利用Visual Basic和PLC開發(fā)小型自控系統(tǒng)

　摘要：本文通過分析啤酒稀釋自控系統(tǒng)這一實例，介紹了利用微軟Visual Basic的串口通信控件MSComm和小型PLC開發(fā)小型自控系統(tǒng)的方法。
關(guān)鍵詞：串行通信、三菱FX、Visual Basic、自控系統(tǒng)
一． 前言
隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，可編程序控制器PLC得到了廣泛的應(yīng)用，特別是小型PLC具有編程簡單、性能可靠和價格低的特點，被大量應(yīng)用于單機控制系統(tǒng)中，如啤酒的稀釋控制、離心機控制等。作為設(shè)備維修技術(shù)人員，一般都能掌握PLC和計算機PC的應(yīng)用知識，但如何利用PLC和PC來設(shè)計小型自控系統(tǒng)，實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控操作，從而滿足生產(chǎn)需要，卻是一個要深入學(xué)習(xí)研究的問題。
面向生產(chǎn)操作，設(shè)計簡單有效的控制系統(tǒng)，涉及到三部分的軟件編程：
第一：PC上人機操作界面的設(shè)計。PC作為上位機，一般都是運行在Windows 98/2000操作系統(tǒng)下，利用微軟提供的可視化編程軟件Visual Basic 6.0，設(shè)備維修技術(shù)人員就可設(shè)計出優(yōu)美的人機操作界面，只需進行主要操作功能編程和少量界面控制編程。
第二：實現(xiàn)生產(chǎn)工藝要求的PLC控制程序設(shè)計。因為是小型控制系統(tǒng)，其生產(chǎn)控制過程并不復(fù)雜，技術(shù)人員只要充分了解了生產(chǎn)工藝和控制要求，運用PLC編程工具，此部分設(shè)計編程并不難。
第三：PC與PLC通訊程序的設(shè)計。此部分的開發(fā)設(shè)計較難，需要掌握PC和PLC的有關(guān)通訊硬件驅(qū)動和通訊協(xié)議的知識。但對于小型控制系統(tǒng)來說，主要通過PC串口來通訊，所以通訊程序設(shè)計的關(guān)鍵是如何利用Visual Basic 6.0中的串口通信控件——MSComm控件，并根據(jù)PLC的串口通信協(xié)議設(shè)計出上下位機的數(shù)據(jù)交換程序。
下面以啤酒稀釋自控系統(tǒng)設(shè)計為例，主要講解PC和PLC通訊程序的設(shè)計要點。
二． 啤酒稀釋自控系統(tǒng)設(shè)計分析
1. 啤酒稀釋控制要求
啤酒稀釋是啤酒生產(chǎn)中一個重要環(huán)節(jié)，通過把高濃度的酒液與脫氧水按比例混合成稀釋酒，從而提高啤酒產(chǎn)量和增加啤酒品種，稀釋的控制過程很簡單，主要步驟有：
1) 輸入高濃度的濃度A和稀釋后要達到的濃度B ；
2) 計算出加水量的百分比 [(B-A) / A]*100% ；
3) 根據(jù)此百分比和高濃酒的瞬時流量，計算出脫氧水要達到的流量；
4) 比較水的瞬時流量和計算出的流量，來控制水調(diào)節(jié)閥的開度，使水瞬時流量等于計算流量。
由于酒和水的瞬時流量是變化的，所以3）、4）步要反復(fù)進行。以上所有的計算功能和PID調(diào)節(jié)功能都由PLC完成。
2. 啤酒稀釋的人機操作界面：
人機操作主要用來輸入啤酒濃度數(shù)據(jù)、操作命令，直觀顯示各種流量數(shù)據(jù)并記錄偏差曲線，界面圖如下：
3. 硬件配置
本例子中上位機PC選用聯(lián)想奔騰Ⅱ品牌機，外加RS232轉(zhuǎn)RS485通訊轉(zhuǎn)換卡。下位機PLC選用三菱FX2N-16MR，另加模擬輸入模塊FX2N-2AD 和模擬輸出模塊FX2N-2DA各一塊,外加一個485串口通訊模塊PC-485BD。
三． PC與PLC通訊程序設(shè)計分析
在分析具體的VB通訊程序之前，先要介紹有關(guān)VB串口通信控件MSComm的應(yīng)用知識和三菱PLC 通訊協(xié)議。
1. MSComm控件簡介
如圖所示是Mscomm控件的圖標(biāo)。
它可以用來提供簡單的串行端口通信功能，也可以用來創(chuàng)建功能完備、事件驅(qū)動的高級通信工具。Mscomm控件提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令的使用界面。使用它可以建立與串行端口的連接，通過串行端口再連接到其它設(shè)備（如調(diào)制解調(diào)器、PLC），發(fā)出命令，交換數(shù)據(jù)，以及監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的事件和錯誤。
2. MSComm控件的基本屬性
MSComm 控件有很多重要的屬性，基本屬性如下：
屬性 描述
CommPort 設(shè)置并返回通訊端口號。
Settings 以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位。
PortOpen 設(shè)置并返回通訊端口的狀態(tài)。也可以打開和關(guān)閉端口。
Input 從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符。
Output 向傳輸緩沖區(qū)寫一個字符串。
如下程序打開串行端口COM1
MSComm1.CommPort = 1 使用 COM1
MSComm1.Settings = "9600,N,7,1" 9600波特率，無奇偶校驗，7位數(shù)據(jù)，一個停止位。
MSComm1.PortOpen = True ''打開端口，開始通信。
3. MSComm控件的通信方式
通信控件有2種不同的方式來處理和解決各類通信軟件的開發(fā)和設(shè)計問題。
（1） 事件驅(qū)動
事件驅(qū)動通訊是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。在許多情況下，在事件發(fā)生時需要得到通知，例如：當(dāng)線路數(shù)據(jù)到達本端或CD線和RTS信號線狀態(tài)發(fā)生變化時，要求我們使用相應(yīng)的事件來跟蹤和出理。在這些情況下， Mscomm控件將觸發(fā)OnComm事件,CommEvent屬性值也將被改變。所以在OnComm事件中讀取CommEvent屬性值就可以檢測和處理通信錯誤等方面的問題。
（2）查詢方式
利用定時器控件Timer，我們可以設(shè)計程序每隔一段時間去讀取CommEvent的值并處理所發(fā)生錯誤和事件。
4. 本實例中采用的通訊方式
在本例子中，PC與PLC 采用無握手協(xié)議的串行通信，它們只用兩根數(shù)據(jù)線 TD和RD、一根信號地線連接，數(shù)據(jù)通信采用查詢方式。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，PC需發(fā)送兩種類型的命令：
(1) 周期性命令，它由定時器觸發(fā)引起，每隔0.5秒發(fā)送一次。用它來向PLC查詢實時顯示的數(shù)據(jù)。如酒、水的瞬時流量，調(diào)節(jié)閥開度等。
(2) 非周期性命令，它由操作者按動命令按鈕引起，非周期性發(fā)送。用它來傳送輸入?yún)?shù)、操作命令給PLC 。
在啤酒稀釋的人機操作界面中，有運行時不可見的通信控件（MSComm1）一個、定時器控件一個Timer1。通信控件（MSComm1）用于初始化串口數(shù)據(jù)并打開串口；定時器控件（Timer1）用于每隔0.5秒執(zhí)行通訊命令，把查詢命令從PC發(fā)送到PLC，同時接收PLC返回的應(yīng)答數(shù)據(jù)。設(shè)計通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送和查詢功能，必須掌握PLC所遵循的通訊協(xié)議。
5. 三菱FX系列PLC通訊協(xié)議
三菱FX系列PLC共有四種通信模式，本實例采用的是PLC與計算機專用協(xié)議通信方式（無須PLC編程，電腦直接讀寫操縱PLC），其通訊命令字和通訊格式介紹如下：
PC發(fā)送給PLC的通信命令字
命令字 注釋
BR 以1點為單位，讀出位元件的狀態(tài)
WR 以16點為單位，讀出位元件的狀態(tài)，或以1字為單位，讀出字元件的值
BW 以1點為單位，寫入位元件的狀態(tài)
WW 以16點為單位，寫入位元件的狀態(tài)，或以1字為單位，寫入值到字元件
BT 以1點為單位，設(shè)置/復(fù)位 位元件
WT 以16點為單位，設(shè)置/復(fù)位 位元件，或以1字為單位，寫入值到字元件
RR 控制PLC運行RUN
RS 控制PLC停止STOP
PC 讀出PLC設(shè)備類型
TT 連接測試
PC發(fā)送給PLC的通信命令格式
約定說明：ENQ為請求標(biāo)志，ASCII值5,VB中以chr(5)表示；
　　　　　ACK為正確標(biāo)志，ASCII值6,VB中以chr(6)表示；
　　　　　STX為請求標(biāo)志，ASCII值2,VB中以chr(2)表示；
　　　　　EXT為請求標(biāo)志，ASCII值3,VB中以chr(3)表示；
　　　　　表格中粗體字為需要求和效驗的部分；
　　　　　和效驗為每一項的ASCII值的總和轉(zhuǎn)換成十六進制后，取其低兩位；
　　　　　站號、PLC號、元件數(shù)量、和效驗都是以十六進制表示；
　　　 等待延時為0-150毫秒,以十六進制0H-FH表示，如100ms為AH。
1) 批量讀出位元件—BR指令格式
1 2 3 4 5 6 7 8 15 16 17
PC側(cè)： ENQ 站號 PLC號 BR 延時 首地址 數(shù)量 和校驗 ACK 站號 PLC號
PLC側(cè)： STX 站號 PLC號 數(shù)據(jù) EXT 和校驗
9 10 11 12 13 14
例如：要讀出站號為5的PLC的X40到X44共5點的狀態(tài)值，延時100毫秒，假設(shè)PLC中X40與X43為OFF，其余為ON，則指令數(shù)據(jù)如下：
注釋： 請求 站號 PLC號 命令 延時 元件首地址 元件數(shù)量 和校驗
代碼： ENQ 0 5 F F B R A X 0 0 4 0 0 5 4 7
ASCII碼： 05H 30H 35H 46H 46H 42H 52H 41H 58 30H 30H 34H 30H 30H 35H 34H 37H
只要將以上代碼以字符串形式（VB中可以表示為chr(5)&”05FFBRAX00400547”）發(fā)送到PLC，就會有正確的回應(yīng)信息，如下：
注釋： 頭 站號 PLC號 位元件狀態(tài)值 尾 和校驗
代碼： STX 0 5 F F 0 1 1 0 1 EXT E 7
ASCII碼： 02H 30H 35H 46H 46H 30H 31H 31H 30H 31H 03H 45H 37H
2) 批量讀出字元件—WR指令格式
1 2 3 4 5 6 7 8 15 16 17
PC側(cè)： ENQ 站號 PLC號 WR 延時 首地址 數(shù)量 和校驗 ACK 站號 PLC號
PLC側(cè)： STX 站號 PLC號 數(shù)據(jù) EXT 和校驗
9 10 11 12 13 14
該命令使用與BR命令相同。
3) 批量寫入位元件—BW指令格式
1 2 3 4 5 6 7 8 9
PC側(cè)： ENQ 站號 PLC號 BW 延時 首地址 數(shù)量 寫入值 和校驗
PLC側(cè)： ACK 站號 PLC號
10 11 12
4) 批量寫入字元件—WW指令格式
1 2 3 4 5 6 7 8 9
PC側(cè)： ENQ 站號 PLC號 WW 延時 首地址 數(shù)量 寫入值 和校驗
PLC側(cè)： ACK 站號 PLC號
10 11 12
6. VB通訊功能塊設(shè)計分析
根據(jù)三菱PLC的通訊指令格式，在PC中編寫數(shù)據(jù)查詢功能塊RevData( )和數(shù)據(jù)發(fā)送功能塊SendData( )，就可以在定時中斷處理塊TIMER1( )中調(diào)用查詢功能塊RevData( )，實現(xiàn)PC界面數(shù)據(jù)定時刷新；在每一次操作命令執(zhí)行時，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送功能塊SendData( )，把控制值寫入PLC中，從而實現(xiàn)控制。下面給出這兩個功能塊的設(shè)計程序。
1) 查詢數(shù)據(jù)函數(shù)RevData( )
（沒有和校驗）
Sub RevPLC (iNo As String, iType As String, iAdd As String, iNum As String)
'' iNo為PLC站號，iType為元件類型，iAdd為首地址，iNum為元件數(shù)量
Dim Stmp As String
Dim cha, j As Integer
Dim ChaCount As Integer
Dim Comm As String
Select Case iType
Case "D" ''查詢數(shù)據(jù)寄存器的值
Comm = "WR" ''命令類型：數(shù)據(jù)字讀
cha = Val("&H" & iNum) * 4 ''數(shù)據(jù)寄存器的值為十六進制表示，占4個字符
Case "M", "X", "Y" ''查詢繼電器觸電的值
Comm = "BR" ''命令類型：二進制位讀
cha = Val("&H" & iNum)
End Select
iAdd = Right$("000" & iAdd, 4)
iNum = Right$("0" & iNum, 2)
Stmp = Chr$(5) & iNo & "FF" & Comm & "A" & iType & iAdd & iNum ''輸出命令格式
ChaCount = 6 + cha ''要返回字符個數(shù)
main.MSComm1.InBufferCount = 0 ''輸入緩沖區(qū)清零
main.MSComm1.Output = Stmp ''設(shè)傳送緩沖區(qū)內(nèi)容為命令格式
Now=Second()
Do
DoEvents ''轉(zhuǎn)讓控制權(quán)，以便讓操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸
If Second()-Now>1 Then Exit Sub
Loop Until main.MSComm1.InBufferCount = ChaCount ''當(dāng)接收到規(guī)定字符時停止循環(huán)
RevDataTmp = Mid$(main.MSComm1.Input, 6, cha) ''返回數(shù)據(jù)字符串保存在全局變量
''RevDataTmp中
End Sub
2) 發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)SendData( )
（沒有和校驗）
Sub SendPLC(iNo As String, iType As String, iAdd As String, iNum As String, iValue As String)
'' iNo為PLC站號，iType為元件類型，iAdd為首地址，iNum為元件數(shù)量，iValue為寫入值
Dim Stmp As String
Dim Comm As String
Select Case iType
Case "D" ''寫數(shù)據(jù)寄存器的值
Comm = "WW" ''命令類型：數(shù)據(jù)字寫
iValue = Right$("0000" + Hex$(Val(iValue)), 4) ''寫入值轉(zhuǎn)換成十六進制表示
Case "M" ''寫繼電器觸點的值
Comm = "BW" ''命令類型：二進制位寫
End Select

iAdd = Right$("000" & iAdd, 4)
iNum = Right$("0" & iNum, 2)
Stmp = Chr$(5) & iNo & "FF" & Comm & "A" & iType & iAdd & iNum & iValue ''輸出命令格式
MSComm1.Output = Stmp ''輸出命令到傳送緩沖區(qū)
Now= Second()
Do
DoEvents ''轉(zhuǎn)讓控制權(quán)，以便讓操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸
If Second()-Now>1 Then Exit Sub
Loop Until main.MSComm1.OutBufferCount = 0 ''當(dāng)命令傳送完時停止循環(huán)
End Sub
四． 總結(jié)：
生產(chǎn)自控系統(tǒng)的設(shè)計要解決好三部分的問題：PC上人機操作界面的編制，PC與PLC的通信程序編寫，PLC生產(chǎn)控制程序的編寫。對于串行通信的單機自控系統(tǒng)，因為具有操作界面和生產(chǎn)工藝流程簡單的特點，所以利用Visual Basic設(shè)計操作界面和利用PLC編程語言設(shè)計生產(chǎn)控制程序都比較方便，但對如何編寫通信程序就比較陌生，也沒有許多相關(guān)資料可學(xué)習(xí)。本文介紹的方法簡單、實用，供各位參考。利用通信控件MSComm的OnComm事件和CommEvent屬性還可以設(shè)計出功能更完善的通信程序。