基于RS-485总线的分布式故障诊断系统

　　在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在rs-422标准的基础上，eia研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的rs-485总线标准。

　　rs-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将ttl电平信号转换成差分信号输出;在接收端，接收器将差分信号转换成ttl电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mv的电压，使传输信号能在千米以外得到恢复。根据rs-485标准，rs-485 收发器的最大传输速率为10mbps，最大电缆长度为4000英尺，总线上能连接32个收发器(sipex公司的sp485r允许在一条总线上连接400 个收发器)，广泛适用于远距离、多站式、分时通讯系统。在要求通信距离为几十米到上千米时，由于rs-485总线仅需用一对双绞线即可实现多站联网构成分布式系统，且设备简单、价格低廉，使得eia rs-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

　　当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线can、profibus、interbus-s、cc-link以及arcnet的物理层都是基于rs- 485标准的。

　　2 系统方案

　　本系统应用于某汽车喷涂生产线，生产线控制系统按照工艺分布划分为5个区，分别由5台三菱q系列plc控制，plc间以三菱melsecnet/h数据链路联网。在整个车间内5个控制区内，分别又被细分为数个子区域，累计共有73个子区，每1个子区设1个操作站。操作站的主要功能是对本子区内的设备运行状况进行监测，当有故障发生时，应有详细的故障诊断信息。方案要求简示如图1。

　　图1 系统方案简示

　　通过对方案要求的仔细分析，综合比较计算机终端和工业触摸屏等常用的操作界面设备，最终决定采用一种带rs485通讯功能的汉字显示设备dp210，这种显示设备带有专有通讯协议，外部指令可与其进行通讯读取或改变其内部寄存器的值，从而改变显示屏上与该寄存器链接的文字内容。这样硬件方案基本确定，每台 plc端增加串口通讯模块qj71c24来进行rs485串行通讯，每个操作站配备一台上述汉显示设备，用以动态显示设备状态信息。

　　2.1 dp210简介

　　dp210是一种适用于简单用户界面的终端操作设备，内部带有128个字寄存器，它可以显示中英文字符或数字，并有简单图形显示功能。

　　dp210内置有rs422通讯功能，可作为从站以专有通讯协议与外部智能设备进行通讯，在通讯过程中，外部设备通过专门指令可改变其内部任意字寄存器的值，从而改变屏上的显示内容，实时显示现场设备信息。

　　(1) dp210通讯协议

　　外部设备可通过串行通讯读取或改变dp210内部的128个字寄存器的值，通讯过程中，plc充当主站(master),dp210充当从站 (slaver)，主站发起通讯，向从站发送读/写指令，从站在正确接收到该指令后，将根据指令要求返回一帧确认信息。

　　协议采用二进制通讯方式，格式如下所述:

　　读指令(读dp210内部字寄存器的值)

　　plc端发送帧:node no. `r` address length sum

　　dp210端返回帧:

　　node no. status address length data sum

　　写指令(写dp210内部字寄存器的值)

　　plc端发送帧:

　　node no. `w` address length data sum

　　dp210端返回帧:

　　node no. status sum

　　node no. : dp210显示器站号，范围1-255

　　command : `r`/`w` 分别用来区分读/写寄存器，在通讯帧中用16进制数52h或57h表示

　　address : 要读写的寄存器(mw)开始地址号(0-127)

　　length : 要读写的寄存器个数(1-128)

　　data : 从dp210读出或写入到dp210寄存器中去的值

　　sum : 和校验(前面所有字节值的和与100h取模后的值) (若值为5ah,则忽略该值)

　　status : 返回通讯状态。意义如下: 0—正常;1— 地址错误;2—长度错误;3—地址范围超限(开始地址+长度 >128);4—指令错误。

　　2.2 plc串行通讯技术

　　三菱各系列plc均有用于实现串行通讯的通讯模块，该种模块既可用于计算机监控plc，又可用于实现plc系统与外部智能设备的自由协议通讯，具有很广泛的实用性。本方案中所采用的q系列串行通讯模块qj71c24就是这一类模块中最强的一款，它体积小巧而且功能强大，通讯速率最高可达 115200bps，而且q系列plc有专用于该模块自由协议通讯的高级指令，能方便快捷地实现与外部设备的串行通讯。

　　三菱q系列plc串行通讯专用指令主要有接收、发送指令，可进行ascii通讯，也可进行二进制通讯，还有用于清除通讯缓冲区的清除指令，下面对这3条指令的用法作简要介绍:

　　(1) 发送指令:g.output ux xx1 xx2 xx3

　　ux:用来发送数据的串行通讯模块所在的地址

　　xx1:发送指令控制参数区开始地址，占用连续3个字寄存器

　　xx2:待发送数据存储的开始地址，长度由xx1中参数指令

　　xx3: 用来存储指令执行后的结果(成功或失败)，占用连续2个位寄存器

　　(2) 接收指令:g.input ux xx1 xx2 xx3

　　ux:用来接收数据的串行通讯模块所在的地址

　　xx1:接收指令控制参数区开始地址，占用连续4个字寄存器

　　xx2:用来存储收到数据的寄存器开始地址

　　xx3:用来存储指令执行后的结果(成功或失败)，占用连续2个位寄存器

　　(3) 清除指令:zp.cset ux xx1 xx2 xx3 xx4

　　ux:要进行清除操作的串行通讯模块所在的地址

　　xx1:要清除的通讯通道号

　　xx2:清除指令控制参数区开始地址

　　xx3:备用

　　xx4:用来存储指令执行后的结果(成功或失败)，占用连续2个位寄存器

　　2.3 程序实施简述

　　综合整个方案要求，程序主要可分为2大部分:故障信息的采集与有序存储、故障信息的发布显示。

　　(1) 故障信息的采集与有序存储

　　故障信息的采集可以借用“事件触发”机制来描述，当故障发送的瞬间，程序立即采取措施，将该故障的相关信息记录下来，在本方案中，我们采用了触点上升沿调用子程序的编程手法，来进行这项工作，在要求程序反应更为灵敏的场合，可以采用中断处理的方法来完成。

　　无论是使用中断处理还是普通扫描上升沿方式来捕捉故障，要建立一个完整的故障信息诊断发布系统，更为重要的是要有一个灵活实用的存储机制。在这种机制下，针对故障的发生、排除都应有相应的程序操作与之对应，为此，我们建立了一个较简单的数据结构形式，来配合这些数据操作，结构如图2所示

　　图2 数据结构

　　在图2中，每一站的故障记录数都根据实际情况规定1个最大值，每1个故障记录都规定为固定长度，这样，每个plc内都为下辖每个操作站设置了一个固定长度的存储表，同时，对应故障的发生与消除，有相应的子程序来进行数据表的操作，添加或删除故障记录。

　　(2) 故障信息的发布显示

　　显示器的内部寄存器已经预先链接到其显示画面中，这样只要plc通过通讯将当前应显示的故障记录信息写入内部寄存器，就可达到信息发布的目的。如果操作站发生翻页操作，则在plc接收到该信号后，它将下一页的故障信息写入到显示器的内部寄存器，实现翻页功能。

　　由于在同一时刻plc只能与1台显示器通讯，因此信息的刷新实际上是一种轮询机制，从第一台操作站开始，当所有的显示器都更新过一遍后，这一段时间可以称为刷新时间，rs-485串行通讯的通讯速率并不太高，所以为了改善刷新时间过长的状况，我们采取了一次通讯发送多条记录的方式，使用户在翻页时不会感到很明显的延迟。

　　3 结束语

　　rs-485是大多数工业现场总线的基础，它实现起来具有成本低，实施简便等显著优点，但又兼有速度较低、实时性不高等缺陷，虽如此，对于人机交互不甚频繁而终端较多的情况仍有较高使用价值。