摘 要：本文介紹在某食品加工生產線中使用的富士觸摸屏和西門子PLC組成的Profibus網中如何建立通訊連接，以及觸摸屏組態(tài)軟件的設計，并且就其中出現(xiàn)的一些問題進行了分析，最后給出了解決方案。
關鍵詞：觸摸屏，PLC，通訊
0 引言
隨著計算機網絡及現(xiàn)場總線技術技術的發(fā)展，PLC及觸摸屏在工業(yè)控制和樓宇自動化中的應用非常廣泛。現(xiàn)場總線技術及其總線接口模塊、智能儀表、控制設備等組成的綜合監(jiān)控系統(tǒng)已成為當前自動化技術發(fā)展的一個重要方向。在工控領域，PLC與觸摸屏結合運用的技術已越來越為工程人員所了解與熟悉 ,由于觸摸屏具有操作簡便、界面美觀直接、編程容易掌握、與PLC通訊良好、抗干擾能力強等等特點 ,它正迅速地滲入各個行業(yè) ,發(fā)揮自動化控制的最大優(yōu)勢。
PROFIBUS提供了兩種通信協(xié)議：DP、FMS，富士UG系列的觸摸屏支持其中的DP協(xié)議。富士觸摸屏具有很強的兼容性，可以與近30個廠家的PLC通訊，兼容性極強，而且還可以和計算機通訊（開放式通訊協(xié)議）。
通過接口單元、UG031-P通訊卡及總線的連接，UG觸摸屏可以作為從站和作為主站的西門子的S7-300或S7-400系列的PLC通信（網絡結構示意見圖一）。
圖一：PROFIBUS-DP的網絡結構
1 系統(tǒng)結構
本文的背景為某食品加工廠某控制系統(tǒng)包括原料混料線、薯餅生產線、包裝線等構成的主線系統(tǒng)，以及蒸汽鍋爐系統(tǒng)、水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通風系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等構成的輔助系統(tǒng)。各系統(tǒng)位置比較分散，控制點較多，其中包括140多臺電機，29臺變頻器，15個溫濕度控制點。
由于系統(tǒng)比較復雜，控制采取分層控制策略，由兩臺上位機完成工廠級的監(jiān)控及數據管理功能，觸摸屏和PLC完成現(xiàn)場級的控制，采用Profibus現(xiàn)場總線的方式進行通訊。上位機留有接口，可連接局域網和廣域網，以利于進一步的開發(fā)。其中數字輸入點有900多點，數字輸出有400多點，模擬量輸入20 個。
下面以這個食品加工廠為例，組成一個集中控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖二所示。
其中PLC（1）用于主系統(tǒng)，PLC（2）用于輔助系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)的組成與主系統(tǒng)相似，因此圖中省略了其構成。PLC選用S7-300系列的 CPU315-2DP和S7-200系列的CPU226，PID模塊為FM355C，通訊模塊為CP342-5，擴展模塊為IM153-1，I/O模塊則使用到：數字輸入模塊選SM321、數字輸出為SM322、模擬量輸入為SM331。上位機選用西門子的工控機，它內置了PCI接口的CP5611卡用于與PLC通訊。
選用S7-300系列的CPU315-2DP是為了能進行擴展I/O模塊以滿足控制點數的要求，而用于擴展的IM模塊的選型則是依據IM模塊與中央控制器CPU315-2DP的距離。
由于所有的I/O模塊均放在同一組控制柜里，因此選用了通訊距離在5米范圍內的IM153-1[1]。當IM模塊與中央控制器的距離較遠時可以選擇通訊范圍為100米的型號的IM模塊。
觸摸屏選用富士UG420H-SC1，10.4英寸、128色STN顯示，基于Windows95/98/NT操作平臺下的專用組態(tài)軟件，界面友好直觀，易學易用，大大節(jié)省產品開發(fā)周期。編程軟件中備有大量的圖形庫（開關、燈、棒圖等）供選擇，還可以根據用戶需求編輯所需要的工藝圖形，能夠轉換BMP 文件和AUTOCAD中的DXF文件。
圖二： 控系統(tǒng)硬件組成及結構
2 觸摸屏的通訊設置及界面設計
在硬件連接完成后，需要在組態(tài)軟件中指定系統(tǒng)的硬件配置以及設置一些通信參數等等。首先制定所使用的觸摸屏的類型，這里選擇默認的 UG420（640＊480 10.4inches）;下一步指定和觸摸屏通訊的PLC類型及型號，這里選SIEMENS S7-PROFIBUS;最后一步指定系統(tǒng)參數，首先是讀區(qū)和寫區(qū)，讀區(qū)是指作為從PLC讀入數據的緩沖，如果系統(tǒng)中需要顯示趨勢圖的話那么讀區(qū)應當設大一些，一般設1000個字就可以了，寫區(qū)用于顯示存儲屏幕的狀態(tài)、頁碼、畫面層疊以及報警狀態(tài)等等。另外在對話框No.of Word Setting for I/O中需要指出觸摸屏的MPI地址，以及傳輸的幀長度，MPI地址在PLC的硬件組態(tài)里已經定義好了，兩者必須一致，否則會出現(xiàn)通信錯誤。另外幀長度為32字節(jié);奇偶校驗為奇校驗;數據長度8位;停止位1位;通訊方式RS-485。
UG00S-CW具有非常完善而強大的組態(tài)功能，在開發(fā)組態(tài)的時候，開發(fā)者可以不去考慮通信協(xié)議的問題，因為富士公司已經將這一切的技術細節(jié)都屏蔽掉了，它具有智能的尋址功能。在建立一個按鈕時，這個按鈕在PLC中的預先有定義（在西門子PLC中，無論是數字量還是模擬量的定義都是在DB塊中）。假設這個按鈕的地址是DB2.DBX2.0（它的含義是第2個DB塊中第2個字節(jié)的第0位），觸摸屏中按鈕的地址應表示為DB2：2-0。我們可以看到，除了地址的書寫方式有所不同以外，你幾乎無需作其他的工作，你無需去定義變量、更無需去理會通信的幀結構等等。
對于模擬量同樣如此，只不過在模擬量中你需要指出模擬量所占的字節(jié)個數，其他的同數字量一樣簡單。
可以說，UG00S-CW在處理基本的模擬數字量的時候非常簡單、方便，但是在處理一些較為復雜的情況時卻遇到了意想不到的問題。在這個食品生產線的集中控制系統(tǒng)，其中就涉及到富士觸摸屏和西門子PLC中的通信格式的兼容問題。
系統(tǒng)中有些PID控制的模擬量需要用趨勢圖來顯示，UG00S-CW中顯示趨勢圖并不復雜，首先點一下趨勢圖的圖標，在彈出的對話框中選擇趨勢圖的類型，然后選擇每條曲線對應的地址即可。但是在聯(lián)機調試時卻總是出現(xiàn)comunication error（通信錯誤）信息，經過排查發(fā)現(xiàn)問題出在趨勢圖上，如果將趨勢圖從程序中去掉，則一切正常，后來我就嘗試先將西門子PLC中的對應的模擬量數據讀入觸摸屏的緩沖（即內部存儲區(qū)），然后將趨勢圖每條曲線的地址改為對應的內部地址。經過聯(lián)機調試，發(fā)現(xiàn)不再出現(xiàn)comunication error信息，但是趨勢圖的曲線的顯示卻極不正常。經過觀察，發(fā)現(xiàn)除了當模擬量的值為零時曲線顯示正常，而為非零時曲線則指向無窮大。這個問題曾讓筆者百思不得其解，后來終于想到有可能是西門子PLC和富士觸摸屏在存儲格式上可能會不兼容。原來富士觸摸屏中趨勢圖中的模擬量一般都是雙字（4字節(jié)），它從西門子PLC讀取的順序是將第一字讀為高字，第二個字讀為低字，而西門子PLC中模擬量的存儲為先存低字再存高字，這樣富士觸摸屏從西門子PLC中讀入的數據剛好都是高低字顛倒的。因為一般模擬量的值都比較小，所以高字都為零，這樣相當于將原來的值乘了一個2的16次方的數，遠遠超過了模擬量的上限，所以才出現(xiàn)了以上情況。
為了解決以上問題，需要將PLC中的數據讀入，然后依次高低字顛倒，然后再將趨勢圖的曲線地址指向存儲修正數據的內部地址即可。為了完成這個功能，需要用到UG00S-CW的宏指令，富士UG00S-CW平臺提供了豐富的宏命令集，
主要有以下幾類：
屏幕類，當打開一個界面時可執(zhí)行的OPEN macro，當關閉一個界面時可執(zhí)行的 CLOSE macro，當打開一個界面后不斷循環(huán)執(zhí)行直到這個界面關閉為止時停止的 CYCLE macro。
按鈕類，當按下一個按鈕時可執(zhí)行的 ON macro和當松開一個按鈕時可執(zhí)行的 OFF macro。
宏模式，即宏指令程序段受某一個比特位的控制，當這一位為1時執(zhí)行，為0時停止，這個比特位可以是PLC中的地址，也可以是觸摸屏的內部地址。
富士UG00S-CW的宏命令集和匯編語言非常相似，不過此外還增加了許多系統(tǒng)命令功能和輔助功能，使得開發(fā)程序更加方便快捷。觸摸屏中的存儲格式是字，地址用$u來表示，例如$u1000就表示第1000個字，$u1000-14就表示第1000個字的第14位，觸摸屏中沒有用來表示字節(jié)的地址表示方式。在這個食品生產線上有多個PID控制回路，每個回路對應一個趨勢圖，以第一個回路為例，它占用Buffer1（最多有12個Buffer可供使用）趨勢圖有三條曲線PV、SP、OP，它們所對應的PLC地址分別為DB10：DBD0，DB10：DBD4， DB10：DBD8，然后將調整后的地址存入定為$u500～$u505，程序段如下：
/＊首先將模擬量讀入觸摸屏內部，使用塊賦值BMOV指令，即將DB10：DBD0～ DB10： DBD8賦值到$u500～$u505＊/
$u500=DB0010：0000 C：12（BMOV）
//下面將各個量的高字和低字顛倒
$u600=$u500 （W）
$u500=$u501 （W）
$u501=$u600 （W）
$u602=$u502 （W）
$u502=$u503 （W）
$u503=$u602 （W）
$u604=$u504 （W）
$u500=$u505 （W）
$u505=$u604 （W）
然后將此程序段拷貝到每一屏幕的CYCLE macro中，然后將buffer地址初始地址指向$500，抽樣模式定為：Constant Sample，曲線條數（即No. of Word）定為3條，存儲長度為500，其他的設置為默認值，趨勢圖中對應三條曲線的地址改為$u500,$u502,$u504，這樣才能保證觸摸屏中的數據和PLC中的數據同步更新。將程序下載到觸摸屏，經過聯(lián)機測試，一切正常。
3 結束語
富士觸摸屏以及西門子PLC由于其產品具有很高的穩(wěn)定性，而且在軟件開發(fā)上非常高效快捷，因此在工控方面，兩者相結合是一個很不錯的選擇，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點。但是由于兩者畢竟不是同一廠商，所以難免會在某些細節(jié)的兼容性上會有紕漏，這是我們在設計工控系統(tǒng)時特別要注意的地方，硬件漏洞軟件補是 IT界永恒不變的方法，在開發(fā)商還沒有使他們的產品盡善盡美之前，我們應當運用我們自己的智慧來完善我們的系統(tǒng)。
參考文獻：
1、富士觸摸屏用戶手冊USER’S MANUAL TYPE:UGOOS-3WE
2、西門子用戶手冊 STEP7 V5.0 編程