利用Visual Basic和PLC開發(fā)小型監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：本文通過分析啤酒稀釋自控系統(tǒng)這一實(shí)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(dòng)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(jià)格低的特點(diǎn)，被大量應(yīng)用于單機(jī)控制系統(tǒng)中，如啤酒的稀釋控制、離心機(jī)控制等。作為設(shè)備維修技術(shù)人員，一般都能掌握PLC和計(jì)算機(jī)PC的應(yīng)用知識(shí)，但如何利用PLC和PC來設(shè)計(jì)小型自控系統(tǒng)，實(shí)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(gè)要深入學(xué)習(xí)研究的問題。
面向生產(chǎn)操作，設(shè)計(jì)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(jī)操作界面的設(shè)計(jì)。PC作為上位機(jī)，一般都是運(yùn)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(jì)出優(yōu)美的人機(jī)操作界面，只需進(jìn)行主要操作功能編程和少量界面控制編程。
第二：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝要求的PLC控制程序設(shè)計(jì)。因?yàn)槭切⌒涂刂葡到y(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(yùn)用PLC編程工具，此部分設(shè)計(jì)編程并不難。
第三：PC與PLC通訊程序的設(shè)計(jì)。此部分的開發(fā)設(shè)計(jì)較難，需要掌握PC和PLC的有關(guān)通訊硬件驅(qū)動(dòng)和通訊協(xié)議的知識(shí)。但對(duì)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(jì)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(jì)出上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換程序。
下面以啤酒稀釋自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，主要講解PC和PLC通訊程序的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

二． 啤酒稀釋自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
1. 啤酒稀釋控制要求
啤酒稀釋是啤酒生產(chǎn)中一個(gè)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(dá)到的濃度B ；
2) 計(jì)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(shí)流量，計(jì)算出脫氧水要達(dá)到的流量；
4) 比較水的瞬時(shí)流量和計(jì)算出的流量，來控制水調(diào)節(jié)閥的開度，使水瞬時(shí)流量等于計(jì)算流量。
由于酒和水的瞬時(shí)流量是變化的，所以3）、4）步要反復(fù)進(jìn)行。以上所有的計(jì)算功能和PID調(diào)節(jié)功能都由PLC完成。
2. 啤酒稀釋的人機(jī)操作界面：
人機(jī)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(jī)PC選用聯(lián)想奔騰Ⅱ品牌機(jī)，外加RS232轉(zhuǎn)RS485通訊轉(zhuǎn)換卡。下位機(jī)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(gè)485串口通訊模塊PC-485BD。

三． PC與PLC通訊程序設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)的高級(jí)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(cuò)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(hào)。 
Settings     以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、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(gè)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(yàn)，7位數(shù)據(jù)，一個(gè)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(jì)問題。
（1） 事件驅(qū)動(dòng)
事件驅(qū)動(dòng)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(shí)需要得到通知，例如：當(dāng)線路數(shù)據(jù)到達(dá)本端或CD線和RTS信號(hào)線狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，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(cè)和處理通信錯(cuò)誤等方面的問題。
（2）查詢方式
利用定時(shí)器控件Timer，我們可以設(shè)計(jì)程序每隔一段時(shí)間去讀取CommEvent的值并處理所發(fā)生錯(cuò)誤和事件。

4. 本實(shí)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(hào)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(shí)器觸發(fā)引起，每隔0.5秒發(fā)送一次。用它來向PLC查詢實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)。如酒、水的瞬時(shí)流量，調(diào)節(jié)閥開度等。
(2) 非周期性命令，它由操作者按動(dòng)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(jī)操作界面中，有運(yùn)行時(shí)不可見的通信控件（MSComm1）一個(gè)、定時(shí)器控件一個(gè)Timer1。通信控件（MSComm1）用于初始化串口數(shù)據(jù)并打開串口；定時(shí)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(shí)接收PLC返回的應(yīng)答數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)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(shí)例采用的是PLC與計(jì)算機(jī)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(diǎn)為單位，讀出位元件的狀態(tài)
WR 以16點(diǎn)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(diǎn)為單位，寫入位元件的狀態(tài)
WW 以16點(diǎn)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(diǎn)為單位，設(shè)置/復(fù)位 位元件
WT 以16點(diǎn)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(yùn)行RUN
RS 控制PLC停止STOP
PC 讀出PLC設(shè)備類型
TT 連接測(cè)試

PC發(fā)送給PLC的通信命令格式
約定說明：ENQ為請(qǐng)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(qǐng)求標(biāo)志，ASCII值2,VB中以chr(2)表示；
　　　　　EXT為請(qǐng)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(yàn)的部分；
　　　　　和效驗(yàn)為每一項(xiàng)的ASCII值的總和轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制后，取其低兩位；
　　　　　站號(hào)、PLC號(hào)、元件數(shù)量、和效驗(yàn)都是以十六進(jìn)制表示；
　　　    等待延時(shí)為0-150毫秒,以十六進(jìn)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(hào) PLC號(hào) BR 延時(shí) 首地址 數(shù)量 和校驗(yàn)       ACK 站號(hào) PLC號(hào)
PLC側(cè)：         STX 站號(hào) PLC號(hào) 數(shù)據(jù) EXT 和校驗(yàn)   
         9 10 11 12 13 14   

例如：要讀出站號(hào)為5的PLC的X40到X44共5點(diǎn)的狀態(tài)值，延時(shí)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(qǐng)求 站號(hào) PLC號(hào) 命令 延時(shí) 元件首地址 元件數(shù)量 和校驗(yàn)
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(huì)有正確的回應(yīng)信息，如下：
注釋： 頭 站號(hào) PLC號(hào) 位元件狀態(tài)值 尾 和校驗(yàn)
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(hào) PLC號(hào) WR 延時(shí) 首地址 數(shù)量 和校驗(yàn)       ACK 站號(hào) PLC號(hào)
PLC側(cè)：         STX 站號(hào) PLC號(hào) 數(shù)據(jù) EXT 和校驗(yàn)   
         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(hào) PLC號(hào) BW 延時(shí) 首地址 數(shù)量 寫入值 和校驗(yàn)   
PLC側(cè)：          ACK 站號(hào) PLC號(hào)
          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(hào) PLC號(hào) WW 延時(shí) 首地址 數(shù)量 寫入值 和校驗(yàn)   
PLC側(cè)：          ACK 站號(hào) PLC號(hào)
          10 11 12

6. VB通訊功能塊設(shè)計(jì)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(shí)中斷處理塊TIMER1( )中調(diào)用查詢功能塊RevData( )，實(shí)現(xiàn)PC界面數(shù)據(jù)定時(shí)刷新；在每一次操作命令執(zhí)行時(shí)，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(shí)現(xiàn)控制。下面給出這兩個(gè)功能塊的設(shè)計(jì)程序。
1) 查詢數(shù)據(jù)函數(shù)RevData( )
（沒有和校驗(yàn)）
Sub  RevPLC (iNo As String, iType As String, iAdd As String, iNum As String)
'''''''''''''''' iNo為PLC站號(hào)，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(jìn)制表示，占4個(gè)字符
Case "M", "X", "Y"     ''''''''''''''''查詢繼電器觸電的值
Comm = "BR"      ''''''''''''''''命令類型：二進(jìn)制位讀
cha = Val("&H" & iNum)
End Select
iAdd = Right$("000" & iAdd, 4)
iNum = Right$("0" & iNum, 2)
Stmp = Chr$(5) & iNo & "FF" & Comm & "A" & iType & iAdd & iNum    ''''''''''''''''輸出命令格式
ChaCount = 6 + cha  ''''''''''''''''要返回字符個(gè)數(shù)
main.MSComm1.InBufferCount = 0  ''''''''''''''''輸入緩沖區(qū)清零
main.MSComm1.Output = Stmp  ''''''''''''''''設(shè)傳送緩沖區(qū)內(nèi)容為命令格式
Now=Second()
Do
DoEvents              ''''''''''''''''轉(zhuǎn)讓控制權(quán)，以便讓操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸
If  Second()-Now>1  Then  Exit  Sub
Loop Until main.MSComm1.InBufferCount = ChaCount  ''''''''''''''''當(dāng)接收到規(guī)定字符時(shí)停止循環(huán)
RevDataTmp = Mid$(main.MSComm1.Input, 6, cha)     ''''''''''''''''返回?cái)?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(yàn)）
Sub SendPLC(iNo As String, iType As String, iAdd As String, iNum As String, ivalue As String)
'''''''''''''''' iNo為PLC站號(hào)，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(jìn)制表示
Case "M"          ''''''''''''''''寫繼電器觸點(diǎn)的值
Comm = "BW"        ''''''''''''''''命令類型：二進(jìn)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(jìn)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(shí)停止循環(huán)
End Sub

四． 總結(jié)：
生產(chǎn)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要解決好三部分的問題：PC上人機(jī)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(duì)于串行通信的單機(jī)自控系統(tǒng)，因?yàn)榫哂胁僮鹘缑婧蜕a(chǎn)工藝流程簡單的特點(diǎn)，所以利用Visual Basic設(shè)計(jì)操作界面和利用PLC編程語言設(shè)計(jì)生產(chǎn)控制程序都比較方便，但對(duì)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(shí)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(jì)出功能更完善的通信程序。