姚曉寧，劉志剛，郭 瓊

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

一、引言

MELSEC通信協(xié)議，簡稱MC協(xié)議，是三菱PLC與外部設(shè)備通信的方式。MC TCP/IP用于實現(xiàn)外部設(shè)備（如計算機(jī)、顯示器等）經(jīng)由以太網(wǎng)模塊對三菱PLC的軟件數(shù)據(jù)讀出/寫入的通信。只要外部設(shè)備可以嵌入應(yīng)用程序，并遵循MELSEC PLC的協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)，便可利用MC協(xié)議通信和訪問MELSEC PLC。由于以太網(wǎng)模塊是根據(jù)對方設(shè)備發(fā)出的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此PLC側(cè)不需要使用特定的指令讀取/發(fā)送數(shù)據(jù)，只需要使用編程軟件初始化串口通信環(huán)境，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)和奇偶校驗位，保證雙方的初始化狀態(tài)一致，即可由外部設(shè)備直接讀取/發(fā)送數(shù)據(jù)[1]。

MC通信協(xié)議提供二進(jìn)制代碼和ASCII代碼兩種數(shù)據(jù)格式。選擇的方式不同，通信的數(shù)據(jù)容量及數(shù)據(jù)存儲順序也有所不同。二進(jìn)制代碼通信時，按照從低位字節(jié)到高位字節(jié)的順序存儲；ASCII代碼通信時按照從高位字節(jié)到低位字節(jié)的順序存儲。二進(jìn)制代碼通信的數(shù)據(jù)通信量只有ASCII代碼通信的一半左右，可縮短設(shè)備之間的通信時間[2]。

三菱通信模塊有內(nèi)置以太網(wǎng)模塊（與CPU一起）和以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊，不同的模塊設(shè)置參數(shù)的方式基本相同，都需要在PLC編程軟件中配置IP地址、設(shè)置協(xié)議格式、開放與上位機(jī)MC協(xié)議通信的端口。

二、通信系統(tǒng)搭建與參數(shù)設(shè)置

（一）系統(tǒng)搭建

西門子TIA PORTAL軟件為三菱PLC提供了Mitsubishi FX、Mitsubishi MC TCP/IP兩種通信驅(qū)動程序。其中，Mitsubishi FX通信驅(qū)動程序支持三菱MELSEC FX1N、FX2N系列PLC，可使用帶有集成RS 422/RS 232適配器的編程電纜SC-09連接 HMI設(shè)備；MC TCP/IP通信驅(qū)動程序支持具有FX3UENET通信模塊的MELSEC FX3U、FX3UC、FX3G系列PLC，以及支持通信模塊QJ71E71-100的Q系列PLC或帶有板載以太網(wǎng)接口的QnUDEH PLC。通過串口模塊和以太網(wǎng)接口模塊進(jìn)行設(shè)備的連接，實現(xiàn)點對點的通信。

選取帶有以太網(wǎng)接口的SIMATIC HMI設(shè)備及配有以太網(wǎng)通信模塊的FX3U PLC搭建通信系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本項目選擇的SIMATIC HMI設(shè)備型號為TP700 Comfort，訂貨號 6AV2 124-0GC01-0AX0；FX3U PLC型號為FX3U-32M，通信模塊為FX3UENET-L；使用兩根網(wǎng)線，通過HMI設(shè)備上自帶交換功能的兩個工業(yè)以太網(wǎng)接口分別連接編程電腦和FX3U-ENET-L通信模塊。

TIA PORTAL軟件為其他廠商的PLC提供了豐富的內(nèi)置通信驅(qū)動程序，并通過使用變量或區(qū)域指針兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（二）HMI的通信組態(tài)

打開TIA PORTAL V15編程軟件，通過創(chuàng)建新項目、添加新設(shè)備、選擇HMI、設(shè)置HMI的 IP地址等步驟創(chuàng)建HMI并組態(tài)相應(yīng)參數(shù)。圖2為設(shè)置HMI與FX3U PLC通信連接及參數(shù)的界面。

圖2 通信驅(qū)動程序選擇和連接參數(shù)設(shè)置

（三）PLC以太網(wǎng)模塊配置

三菱FX3U-ENET-L以太網(wǎng)通信模塊需要專門的組態(tài)工具（FX3U-ENET-L Configuration Tool）來配置，需要配置的界面包括通信模塊位置、運行設(shè)置（數(shù)據(jù)代碼和IP地址等）、通信模塊開啟設(shè)定。設(shè)置完成后，使用三菱PLC編程電纜連接PLC，然后給PLC上電，并建立與PLC的連接[3]。

點擊“在線→寫入”，將配置好的參數(shù)寫入PLC。完成后，退出通信模塊組態(tài)工具軟件，如圖3所示。

圖3 將配置好的參數(shù)寫入PLC

（四） 數(shù)據(jù)交換方式

兩臺設(shè)備建立通信后，可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。HMI與PLC之間數(shù)據(jù)交換主要有變量數(shù)據(jù)交換和區(qū)域指針數(shù)據(jù)交換兩種方式。

三、基于變量方式的數(shù)據(jù)交換

（一）HMI側(cè)通信變量的建立

TIA PORTAL中的組態(tài)軟件WinCC Flexible和三菱FX3U PLC之間的連接屬于非集成連接，需要通過絕對尋址方式（即PLC地址）組態(tài)變量連接，并通過組態(tài)后的HMI變量在HMI設(shè)備和PLC設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

HMI與PLC之間使用變量交換數(shù)據(jù)是最常用的方式。采用Mitsubishi MC TCP/IP連接，與HMI數(shù)據(jù)交換允許的數(shù)據(jù)類型有數(shù)據(jù)塊DB、Bool、Int、DInt、Real等類型，可與三菱PLC的位地址X、Y、M進(jìn)行連接，與數(shù)據(jù)寄存器D、定時器T、計數(shù)器C進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。

在組態(tài)軟件的“項目樹”中，點擊“HMI變量”文件夾中的“添加新變量表”，在新添加的變量表中，依次建立需要讀取/寫入的變量，并制作可讀取/寫入PLC變量的可視化界面，如圖4所示。

圖4 HMI讀取/寫入變量設(shè)置

（二）PLC側(cè)通信程序編寫與運行

打開GX DEVOLOPER編程軟件，按照通信要求編寫相應(yīng)的PLC程序。例如，PLC梯形圖程序在線監(jiān)控如圖5所示，HMI運行畫面如圖6所示。在HMI上操作M1按鈕，根據(jù)PLC程序運行結(jié)果，Y0置位，D0、D1被賦值，HMI上讀取相關(guān)數(shù)據(jù)；在HMI上修改D2數(shù)據(jù)，則PLC中獲得D2數(shù)值。

圖5 PLC監(jiān)控頁面

圖6 HMI運行畫面

四、基于區(qū)域指針方式的數(shù)據(jù)交換

（一）區(qū)域指針介紹

區(qū)域指針是參數(shù)區(qū)域，是針對組態(tài)界面“ 連接”的功能。西門子HMI設(shè)備可以使用“區(qū)域指針”標(biāo)簽組態(tài)可用的區(qū)域指針地址，與連接的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成一些特定的讀取/寫入操作，如通過PLC進(jìn)行用戶登錄、注銷設(shè)置等功能。

HMI和PLC之間區(qū)域指針適用的操作功能如表1所示。

表1 使用區(qū)域指針實現(xiàn)的通信功能

在組態(tài)軟件中，點擊“項目樹”下HMI設(shè)備的“連接”選項卡，建立與其他類型PLC的連接，如圖7所示，本例建立與三菱FX3U PLC的連接“FX3U_TCP”；建立后，就可點擊下方的“區(qū)域指針”進(jìn)行組態(tài)。

圖7 使用區(qū)域指針進(jìn)行組態(tài)

區(qū)域指針必須在“連接 ＞ 區(qū)域指針” 下激活或設(shè)置以后方可以正常使用。通過激活相應(yīng)的區(qū)域指針，HMI和PLC之間就可以進(jìn)行特定功能的數(shù)據(jù)交換。

（二）設(shè)備間時鐘同步功能的實現(xiàn)

組態(tài)軟件提供了“日期/時間”區(qū)域指針和“日期/時間PLC” 區(qū)域指針兩種同步方式。通過區(qū)域指針，可以實現(xiàn)將日期和時間從HMI 設(shè)備傳送到 PLC或者將日期和時間從 PLC 傳送到 HMI 設(shè)備，從而滿足系統(tǒng)中HMI和PLC的時鐘同步。使用該項通信功能時，只能組態(tài)一個，不能同時使用。

以使用“日期/時間 PLC”區(qū)域指針組態(tài)和設(shè)置為例，實現(xiàn)HMI 設(shè)備在組態(tài)的采集時間周期內(nèi)讀取PLC時鐘數(shù)據(jù)并保持自同步。實現(xiàn)方法如下：

1.在“區(qū)域指針”下的“HMI設(shè)備的全局區(qū)域指針”對“日期/時間 PLC”進(jìn)行組態(tài)，如圖8所示。

該區(qū)域指針指定的是一個固定長度為6個字的數(shù)據(jù)區(qū)，本例設(shè)置對應(yīng)PLC的首地址為D40，即FX3U PLC中D40～D45共6個連續(xù)的數(shù)據(jù)寄存器，其中，D40存放年、月，D41存放日、小時，D42存放分鐘、秒鐘，D43的低字節(jié)存放星期。

采集模式選擇循環(huán)連續(xù)模式，采集周期設(shè)定為1分鐘。

圖8 時鐘通信區(qū)域設(shè)置

2.PLC時鐘通信程序編寫如圖9所示。程序?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵點處理如下：

（1)讀取PLC時鐘。PLC使用時鐘讀取指令TRD將PLC時鐘讀取到D100起始的數(shù)據(jù)寄存器中，占用D100～D106共7個數(shù)據(jù)寄存器，分別存放時間的年/月/日/小時/分/秒/星期。

（2)與HMI時鐘格式對應(yīng)。在HMI側(cè)，“日期/時間 PLC”數(shù)據(jù)區(qū)域的數(shù)據(jù)格式被定義為 BCD編碼格式，在PLC程序編寫時需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以滿足西門子HMI設(shè)備的格式要求。先采用BCD指令將時鐘轉(zhuǎn)換為BCD格式；然后高字節(jié)數(shù)據(jù)用RCL左移指令左移8位，與轉(zhuǎn)換后的低字節(jié)進(jìn)行或運算，得到滿足格式的數(shù)據(jù)并傳送到對應(yīng)寄存器中。

圖9 PLC與HMI時鐘通信程序

系統(tǒng)運行后，兩側(cè)時鐘顯示如圖10所示。本系統(tǒng)以PLC為主時鐘，采用組態(tài)軟件提供的時間區(qū)域指針，實現(xiàn)HMI系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的時鐘同步。

圖10 PLC與HMI分別顯示同步后的時鐘

（三）作業(yè)信箱區(qū)域指針的功能實現(xiàn)

1.作業(yè)信箱及對應(yīng)功能

PLC可使用作業(yè)信箱將作業(yè)傳送到HMI設(shè)備以觸發(fā)HMI上相應(yīng)的操作。作業(yè)信箱由4個字構(gòu)成，第1個字寫入作業(yè)號，第2～4個字寫入作業(yè)號對應(yīng)的參數(shù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 作業(yè)信箱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

作業(yè)信箱的第一個字中含有作業(yè)號。作業(yè)參數(shù)根據(jù)作業(yè)號不同而不同，最多可傳送三個參數(shù)。

通過PLC設(shè)置不同的作業(yè)號和參數(shù)，傳送到HMI來調(diào)用，以實現(xiàn)不同操作功能。作業(yè)編號及對應(yīng)功能如表3所示[4]。

表3 作業(yè)號對應(yīng)的功能

2.HMI畫面自動切換功能實現(xiàn)

隨著自動化程度的提高，HMI窗口界面隨著PLC工序的變化自動切換至對應(yīng)監(jiān)控畫面的應(yīng)用越來越多，以滿足人們對實時顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和工藝內(nèi)容的需求。例如，當(dāng)工藝進(jìn)入工序1時HMI上自動顯示畫面1，進(jìn)入工序2時自動顯示畫面2，進(jìn)入工序3時自動顯示畫面3。使用作業(yè)信箱指針實現(xiàn)方法如下：

(1)在HMI組態(tài)界面激活作業(yè)信箱，設(shè)定PLC首地址為D20，采集時間設(shè)為1s，如圖11所示。

圖11 設(shè)置作業(yè)信箱區(qū)域指針

(2)HMI設(shè)備將調(diào)用的畫面信息存儲在“畫面號”編號區(qū)域指針中，如圖12所示。

(3)在PLC中編寫HMI畫面切換程序如圖13所示，S22、S25、S30分別為工作步驟進(jìn)入工序1、工序2、工序3的標(biāo)志位。當(dāng)進(jìn)入工序1時，標(biāo)志位S22為ON，將作業(yè)參數(shù)變量D21設(shè)為1，作業(yè)號變量D20設(shè)為51，則HMI畫面自動切換顯示畫面1；當(dāng)進(jìn)入工序2時，標(biāo)志位S25為ON，將作業(yè)參數(shù)變量D21設(shè)為2，作業(yè)號變量D20設(shè)為51，則HMI畫面自動切換顯示畫面2。可見，HMI畫面的自動切換可增強工作內(nèi)容可視化顯示的及時性和HMI界面操控的方便性。

圖12 “畫面編號”區(qū)域指針設(shè)置

圖13 工藝切換觸發(fā)HMI畫面切換

五、結(jié)語

外部設(shè)備遵循三菱MC協(xié)議的報文格式、控制步驟可靈活實現(xiàn)與三菱PLC的通信。使用MC協(xié)議，可以通過應(yīng)用軟件編寫通信功能和接口程序，這種方法需要具有一定的軟件開發(fā)和編程能力；也可以借助支持MC協(xié)議的組態(tài)軟件實現(xiàn)設(shè)備之間的通信與數(shù)據(jù)交互，這種方法只要按照要求進(jìn)行通信參數(shù)配置與通信功能的簡單編寫或調(diào)用即可。

選用SIMATIC HMI與FX3U PLC進(jìn)行MC TCP/IP通信，適合沒有上位機(jī)軟件開發(fā)背景的工程技術(shù)人員使用，可降低非三菱設(shè)備與三菱PLC通信時采用軟件編寫通信協(xié)議時的工作量和工作難度。