西门子模块6AV2123-2MA03-0AX0性能参数
1 引言
移液器是实验室研究和工业生产中的一种较的分液设备,通过换不同规格的取样嘴并对移液器实施通信控制,可完成液体的定量吸排。本文专门研究了西门子S7-200系列PLC和百得rLINE1000移液器进行自由口串行通信的方法,实现了PLC对移液器的通信控制,包括定量吸排和取样嘴弹出控制。
2 移液器的串行通信口
芬兰百得公司的rLINE1000线控移液器是一个由微处理器控制的系统,它具有优异的结构和高的液体处理性能,移液准确,精密性高,并且可以通过计算机串口进行通信。百得rLINE1000移液器采用双排14引脚电缆连接器作为电源和通讯接口,其连接器信号如图1所示。
百得rLINE1000移液器串行通信口连接器信号图
百得rLINE1000移液器的每个模块都配备了带有RS232驱动程序的通用串行接口。RS232接口由接收数据(接收数据RXD,引脚5),传输数据(发送数据TXD,引脚6 )和接地信号(接地GND,引脚8 )组成。其通信波特率可以在9600bps与115.2 kbps之间改变, 但8位数据位、1位停止位和无奇偶校验是固定的。每个模块都使用相同的波特率。计算机等控制器可通过其RS232通讯接口向移液器发送ASCII码命令并接收移液器返回的ASCII码信息。通过PLC可编程控制器给移液器发控制命令实现定量吸液、定量排液和取样嘴弹出操作,其控制命令如表1所示。
上表中“I”字符代表吸取,“O”字符代表排除,其紧跟的后面三个字符代表体积量。
3 S7-200系列PLC的通信
S7-200系列PLC支持多种通信模式。点对点接口(PPI)、多点接口(MPI)、PROFIBUS、自由口串行通信等,它们都是基于字符的串行异步通信协议,带有起始位、8位数据、奇偶校验位(可选)和一个停止位。在自由口串行通信模式中,用户自定义与其他串行通信设备的通信协议,通过使用接收中断、字符中断、发送指令(XMT)和接收指令(RCV),实现S7-200PLC的CPU通信口与其它设备的通信。
通过将S7-200 PLC的特殊功能寄存器SMB30和SMB130的协议选择域置1,将通信端口设置为自由口通信模式。SMB30用于设置端口0的通信波特率和奇偶校验的参数,SMB130用于设置端口1的通信波特率和奇偶校验的参数。
通过向SMB30或SMB130(SMB30用于设置端口0,而SMB130用于设置端口1)的协议选择位置1,可以将通信端口置为自由口通信模式。SMB30或SMB130还用于设置通信波特率、奇偶校验位、数据位。只有PLC处于RUN模式时,才能使用自由口通信模式,当CPU处于STOP模式时,自由口模式被禁止,自动进入PPI模式,可以与编程设备通信。为保证CPU处于RUN模式时进入自由口通信,可以采用S7-200 PLC的特殊寄存器位SM0.7来控制自由口通信方式的进入,当SM0.7为1时,CPU处于RUN模式,进入自由口通信模式。
在自由口通信模式下发送指令XMT将数据缓冲区(TBL)的数据通过的通信端口(PORT)发送,TBL发送区的格式如图所示,起始字符和结束字符是可选项,个字节“字符数”是要发送的字节,它本身并不发送出去。发送指令XMT可以方便的发送1~256个字符,如果有中断程序连接在发送结束事件上,则在发送完数据缓冲区的后一个字节后,端口0会产生中断事件9,端口1会产生中断事件26。可以监视发送状态完成状态位SM4.5和SM4.6的变化。
接收指令RCV可以方便的接收一个或多个字符,多接收255个字符,如果有中断程序连接到接收结束事件上,在接受后一个字符时,端口0产生中断事件23,端口1产生中断事件24。可以监视SMB86或SMB186的变化,而不是通过中断进行报文接收。SMB86或SMB186位非零时,RCV指令未被或接收已经结束。在自由口通信模式下接受指令RCV通过的端口(PORT),将接收的数据信息存储在数据缓冲区(TBL)中。
4 移液器和S7-200 PLC的串行通信
如何实现S7-200PLC对百得rLINE1000移液器的控制并进行数据的采集和处理是研究的和难点。百得rLINE1000移液器通讯接口为RS232方式,不宜远距离传输,而通过有源模块RS232/RS485转换后,将RS232信号转换为RS485信号,即完成与S7-200 PLC的RS485信号进行通信,可实现远距离信号传输。
在S7-200 PLC的自由口通信模式中,用户可以定义通信口的波特率、每个字符的位数、奇偶校验等参数发送数据。根据实际情况的需要,将S7-200PLC和百得rLINE1000移液器之间的通信协议数据设置为波特率9600,数据位8位,1位停止位,无校验位。并通过自由口通信发送命令实现定量吸液、定量排液和取样嘴弹出操作等。
将百得rLINE1000移液器和S7-200 PLC之间通过一个RS232转RS485模块,实现了两者之间的硬件连接。
5 S7-200 PLC的发送和接收程序
S7-200 PLC的发送程序分为设置其自由口通信参数的程序,并发送移液器能够接收的定量吸液、定量排液和取样嘴弹出操作的命令,该程序通过S7-200 PLC的特殊功能寄存器SM0.1上电初始化完成。
系统上电后,S7-200 PLC写入其自由口通信的各个参数,设置为串口1通信,波特率为9600,数据位8位,无校验位,1位停止位,使其与百得rLINE1000移液器的通信方式一致。并且发送接收信息的控制字节,程序如下:
LD SM0.1 //
MOVB 16#09, SMB130 // 串口1,无校验位,八位数据位,自由口通信
//S7-200 PLC对移液器发送吸液、排液、复位和弹出取样嘴的命令分别如下:
LD SM0.1
MOVB 9, VB100
MOVD 16#01315249, VD101
MOVD 16#31303002, VD105 // 发送移液器吸取2.5ml液体命令
MOVB 16#0D, VB109
LD SM0.1
MOVB 9, VB120
MOVD 16#0131524F, VD121
MOVD 16#30353002, VD125 // 发送移液器排除1.25ml液体命令
MOVB 16#0D, VB129
LD SM0.1
MOVB 6, VB140
MOVD 16#01303143, VD141 // 发动移液器复位命令
MOVW 16#210D, VW145
LD SM0.1
MOVB 6, VB160
MOVD 16#01315245, VD161 // 发送推出取液嘴的命令;
MOVW 16#020D, VW165
6 结束语
在实际调试过程中,利用了串口调试助手将计算机与百得rLINE 1000移液器连接调试,然后将S7-200 PLC与移液器连接,进行串行通信控制,实现了液体的定量吸排和取样嘴弹出操作。
PLC都具有自诊断功能,当PLC异常时应该充分利用其自诊断功能以分析故障原因。一般当PLC发生异常时,请检查电源电压、PLC及I/O端子的螺丝和接插件是否松动,以及有无其他异常。然后再根据PLC基本单元上设置的各种LED的指示灯状况,以检查PLC自身和外部有无异常。下面以FX系列PLC为例,来说明根据LED指示灯状况以诊断PLC故障原因的方法。
1.电源指示([POWER]LED指示)
当向PLC基本单元供电时,基本单元表面上设置的[POWER]LED指示灯会亮。如果电源合上但[POWER]LED指示灯不亮,请确认电源接线。另外,若同一电源有驱动传感器等时,请确认有无负载短路或过电流。若不是上述原因,则可能是PLC内混入导电性异物或其他异常情况,使基本单元内的保险丝熔断,此时可通过换保险丝来解决。
2.出错指示([EPROR]LED灯亮)
由于PLC内部混入导电性异物或受外部异常噪音的影响,导致CPU失控或运算周期过200ms,则WDT出错,[EPROR]LED灯亮,PLC处于STOP,同时输出全部都变为OFF。此时可进行断电复位,若PLC恢复正常,请检查一下有无异常噪音发生源和导电性异物混入的情况。另外,请检查PLC的接地是否符合要求。
检查过程如果出现[EPROR]LED灯亮→闪烁的变化,请进行程序检查。如果[EPROR]LED依然一直保持灯亮状态时,请确认一下程序运算周期是否过长(监视D8012可知大扫描时间)。
如果进行了全部的检查之后,[EPROR]LED的灯亮状态仍不能解除,应考虑PLC内部发生了某种故障,请与厂商联系。
3.输出指示
不管输出单元的LED灯亮还是灭,如果负载不能进行ON或OFF时,主要是由于过载、负载短路或容量性负载的冲击电流等,引起继电器输出接点粘合,或接点接触面不好导致接触不良。
4.输入指示
不管输入单元的LED灯亮还是灭,请检查输入信号开关是否确实在ON或OFF状态。如果输入开关的额定电流容量过大或由于油侵入等原因,容易产生接触不良。当输入开关与LED灯亮用电阻并联时,即使输入开关OFF但并联电路仍导通,仍可对PLC进行输入。如果使用光传感器等输入设备,由于发光/受光部位粘有污垢等,引起灵敏度变化,有可能不能进入“ON”状态。在比PLC运算的时间内,不能接收到ON和OFF的输入。如果在输入端子上外加不同的电压时,会损坏输入回路。
5.出错指示([EPROR]LED闪烁)
当程序语法错误(如忘记设定定时器或计数器的常数等),或有异常噪音、导电性异物混入等原因而引起程序内存的内容变化时,[EPROR]LED会闪烁,PLC处于STOP状态,同时输出全部变为OFF。在这种情况下,应检查程序是否有错,检查有无导电性异物混入和高强度噪音源。
发生错误时,8009、8060~8068其中之一的值被写入特殊数据寄存器D8004中,设这个写入D8004中内容是8064,则通过查看D8064的内容便可知道出错代码。与出错代码相对应的实际出错内容参见PLC使用手册的错误代码表。
随着PLC技术的发展,PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同,适用的场合也各有侧重。因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型的选择
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证、维护方便的前提下,力争的性能价格比。选择时主要考虑以下几点:
1.理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。
2.安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、;远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但要附加通讯模块。
3.相应的功能要求
一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或PLC。但是中、PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
4.响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
5.系统性的要求
对于一般系统PLC的性均能满足。对性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
6.机型尽量统一
一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题:
1)机型统一,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。
2)机型统一,其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
3)机型统一,其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
1 物联网宽带PLC家电系统及网络构成
物联网宽带PLC电力线载波通信家电是将家电本身的一些信息,通过电力线发送到PLC网关,PLC网关再将家电发送的数据信息通过互联网发送到所需要的地方,同时又可以将用户的需求通过互联网发送PLC网关,PLC网关将需求命令数据通过电力线发送给PLC家电,家电按照用户的需求指令进行运行、反馈运行信息等。
物联网宽带PLC家电系统网络包括感知层、PLC通讯层、网络层、应用层等几部分。其物理构成如图1所示。其中冰箱、热水器等接收用户可以通过手机、PAD、电脑等发送查询、控制命令,同时冰箱、热水器等家电再根据用户的指令信息返同用户需要的数据给手机、PAD、电脑等设备。由于网关及家电都内置PLC模块,故此处的不再通过无线或网线等传统方式,而是直接采用电力线进行传输并且由于采用了PLC通讯,热水器、空调等家电设备还可以设计成显示板与整机分离,即方便操作,又能给用户带来舒适的体验。
2 电力线载波通信(PLC)物联网家电的特点
PLC物联网家电异于普通的家电设备,也异于远程抄表系统。由于数据的传输依靠电力线,并且家电设备直接面对用户来进行操作、显示,故要求各个家电设备具有适当的感应、传输速度、较强抗干扰能力、互联互通、自动组网、较高的通讯性、适度的传输距离等。
适当的感应、传输速度针对不同的家电,传输的数据速度要求往往不同。如一般的热水器、洗衣机、冰箱、空调等不需要传输图像、声音的家电,10 k以内的传输速度足够。而针对物联电视、电脑等视频设备则需要几百k以上的传输速率。
较强的抗干扰能力一般指在一定的范围内,如果存在多个PLC设备或者电力线上存在和传输频率相同的干扰时,每个设备问能够正常通讯而不被其它影响。
互联互通(M2M)指物联网家电之间、Internet与物联网家电之间能够互相通讯,传递相关信息,只有这样才能实现“人在外家就在身边、人在家世界就在眼前”。
自动组网指通过一定的措施,使需要互联互通的家电能够自己选择组成一个网络,且不与不需组网的PLC设备组网。
较高的通讯性指联网家电有效地进行通讯,而不能像远程抄表那样,因为一次通讯成功率低而不得不多次抄读,而物联网家电则要求满足人们对操控、欣赏的舒适性要求。
适度的传输距离指一般互联互通的家电在同一住户内,如果传输距离太远,则用户数量多的时候很容易影响到其他用户,但控制在200 m以内,则不会对其他用户的使用产生太多的影响。
3 物联网宽带PLC家电系统的设计
基于PLC物联网家电的特点,技术是PLC通讯的技术,本设计实现方案主要从以下几方面来讲述在物联网家电中如何通过PLC通讯实现家电的互联互通。
3.1 物联网PLC家电硬件构成
物联网家电硬件构成
本文所指的物联网PLC家电指由普通家电加上PLC通讯模块构成的家电,其硬件构成如图2所示。电视、冰箱等可将PLC通讯模块直接整合在家电的内部,而空洞、热水器等除了将PLC通讯模块整合在整机内之外,还可将操作显示板与整机进行分离,操作显示板内部也嵌入PLC通讯模块,这样就可以实现整机与操作显示板虽然是分离的,但通过PLC通讯仍然能保持显示板与整机的数据交换。
一般整机内的PLC通讯模块既负责与其对应的显示板进行通讯,也负责与PLC终端网关进行通讯。
网络交换处理IC负责接收INT6400传来的数据并将数据转化后传给RJ45接口。业务处理IC根据通讯协议解析接收到的数据,并将数据通过SPI接口或UART接口直接传送给家电PCB板上的MCU。同时将家电传来的数据打包后发送给INT6400。
3.2 物联网PLC家电通讯关键技术软件实现
(1)PLC通讯整体介绍
PLC通讯是指利用调制解调技术对信号进行调制,然后把信号加载到电力线中,在接收方通过对加载信号的解调,传输数据进行通信的技术。
目前PLC通讯按通讯的带宽可分为窄带电力线载波通讯、宽带电力线载波通讯:
由于窄带电力线通讯技术的调制方式、载波频宽限制,导致传输速度、抗同相干扰性等功能并不适合载波家电的需求。
宽带电力线载波通讯技术一般采用一种多载波调制技术,即正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM)技术。其技术实现为,在频域内将指配的信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的子数据流,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各个子载波相互正交,并行传输。其技术特点是传输速度快,理论传输速度可达200 M,抗干扰能力强。所以根据以上的这些特点,宽带PLC通讯技术较适合应用于以电力猫为代表的室内因特网接入、视频等对实时性要求较高的领域,同时也适合于物联网家电对通讯速率、抗干扰性等特性的需求。
(2)如何实现互联互通
电力线上信号的传输协议采用TCP/IP协议,采用网络密钥认的机制,不同的家电之间进行信息传输时,只要遵从相同的通讯协议,采用相同的网络密钥即可实现。
(3)如何实现自动组网
当有新的设备接入时,通过两种方式将新家电接入:
种方式,在新设备及终端服务设备上都留有有线接口,当将两者通过信号线连接到一起时,新设备自动发送注册指令,终端服务设备接收到注册指令之后,自动将网络密钥、地址、设备协议等信息发送给新设备,之后新设备再与组内设备通讯时,采用终端服务设备发送给其的设备协议进行通讯,从而完成新设备的自动组网。
二种方式,按下终端服务设备上的注册按键,终端服务设备只接收注册协议。新设备通电之后,按册按键,新设备自动发送注册信息到电力线,同时监控终端服务设备回传的注册确认信息,双方确认注册信息正确之后,即完成自动组网处理。将按键恢复初始状态,两者也采用原有系统的网络密钥进行正常通讯。
3.3 PLC通讯现场实施中问题的解决方案
(1)同相干扰的解决方案
当电力线干扰比较严重或者电力线上存在其它PLC设备时,有时会导致对传输信号的干扰,所以在软硬件方面需要采取一定的滤波措施,以滤除线路上的干扰。
由于INT6400子载波信号传输频率在2~30 MHz之间,属于高频信号,所以硬件采用能够滤除低频信号的滤波电路,使高频信号减。
在软件方面电力线载波通讯将高频信号采用OFDM技术耦合到电力线,子载波会根据线路的衰减情况,自动选择信号的调制方式,其中包括:QAM、QPSK、BPSK、ROBO等几种方式,从而保证了传输时的抗干扰性,且提供了足够的物联家电使用带宽网。同时同组载波设备采用相同的网络密钥,载波模块检验网络密钥非法时,自动丢弃收到的数据包,而相同时才对数据包进行处理。通信协议中还带有地址,同一组设备中某一设备根据地址判定是否为发给自己的数据,组内设备仅处理发给自己的数据包。
(2)跨相耦合的解决方案
通讯数据在电力线传输的过程中,信号在经过某些空气开关等设备之后会有很大的衰减,信息传输不稳定,数字家电的运行稳定性受到严重影响。当信号分属电力线上的A、B、C三相时,往往是导致3相间的信号无法传输。
为了解决以上问题,根据现场具体情况进行以下分类处理。
现场载波模块之间的连接,按照载波信号是否跨相可分为两种,即跨相与不跨相;根据载波信号是否跨空气开关又可分为两种,即跨空气开关与不跨空气开关;故可以实现四种组合方式,即有四种具体硬件实施方案:
(1)同相载波信号不跨空气开关
此种情况为简单,在一般的家庭内,电力线上传输的载波信号即使有衰减也不会太大,故直接将有需要联网的家电接入室内的电力线上即可,增加其他耦合设备、器件。
(2)同相载波信号跨空气开关
当出现此种情况时,可在空气开关的两侧接入耦合电感、安规电容等设备,从而将传输信号直接耦合到空气开关等器件另一侧的电力线上,从而保证了物联网家电所需的带宽。
(3)异相载波信号不跨空气开关
当出现此种情况时,可在异相电力线上接入耦合电感、安规电容等设备,从而将一相上传输的载波信号耦合到电力线的另一相上;如果异相电力线间隔稍微远一些,不适合使用耦合电感或安规电容,也可以在异相电力线的每一相上安装带无线模块的载波模块,通过无线将发送模块发送的到接收模块,接收模块再将数据信号耦合到电力线上,从而满足了物联网家电的带宽要求。
(4)异相载波信号跨空气开关
一般空气开关上接成本较低的耦合电感、安规电容,异相间如果条件允许也接入成本较低的耦合电感、安规电容,只有当接入无线载波模块时,才在电力线上接入无线载波模块。
4 结束语
本文给出了一种物联网宽带PLC家电系统设计实现方案,解决了应用中碰到的同相干扰、跨相耦合、自动组网等方面的问题,从而使宽带PLC实际的应用于物联网家电。今后的工作将着重研究的方案,扩大产品应用范围。