牛杰，何文雪，邹鑫

(青岛大学 自动化学院，山东 青岛 266071 )

0 引言

随着金刚石制备技术的发展，高品级的金刚石在工业领域得到了广泛的应用，这使得世界各工业大国越来越重视金刚石制备技术的研究。目前，我国虽是金刚石生产大国，但在高品级单晶金刚石的生产上仍面临重重困难，主要原因在于高品级金刚石在形核生长过程中对于温度、气体流量等工艺参数的控制精度比较严苛[1]。因此，设计一个能够可靠快速地采集和处理过程变量的通信系统尤为迫切。

针对温度和气体流量过程参数的数据采集，分别对微波加热装置与PLC的通信和气体流量控制装置与PLC的通信进行设计。该设计方案可以广泛适用于使用微波等离子CVD技术人工合成金刚石的场合，使金刚石合成过程状态数据可视化，有利于提高合成高品级金刚石的转化率，获得更显著的经济效益。

1 通信系统硬件设计

1.1 通信系统的总体结构

通信系统主要包括上位机、微波加热装置、质量流量计和PLC组成。微波加热装置的作用是对合成金刚石气体原料进行电离和加热。质量流量计的作用是对多种气体进行精确测量和控制。采用西门子S7-1200PLC，实现对设备的数据采集和自动控制。通信系统结构底层有4个质量流量计和1个微波发生器，中间是1个西门子PLC，上层是上位机监控中心。4个流量计互相串联通过RS-485二线制与PLC相连，微波发生器通过双绞线与PLC相连。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

1.2 硬件的选型

控制器选用西门子PLC1215C，该产品具有通信模块集成工艺和大容量存储器，具有集成PROFINET接口，并且可以在CPU前方加入一个信号板扩展数字或模拟量I/O[2]。扩展信号模块选用信号板CB1241(RS-485)，仅支持RS-485电气接口。微波加热装置选用法国某公司的第四代微波发生器GMP G4 60K T400，该版本具有数显前面板，可用于本地远程控制，具有弧光检测和工作环境扩展测量功能，支持Profibus、CanOpen和TCP/IP通信协议，输出微波功率为6kW。质量流量计选用定制的4种不同气体种类的FCST1005系列常开型流量计，分别为O2(10SCCM)、Ar(10SCCM)、CH4(50SCCM)和H2(1SLM)，支持RS-485通信协议，标准通信速度为38 400bps，流量输出信号为0～5V直流电。

2 通信系统的软件设计

2.1 S7-1200PLC与微波发生器的通信设计

S7-1200PLC与微波发生器的通信遵循单客户机(Client)、单服务器(Server)的通信结构[3]。在通信连接之前，需要通过数显前面板将微波发生器通信方式设置为Modbus/TCP模式，并设置本地IP地址。

在通信连接过程中，PLC作为客户端向服务器即微波发生器发出请求报文，服务器根据请求作出响应报文，经过程序设计处理报文数据实现数据的实时传输[4]。报文长度为32个字节，根据读和写命令请求的不同对应的报文Modbus地址编号有所不同。在对设备进行读取操作时，报文的起始Modbus地址编号为100；在进行对设备进行写入操作时，报文的起始Modbus地址为000。

在博图软件中进行程序设计时，首先设置PLC以太网地址，然后添加函数功能块，调用MB_CLIENT指令，其作用是在客户端与服务器之间建立连接，发送Modbus请求并接收响应[5]。对其中几个重要参数进行说明，MB_MODE参数定义了Modbus的读写功能。MB_DATA_ADDR参数用于计算远程地址的地址信息，计算方法为报文起始地址与Modbus起始地址相加。CONNECT参数指向描述连接结构的TCON_IP_v4指针，调用的所有MB_CLIENT指令的CONNECT参数指向同一连接结构指针。TCON_IP_v4指针具体设置如图2所示。

图2 TCON_IP_v4参数设置

对发送和接收的数据进行处理。首先添加新的数据块，按照报文封装数据的结构，在数据块中创建两个结构体变量分别存储发送和接收的数据，发送的数据结构变量如图3所示。

图3 发送的数据结构体变量

调用MOVE指令，处理存储在数据缓冲区的32个字节的报文数据使之与结构体变量内容相匹配，将处理好的数据存储到结构体变量中，实现对微波发生器运行参数的数据采集。部分程序设计如图4所示。

图4 数据处理程序

2.2 S7-1200PLC与质量流量计的通信设计

PLC与质量流量计是通过RS-485两线制主从通信连接的方式进行数据传递[6]。西门子S7-1200作为通信主机，从信号板CB1241(RS-485)处接出的RS-485通信链路挂接4个从站节点，4个质量流量计作为从站通过RS-485通信口相互串联，如图5所示。

图5 质量流量计接入PLC端口配置图

在通信连接之前，通过FCS_MACIDset软件对各个质量流量计的MACID物理地址进行设置，以便通信时通过不同的MACID地址号寻找相应的从站，来发送请求指令[6]。将4个质量流量计的MACID地址分别设置为Ox21、Ox22、Ox23和Ox24。控制模式参数Control Mode设置为Digital Mode(数字量控制模式)。

PLC与各质量流量计通过RS-485通信的方式进行连接，通信过程中的数据传输帧格式如图6所示。

图6 数据传输帧格式

根据主站发出读取和写入命令请求的不同，从站的应答机制也有所不同，因此通信过程中数据传输帧的格式也有所不同[7]。当主站在对从站进行数据读取命令请求时，命令帧数据格式由Master MACID、STX、Command Code、Packet Length、Class ID、Instance ID、Attribute ID、Pad和Checksum 9个部分组成，长度为9个字节。从站在成功接收到命令请求后，会在1 ms内作出应答响应，包括1个字节的ACK(=Ox06)响应码和11个字节的数据传输帧，因此响应帧总长度为12个字节。当主站在对从站进行数据写入命令请求时，命令帧数据格式为一般数据传输帧格式，字节长11个字节，如图6所示。从站成功应答命令请求后只会返回2个字节长度ACK(=Ox06)表示数据已成功写入。

采用轮询的方式对4个质量流量计发送命令请求，分别获取各个质量流量计的相关参数数据。通过参照命令功能表，对命令帧中的相关参数进行设置来获取质量流量计的特定参数数据。当主站发送命令请求获取IndicatedFlow参数数据时，命令帧中对应的Class ID、Instance ID、Attribute ID参数应分别设置为Ox6a、Ox01、Oxa9。当命令请求获取Setpoint参数数据时，则命令帧中对应参数应分别设置为Ox69、Ox01、Oxa4。

在博图(TIA portal)软件中进行程序设计，首先调用点到点通信发送指令SEND_PTP,其作用是建立通信连接，发送通信缓冲区数据。接收来自质量流量计的响应数据帧时，调用RCV_PTP指令，其作用是接收从站返回的响应帧数据并储存在缓冲区内[8]。其中BUFFER参数作为地址指针指向命令帧数据。

综上所述，根据命令帧数据格式的设置规则，当读取#21质量流量计的Setpoint参数数据时，命令帧数据的长度为9个字节，具体参数设置如图7所示；当写入质量流量计的Setpoint参数数据时，命令帧数据的长度为11个字节，具体参数设置如图8所示。

图7 读取Setpoint参数命令帧设置

图8 写入Setpoint参数命令帧设置

根据从站应答响应机制的不同响应帧长度有所不同，接收读取响应帧时数据缓冲区长度应为12个字节，接收写入响应帧时接收数据缓冲区长度应为2个字节。SEND_PTP指令与RCV_PTP指令必须成对调用才能完成一个完整的命令请求与响应应答的通信过程。两个指令不可同时作用，上一个指令结束后，下一个指令才能导通。用户可以根据现场工艺具体要求，自行选择需要获取的质量流量计相关参数，确定需要调用的指令组数。

3 上位机画面设计

系统设计的上位机画面的作用主要在于西门子S7-1200PLC与各个质量流量计成功建立通信连接后，测试通信数据是否正常以及实现实时监控系统内各个设备的运行状态和参数。在西门子TIA portal环境中，组态PLC与PC station设备与网络结构，上位机组态结构如图9所示。

图9 上位机组态结构图

在PC station中的WinCC RT Advanced组态设备下设计了质量流量计控制与显示画面，如图10所示。

图10 质量流量计控制与显示画面

4 结语

通过分析Modbus/TCP协议的报文结构以及RS-485通信协议的数据传输帧格式，分别针对单客户端服务器结构以及一主多从结构的通信结构，实现了PLC与微波电源以及质量流量计之间的通信系统设计。所设计的系统解决了金刚石合成过程中数据反馈不及时的问题，有利于提高合成高品级金刚石的转化率和产量。该系统已在现场运行，满足了金刚石合成过程中对过程变量的监控要求。