
S7-300PLC采用CP341進行數(shù)據(jù)通信，CP341應(yīng)用最多的是ModbusRTU通信方式。ModbusRTU通信協(xié)議采取主從模式:由主站發(fā)出數(shù)據(jù)操作請求，從站進行響應(yīng)。整個網(wǎng)絡(luò)可以有多個從站，但是必須有且只有一個主站。若主站不發(fā)出數(shù)據(jù)操作請求，則所有從站保持靜默狀態(tài)。PLC在ModbusRTU模式中一般作為從站響應(yīng)上游的DCS主站請求。為保證fto系統(tǒng)現(xiàn)場控制盤內(nèi)的PLC與DCS主站通信成功，首先要確定從站能辨識主站的查詢請求，其次要保證從站響應(yīng)主站的報文格式正確，應(yīng)符合Mod-busRTU標(biāo)準(zhǔn)格式。
1．2程序結(jié)構(gòu)流程
在FTO系統(tǒng)的就地PLC與DCS主站通信中，采用軟件結(jié)構(gòu)化編程模擬傳統(tǒng)的硬件通信模塊固化的程序流程，主要的程序模塊有:OB1———主程序，程序組織塊，用于啟用主程序;OB80———程序組織塊，用于報告系統(tǒng)運行錯誤號;OB121、OB122———程序組織塊，用于程序容錯處理，防止PLC死機;FB7———子程序，程序功能塊，用于從總線上接收主機的請求數(shù)據(jù);FB8———子程序，程序功能塊，用于把從站數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，以響應(yīng)主機的請求;FB9———子程序，RTUSLAVE通信主程序。
1．3具體實現(xiàn)
程序組織塊OB80、OB121、OB122可直接從Step7中調(diào)用。CP341用功能塊FB7“P_RCV_RK”和FB8“P_SND_RK”分別從通信總線上接收和發(fā)送通信數(shù)據(jù)。在本通信程序中被主程序FB9調(diào)用。FB9是RTUSLAVE通信主程序，用于運行中的程序流程，由其調(diào)用FB7、FB8、FC10和FC12。起始時，F(xiàn)B9調(diào)用FB7從總線上接收主站請求的報文，通過解析報文的第一字節(jié)內(nèi)容(從站地址)，判斷地址是否與本從站一致，若不一致則直接丟棄此報文，繼續(xù)監(jiān)測總線數(shù)據(jù);若報文請求地址與本從站地址一致，則調(diào)用FC12子程序?qū)笪倪M行CRC16校驗，若校驗失敗則說明報文有誤，直接丟棄報文;若校驗通過，則繼續(xù)解析此報文請求的第二字節(jié)(功能碼)，按功能碼的請求分別轉(zhuǎn)到對應(yīng)的程序段執(zhí)行;執(zhí)行相應(yīng)的請求功能后，調(diào)用FC10進行數(shù)據(jù)移動整理，并再次調(diào)用FC12對響應(yīng)后的數(shù)據(jù)進行校驗，并將校驗碼附加到響應(yīng)數(shù)據(jù)的最后兩個字節(jié)作為響應(yīng)報文，調(diào)用FB8發(fā)送到總線供主機接收。通信程序的容錯機制采用CRC16校驗。CRC16校驗程序由于要對通信的所有數(shù)據(jù)進行逐一字節(jié)的運算，因此極其耗費CPU運算資源，經(jīng)實驗，采用PLC內(nèi)置硬件模塊處理的通信數(shù)據(jù)量達(dá)到256Byte后CPU運算時間大于掃描周期時間的概率大為增加，容易導(dǎo)致通信錯誤和CPU死機。為了不使計算時間超出PLC的最大允許掃描時間，筆者設(shè)計將計算一串?dāng)?shù)據(jù)的CRC16校驗碼任務(wù)分散到各PLC周期中去。具體做法是:每個掃描周期只進行一個字節(jié)的通信數(shù)據(jù)CRC16校驗計算，一串通信數(shù)據(jù)則依字節(jié)數(shù)分散到多個周期去做，設(shè)置一個全局變量存儲當(dāng)前的CRC16檢驗碼值，每個周期在當(dāng)前CRC16校驗碼值的基礎(chǔ)上繼續(xù)下一個字節(jié)的計算，得到新的CRC16校驗碼值，當(dāng)一串?dāng)?shù)據(jù)全部計算完畢后，當(dāng)前CRC16校驗碼值即最終值。CRC16單個字節(jié)校驗編程的具體實現(xiàn)步驟如下:
a．設(shè)置CRC寄存器，并給其賦值FFFF(hex);
b．將待校驗數(shù)據(jù)(起始位、停止位不參加計算)的第一個字節(jié)與16位CRC寄存器的低8位進行異或，并把結(jié)果存入CRC寄存器;
c．CRC寄存器向右移一位，MSB補零，移出并檢查LSB;
d．如果LSB為0則重復(fù)c，若LSB為1就把CRC寄存器與A001H相異或;
e．重復(fù)c與d直到8次移位全部完成，此時該字節(jié)數(shù)據(jù)處理完畢;
f．重復(fù)b～e直到所有數(shù)據(jù)全部處理完成;
g．最終CRC寄存器的內(nèi)容即為CRC值。FB9、FC10和FC12是通信程序核心，也是此方法的主要源代碼內(nèi)容。此程序代碼實現(xiàn)的ModbusRTU支持的功能碼為01、02、03、04、05、06、15和16。
2應(yīng)用結(jié)果
FTO系統(tǒng)中數(shù)字量為298點，模擬量為163點，單回路8個，復(fù)雜控制回路4個。為保證PLC的運行實時性，設(shè)置其極限循環(huán)掃描時間為150ms。對3種通信方式進行對比，軟件單次掃描循環(huán)方式是將通信過程中計算量最大的CRC校驗計算在一個掃描周期內(nèi)運行，運行時間為198ms，遠(yuǎn)超出了PLC極限循環(huán)掃描時間，引起CPU停機;采用傳統(tǒng)的硬件通信模塊時，掃描時間為142ms，比較接近150ms的極限，若考慮到模擬量控制回路運行時間的不確定性，則復(fù)雜工況下，也存在導(dǎo)致CPU停機的風(fēng)險;利用多個掃描周期來計算CRC校驗碼值的方式，每次循環(huán)只要89ms，保證了CPU循環(huán)掃描時間的足夠裕量，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。從通信成本投入看，尤其是對中小型PLC系統(tǒng)，軟件多次掃描循環(huán)方法是經(jīng)濟的。
3結(jié)束語
FTO系統(tǒng)運行至今，回路顯示、控制和通信數(shù)據(jù)的交換一直穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了預(yù)期目的。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法提高了PLC處理大量通信數(shù)據(jù)時的運行可靠性，保證了FTO系統(tǒng)的可靠運行，同時節(jié)省了購置PLC通信硬件的高額成本，應(yīng)用前景廣闊。
作者：馮建玉 韓靜 劉雄 姚海 寧彥初 單位：中國船舶重工集團公司第七一一研究所