SPS-Industriesteuerungs-Designlösung unter Verwendung des AIBUS-Feldkommunikationsbusses

Zusammenfassung: In großflächigen Anwendungen stellt ein verteiltes Steuerungssystem (DCS), bestehend aus Überwachungs-, Übertragungs- und Kommunikationsgeräten sowie einem Host-Computer, zweifellos die bessere Lösung dar. Einleitung: Die Geräte der AI-Serie von Xiamen Yudian Co., Ltd. verfügen über gute Kommunikationsfunktionen und können auf Basis des AIBUS-Kommunikationsprotokolls einen Feldbus bilden. Die vom Hersteller bereitgestellte AIDCS-Anwendungssoftware ist unter Windows 98/ME/XP und anderen Betriebssystemen lauffähig und ermöglicht die zentrale Überwachung und Verwaltung von 1 bis 200 Geräten der AI-Serie verschiedener Modelle. In großflächigen Anwendungen ist ein verteiltes Steuerungssystem (DCS), bestehend aus Überwachungs-, Übertragungs- und Kommunikationsgeräten sowie einem Host-Computer, zweifellos die bessere Lösung. Diese Arbeit untersucht die kombinierte Nutzung von AI-Geräten und gängigen industriellen SPS-Steuerungen aus Sicht des Programmentwurfs. Die Anwendung mehrerer Kommunikationsprotokolle ist ein weit verbreitetes und repräsentatives Anwendungsgebiet. Flexibles und vielseitiges Steuerungssystem: Die gewählte industrielle SPS ist die LG MK-120S Serie DR-30U. Diese kleine bis mittelgroße SPS verfügt über eine CPU-Verarbeitungsgeschwindigkeit von 0,1 µs/Schritt und eine Benutzerprogrammkapazität von 7.000 Schritten. Sie ist mit RS232- und RS485-Schnittstellen ausgestattet. In Standardanwendungen ermöglicht RS232 die Anbindung eines einzelnen HMI zur zentralen Überwachung von Smart Metern, während RS485 die Fernverbindung zu mehreren AI-518 Smart Metern erlaubt. In komplexen Anwendungen kann RS232 über einen EIA/TIA-kompatiblen seriellen Standard-RS232<=>RS485-Konverter mit mehreren AI-518 Smart Metern verbunden werden. RS485 dient der Anbindung von HMIs und mehreren Frequenzumrichtern, die mit demselben RS485-Protokoll kompatibel sind. Diese flexible und vielseitige Steuerungslösung bietet ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und erzielt optimale Steuerungseigenschaften bei minimalem Hardwareaufwand. Dies ist zweifellos auf die intelligente Anpassung und die zuverlässige Kommunikationsübertragung des Yudian-Zählers zurückzuführen. Detaillierte Erläuterung des Programmentwurfs: Der Programmentwurf verwendet 14 AI-518 Smart Meter als Beispiel. Beim ersten Smart Meter ist die Adresse im AIBUS 1, und die in der Mensch-Maschine-Schnittstelle und der SPS definierten Variablenwerte sind: Messwert DATA1, Sollwert DATA2, Alarmvariable PARA1. Beim zweiten Smart Meter ist die Adresse im AIBUS 2, und seine Variablenwerte sind: Messwert DATA3, Sollwert DATA4, Alarmvariable PARA2 usw. DATA1-28 und PARA1-14 sind SPS-Datenregister. Da das AIBUS-Kommunikationsprotokoll von Yudian benutzerfreundlich ist und eine gute Hardware-Kommunikationskompatibilität auf Basis von RS485 bietet, beschreibt dieser Artikel die Definition der Parametervariablen für die Kommunikation und Anzeige mit Smart Metern im SPS-Programm. Dieses Verfahren lässt sich leicht auf SPSen anderer Hersteller übertragen und anwenden. 1. Der Programmentwurfsprozess wird wie folgt beschrieben (// ist eine Anmerkung zu einem Programmsegment) : (1) Die SPS wird eingeschaltet und initialisiert die Adressschleifenvariable P des Smart Meters mit 1; //P ist das Datenregister der SPS. (2) Der Wert DATAX aus 14 Smart-Tabellen wird für die Abfrage der Schreibbedingungen verwendet; //X ist eine gerade Zahl und 0. 2. Programmierverfahren zum Schreiben des Werts „Given Value DATAX“ in Smart Meter Der bisherige Wert von Zähler 1 ist in „DOLD1“ gespeichert. Beim Schreiben des Werts „Given Value DATAX“ in Zähler 1 über das HMI wird dieser Wert, da er sich vom alten „DOLD1“ unterscheidet, dem Schreibflag M1 von Zähler 1 (M1 ist das Hilfsrelais der SPS) zugewiesen und anschließend in das alte „DOLD1“ übertragen. Gleichzeitig wird der Adressschreibzeiger P von Zähler 1 auf 1 gesetzt und der Wert „Given Value DATAX“ in den gemeinsamen Schreibwert „DWRITE“ aller 14 Zähler übertragen. Die gleiche Logik gilt für Smart Meter mit unterschiedlichen Adressparametern. 3. Programmierverfahren für Alarminformationen von Smart Metern: Da das höherwertige Byte des dritten Wortes des empfangenen Frames die Alarminformationen enthält, müssen das höher- und niederwertige Byte des dritten Wortes vertauscht werden, um das 8-Bit-Alarmbyte „HEX-ALARM“ zu erhalten. Gemäß dem AIBUS-Standard repräsentieren die Bits 0–5 dieser 8 Bytes, gesetzt auf 1, jeweils den oberen Grenzwert, den unteren Grenzwert, die positive Abweichung, die negative Abweichung und den Überschreitungsalarm. Zwischen „HEX-ALARM“ und „HEX1F“ wird eine bitweise UND-Verknüpfung durchgeführt, deren Ergebnis „DD-ALARM“ zugewiesen wird. Im Normalbetrieb des Smart Meters ist der Wert von „DD-ALARM“ immer 0; im Alarmfall muss er ungleich null sein. Der Zustand von „DD-ALARM“ (ob er null ist) wird „DALARM“ zugewiesen, um den Alarmstatus des entsprechenden Smart Meters anzuzeigen. Mit diesem Ansatz und geringfügigen Programmanpassungen lässt sich zentral auf dem HMI anzeigen, ob mehrere Smart Meter Alarme für obere und untere Grenzwerte, positive und negative Abweichungen sowie Überschreitungen ausgelöst haben. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis der Situation am Kontrollstandort. 4. Ablauf der Lese-/Schreib-Subroutine für Smart Meter: Da gemäß dem AIBUS-Kommunikationsprotokoll nur der Messwert gelesen bzw. der Sollwert geschrieben werden muss, kann die SPS einfach eine Additionsoperation mit dem Parametercode 00H (Sollwert) des Instruments durchführen. Der Ablauf der Lese-/Schreib-Subroutine für Smart Meter ist daher wie folgt: 1. Adressschleifenvariable P+80->P1; //P1 ist das Datenregister der SPS. 2. P1*H100->P2; //P2 ist das Datenregister der SPS. 3. P1+P2->PP; //PP ist die Protokolladresse des Smart Meters im AIBUS, definiert im ersten Wort des Sende-Frames. 4. Wenn die M-Schreibbedingung erfüllt ist: (1) Senden von HEX43 an das zweite Wort des Sende-Frames; //HEX43 ist das Schreibflag für den Smart Meter. (2) Senden von „DWRITE“ an das dritte Wort des Sende-Frames. (3) „DWRITE“ + HEX43 + Adressschleifenvariable P, das Ergebnis wird an das vierte Wort des Sende-Frames gesendet; // Schreibbyte-Verifizierung durchführen. 5. Wenn die M-Schreibbedingung nicht erfüllt ist: (1) HEX52 an das zweite Wort des Sende-Frames senden; // HEX52 ist das Leseflag des Smart Meters. (2) HEX00 an das dritte Wort des Sende-Frames senden; (3) HEX43 + Adressschleifenvariable P, das Ergebnis wird an das vierte Wort des Sende-Frames übertragen; // Zusammenfassung der Erfahrungen und Programmauswirkungen der Lesebyte-Verifizierung. Während des Programm-Debuggings sollte die Kommunikation mit dem Smart Meter mithilfe des seriellen Schnittstellen-Überwachungstools der SPS überwacht werden. Gegebenenfalls sollte der Sendetaktzyklus des Lese-/Schreib-Frames verlängert werden, um zu überprüfen, ob die Anzahl der Bytes, der Lese-/Schreibbytes, der Alarm- und Verifizierungsbytes jedes Lese-/Schreib-Frames den Anforderungen des AIBUS-Protokolls entspricht. Beim Ändern des Sollwerts eines intelligenten Zählers über die Mensch-Maschine-Schnittstelle aktualisiert sich der Zähler sehr schnell, jedoch tritt eine gewisse Verzögerung auf der zentralen Anzeige der Mensch-Maschine-Schnittstelle auf. Analyse: Der Vorgang „Sollwert schreiben“ liefert innerhalb von 100 ms 10 Bytes zurück. Der im zweiten Wort dargestellte Sollwert (hexadezimal) entspricht jedoch der vorherigen Einstellung. Der soeben geschriebene Sollwert wird erst beim erneuten Auslesen des intelligenten Zählers an die SPS zurückgesendet. Da das Programm nach dem Prinzip „Sollwert zuerst schreiben“ konzipiert ist, liest der intelligente Zähler nach Abschluss des Sollwertschreibvorgangs alle 100 ms Messwerte gemäß der Protokolladresse des vorherigen Sollwertschreibvorgangs aus. Die Abfrage erfolgt weiterhin in der Reihenfolge der AIBUS-Protokolladressen 1–14. Die Aktualisierungsverzögerung der Anzeige nach dem Schreiben des Sollwerts auf dem HMI beträgt daher (100 ms + SPS-Programmierzeit) × 14 + (Signalübertragungszeit Smart Meter – SPS – HMI). Die tatsächlich gemessene maximale Anzeigeverzögerung beträgt maximal 3 Sekunden. Um diese Verzögerung zu verringern, kann im zweiten Absatz oben eine Codezeile eingefügt werden, die den neuen Sollwert „DATA1“ direkt an den entsprechenden HMI-Anzeigewert „DATAX“ des Smart Meters überträgt (X ist eine gerade Zahl und 0 < 0 < 1).

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