現(xiàn)場總線技術(shù)及應用課件：非周期性數(shù)據(jù)的應用

非周期性數(shù)據(jù)的應用7.1周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)7.2ModbusRTU的非周期性數(shù)據(jù)7.3CANopen的非周期性數(shù)據(jù)7.4ProfibusDP的非周期性數(shù)據(jù)7.5工業(yè)以太網(wǎng)的非周期性數(shù)據(jù)小結(jié)思考與習題

知識目標

(1)了解非周期性數(shù)據(jù)的特征。

(2)理解不同通信協(xié)議非周期性數(shù)據(jù)的處理方法。

能力目標

(1)掌握各種通信協(xié)議非周期性數(shù)據(jù)功能塊的使用。

(2)掌握非周期性數(shù)據(jù)分析的方法。

7.1周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)

現(xiàn)場總線應用中，周期性數(shù)據(jù)為現(xiàn)場設(shè)備的控制和監(jiān)視提供支持，它也是現(xiàn)場應用中最常見、應用最多的數(shù)據(jù)類型。非周期性數(shù)據(jù)的應用相對較少，但它可以對現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)進行讀/寫的操作，也是我們必須要了解的一種數(shù)據(jù)類型。

周期性數(shù)據(jù)是指設(shè)備之間根據(jù)一定的周期來反復進行的訪問數(shù)據(jù)，并由控制者決定其開始及結(jié)束的時間。

周期性數(shù)據(jù)通常用于現(xiàn)場設(shè)備的控制和監(jiān)視，因為控制和監(jiān)視的數(shù)據(jù)本身需要反復進行，而不是訪問一次就可以的。

例如：控制變頻器時的頻率給定值就是需要不停地重復給定的，變頻器也會根據(jù)當前的頻率給定值來改變自身的輸出頻率，這樣一旦頻率給定值發(fā)生變化，變頻器的輸出頻率也會跟著立即變化；變頻器的輸出電流也是需要不停地重復讀出的，這樣我們才能知道電機運行的實時電流，并根據(jù)當前電流的大小及持續(xù)時間來判斷電機是否過載或欠載。周期性數(shù)據(jù)的周期是由上位機的掃描周期、通信的速率及收發(fā)器的性能決定的，它們的響應時間通常都很短，是毫秒甚至微秒級的，用以保證周期性數(shù)據(jù)的每一幀都能準確無誤地傳遞。周期性數(shù)據(jù)是整個通信數(shù)據(jù)中比例較大的部分，而且對速率的要求較高。

非周期性數(shù)據(jù)是指設(shè)備之間根據(jù)控制者的需求發(fā)起的一次或多次的訪問數(shù)據(jù)，并在每次成功訪問后結(jié)束。

非周期性數(shù)據(jù)通常用于現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)修改或讀取，這些修改或讀取通常只需要進行一次即可，因為修改或讀取成功即可進行其他的工作，不需要重復進行。一旦非周期性數(shù)據(jù)需要再次或多次訪問，重新申請一次或多次訪問即可。

例如，將變頻器的加速時間由出廠設(shè)置的3秒修改為30秒，只需要通過非周期性數(shù)據(jù)申請寫入，將加速時間修改為30秒并保存即可，修改成功之后無需重復寫入。非周期性數(shù)據(jù)訪問需要的時間一樣取決于上位機的掃描周期、通信的速率及收發(fā)器的性能，但由于非周期性數(shù)據(jù)通常對實時性的要求不是很高，所以對現(xiàn)場總線上設(shè)備的性能并沒有很高的要求。非周期性數(shù)據(jù)是整個通信數(shù)據(jù)中比例較小的部分，只在需要的時候發(fā)起并結(jié)束，對速率的要求不是特別高。

目前對現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)訪問中，有DTM、webserver等手段，也有很多設(shè)備本身就具有參數(shù)切換的功能，甚至有些現(xiàn)場也靠盡量縮短開始和結(jié)束之間的時間間隔來把周期性數(shù)據(jù)當作非周期數(shù)據(jù)來使用。再加上很多通信協(xié)議將非周期性數(shù)據(jù)的訪問定義得過于嚴苛和復雜，導致非周期性數(shù)據(jù)的應用越來越少。但非周期性數(shù)據(jù)的應用我們還是需要了解的，它對我們理解通信的內(nèi)容和過程有很大的幫助。

7.2ModbusRTU的非周期性數(shù)據(jù)

ModbusRTU通信協(xié)議中并沒有定義如CANopen里的SDO、ProfibusDP里的PKW這類的非周期性數(shù)據(jù)，但是它也有方法可以將數(shù)據(jù)進行非周期性的讀/寫。我們將以施耐德M340的PLC和施耐德ATV71變頻器的ModbusRTU通信為例來說明兩種方法，即使用READ_VAR和WRITE_VAR功能塊以及使用DATA_EXCH功能塊。

7.2.1使用READ_VAR和WRITE_VAR功能塊

在第3章中，我們已經(jīng)了解了使用READ_VAR和WRITE_VAR功能塊來對數(shù)據(jù)進行周期性讀寫的方法，如圖7-1所示。

從這段程序中我們可以看到，在令牌觸發(fā)的情況下，READ_VAR和WRITE_VAR功能塊就會開始工作，進行周期性數(shù)據(jù)的讀和寫的操作。

圖7-1Modbus中READ_VAR和WRITE_VAR

這種情況下想進行非周期性數(shù)據(jù)的讀/寫也很簡單，只需要在READ_VAR和WRITE_VAR功能塊前面再附加一個觸發(fā)條件就可以了，當觸發(fā)條件滿足時就開始讀/寫，當觸發(fā)條件失效時就停止讀/寫。例如，可以在READ_VAR功能塊的EN腳前面串聯(lián)一個M0的常開觸點，需要READ_VAR功能塊進行讀操作時就讓M0的觸點閉合，需要READ_VAR功能塊結(jié)束讀操作時就讓M0的觸點打開。M0的閉合和打開的時機完全可以由編程者自己決定，如定時進行、其他條件觸發(fā)進行、人為結(jié)束、成功讀取數(shù)據(jù)后結(jié)束等很多方法，這里不再贅述。

7.2.2使用DATA_EXCH功能塊

DATA_EXCH是一個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ軌K，在施耐德M340的CPU上，它可以用于將Modbus的請求發(fā)送到另一個設(shè)備。與READ_VAR及WRITE_VAR功能塊不同，DATA_EXCH更像是人為地傳輸一個或多個數(shù)據(jù)幀。

在“項目瀏覽器”→“項目”→“變量和FB實例”→“基本變量”中建立3個類型為INT的變量，如圖7-2所示。

圖7-2新建變量的界面

REG變量用于存放即將讀或?qū)懙淖冾l器的寄存器地址；FUN用于存放讀或?qū)懻埱蟮腗odbus功能碼；VAL用于存放讀出的值或即將寫入的值。

在“項目瀏覽器”→“項目”→“程序”→“任務”→“MAST”→“段”中新建一個FBD格式名為“DATA_EXCH”的程序，如圖7-3所示。

圖7-3新建DATA_EXCH程序

在理解這段程序之前，我們需要先回憶一下Modbus數(shù)據(jù)幀的格式。

(1)?03功能碼的消息格式如下：

主機請求

(2)

06功能碼的主機請求和從機應答的消息格式是相同的。格式如下：

DATA_EXCH功能塊的EMIS腳輸入的數(shù)據(jù)中不需要包含從站編號和CRC16校驗，對應之前建立的3個變量。DATA_EXCH功能塊的EMIS腳輸入的數(shù)據(jù)格式如下：

(1)?03功能碼的消息格式如下：

03功能碼和06功能碼對于DATA_EXCH功能塊的EMIS腳來說需要處理的消息格式是一致的。格式如下：

但是要注意，DATA_EXCH功能塊的EMIS腳輸入的要求是“低字節(jié)在前，高字節(jié)在后”，那么我們需要把剛才的消息格式按照從前到后的順序進行高低字節(jié)的位置互換?；Q之后消息格式如下：

理解了EMIS腳輸入的消息格式后，我們就可以理解剛才的程序中前3個MOVE功能塊的功能了，如圖7-4所示。

圖7-4前3個MOVE功能塊

在程序中，我們看到DATA_EXCH功能塊的EMIS腳輸入的是%MW50、%MW51、%MW52這3個由INT型數(shù)組成的數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)。在經(jīng)過這3個MOVE功能塊的數(shù)據(jù)輸入后，%MW50、%MW51、%MW52里面存儲的數(shù)據(jù)如下：

其中REG&16#FF00表示變量REG和十六進制的FF00相與，即保留變量REG的高字節(jié)，因為一個字和十六進制的FF00相與即和1111111100000000相與，高字節(jié)的8位值會按原樣保留，低字節(jié)的8位會變?yōu)?。

同理，VAL&16#FF00可以保留VAL的高字節(jié)，REG&16#00FF可以保留REG的低字節(jié)，VAL&16#00FF可以保留VAL的低字節(jié)。

也就是說，經(jīng)過前面的3個MOVE功能塊后，%MW50、%MW51、%MW52里面存儲的數(shù)據(jù)如下：

可以看到，這跟之前提到的DATA_EXCH的EMIS腳需求的輸入格式是一致的，前3個MOVE功能塊的作用就是把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為EMIS腳需求的格式。

第4個MOVE功能塊則要簡單得多，是將%MW103賦值5，如圖7-5所示。

圖7-5第4個MOVE功能塊

這一步的意義是，我們傳遞數(shù)據(jù)一共只使用了5個字節(jié)，第3個字的高字節(jié)沒有用到，我們必須要將使用的數(shù)據(jù)長度分配給GEST腳的第4個字即%MW103內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿M行。

最后一步就是關(guān)鍵的DATA_EXCH功能塊，如圖7-6所示。

圖7-6DATA_EXCH功能塊

ADR對應的是需要傳輸?shù)牡刂?，我們通過一個ADDM功能塊將變頻器的地址“0.0.0.3”寫入。

TYP對應的是操作模式，對于M340我們輸入的值是1，代表傳輸數(shù)據(jù)后等待接收。

EMIS對應的是數(shù)據(jù)幀的一部分，這部分內(nèi)容我們剛才已經(jīng)做了詳細介紹。

GEST對應的是交換管理區(qū)，比較重要的就是它的第4個字。

RECP對應的是數(shù)據(jù)接收區(qū)，我們使用的是從%MW80開始的連續(xù)10個字。

在“項目瀏覽器”→“動態(tài)數(shù)據(jù)表”內(nèi)新建一個動態(tài)數(shù)據(jù)表，如圖7-7所示。

圖7-7新建動態(tài)數(shù)據(jù)表界面

在PLC和變頻器正常連接后，于在線模式下，將REG修改為“3201”，VAL修改為“1”，F(xiàn)UN修改為“3”，如圖7-8所示。

圖7-8待機時的狀態(tài)字界面

立即讀取狀態(tài)字的值，讀取出來的結(jié)果顯示在%MW80、%MW81內(nèi)的數(shù)據(jù)是十六進制的0203,3300。當然，這里的數(shù)據(jù)也是低字節(jié)在前高字節(jié)在后的，我們將高低字節(jié)內(nèi)的數(shù)值互換，即得到正確的反饋信息是0302,0033。參考之前的Modbus反饋信息的格式，我們可知它表達的意思是讀到2個字節(jié)的值為0033，即變頻器處于待機狀態(tài)。

在變頻器處于RUN狀態(tài)下，讀取到的信息如圖7-9所示。

我們再將REG修改為9001，VAL修改為600，F(xiàn)UN修改為6，如圖7-10所示。

圖7-10修改加速時間的界面

就是請求將變頻器的9001即加速時間修改為600(即60秒)，反饋的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后為十六進制的062329025800，即十進制的069001600，參數(shù)修改成功。

ATV71變頻器的參數(shù)在修改之后，如果希望在斷電并再次上電之后參數(shù)依然有效，需要對擴展控制字CMI的bit1置1，以將參數(shù)保存至變頻器的EEPROM。需要注意的是，在參數(shù)成功保存之后CMI的bit1會自動回零，一定不要重復地將其置1，因為EEPROM的壽命是有限的，重復的置1會導致變頻器的EEPROM快速損壞。

如果希望DATA_EXCH功能塊按照我們的需求只執(zhí)行一次或有限次，可以按照之前在READ_VAR和WRITE_VAR里提到的方法，用一定的觸發(fā)條件來觸發(fā)及結(jié)束DATA_EXCH功能塊即可。

7.3CANopen的非周期性數(shù)據(jù)

CANopen中有定義專門用于非周期性數(shù)據(jù)的SDO類型，我們將以施耐德M340的PLC和施耐德ATV71變頻器來進行實驗，在M340中同樣可以使用READ_VAR和WRITE_VAR功能塊來實現(xiàn)CANopen的SDO讀/寫，只是引腳的輸入和Modbus略有不同。

本實驗中，我們使用的是BMXP3420102的CPU，它有一個自帶的CANopen接口，將其連接至變頻器的CANopen接口即可，變頻器的地址設(shè)置為3，PLC的CANopen網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中一樣將變頻器的地址組態(tài)設(shè)置為3。

在“項目瀏覽器”→“變量和FB實例”→“基本變量”中新建以下變量，如圖7-11所示。圖7-11新建變量界面

我們將M1和M2分別放置于READ_VAR和WRITE_VAR功能塊的前端，用于觸發(fā)讀和寫的操作，它們的變量類型為BOOL。REG1和REG2在程序中用于輸入讀或?qū)懙淖冾l器的寄存器地址，它們的變量類型為DINT，因為SDO的CANopen地址包含索引和子索引，需要占用兩個字。

在“項目瀏覽器”→“程序”→“任務”→“MAST”→“段”中新建名為“READWRITE”的LD格式程序。輸入讀的程序如圖7-12所示。

圖7-12新建讀程序

M1用于觸發(fā)READ_VAR功能塊。

ADR腳對應的是CANopen從站即變頻器的地址，我們需要使用一個ADDM的命令來輸入“0.0.2.3”，0.0.2對應的是CPU上自帶的CANopen接口，3對應的是變頻器的CANopen地址。

OBJ腳對應的是讀取的數(shù)據(jù)類型，由于我們需要讀取的是SDO數(shù)據(jù)，這里輸入“sdo”，這點和Modbus是不同的。

NUM腳對應的是讀取的寄存器地址，這里輸入之前建立的變量REG1。需要注意的是，這個地址對應的是CANopen的地址即包含索引和子索引，而且它是“低字在前，高字在后”，在修改REG1的值時需要把子索引放在前面，索引放在后面。

NB腳對應的是需要讀取的寄存器偏移量，這里設(shè)置為0。

GEST腳對應的是數(shù)據(jù)交換管理表，這里輸入一個從%MW200開始長度為4的數(shù)組來存放交換管理表。

RECP腳對應的是讀操作后的數(shù)據(jù)接收區(qū)，這里輸入一個從%MW100開始長度為16的數(shù)組來存放接收到的數(shù)據(jù)。

在“READWRITE”程序中輸入寫的程序，如圖7-13所示。圖7-13新建寫程序

M2用于觸發(fā)WRITE_VAR功能塊。

ADR腳對應的是CANopen從站即變頻器的地址，輸入一個和READ_VAR功能塊中一樣的地址ADDM(‘0.0.2.3’)。

OBJ腳對應的是寫入的數(shù)據(jù)類型，由于我們需要寫入的是SDO數(shù)據(jù)，這里輸入“sdo”，和READ_VAR功能塊中一樣。

NUM腳對應的是寫入的寄存器地址，這里輸入之前建立的變量REG2，一樣是“低字在前，高字在后”，在修改REG2的值時同樣需要把子索引放在前面，索引放在后面。

NB腳對應的是需要寫入的寄存器偏移量，這里設(shè)置為0。

EMIS腳對應的是需要寫入寄存器的值，這里使用了一個從%MW300開始長度為2的數(shù)組來輸入要寫入的值。

GEST腳對應的是數(shù)據(jù)交換管理表，這里輸入一個從%MW400開始長度為4的數(shù)組來存放交換管理表。需要注意的是，WRITE_VAR功能塊有一點不同的地方是必須要從

GEST中指定寫入的數(shù)據(jù)長度，否則寫操作不能正常進行。本例中，我們需要在%MW403中輸入2，即數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié)。

在“項目瀏覽器”→“動態(tài)數(shù)據(jù)表”中新建一個數(shù)據(jù)表，如圖7-14所示。

圖7-14新建數(shù)據(jù)表界面

從變頻器的通信地址表中查到狀態(tài)字ETA的CANopen地址為6041/00，即索引6041，子索引00。在數(shù)據(jù)表中將REG1的值修改為“16#0000_6041”(子索引在前，索引在后)，M1的值修改為“1”，可以看到%MW100讀出的值為“16#0033”，狀態(tài)字顯示變頻器處于待機狀態(tài)，如圖7-15所示。

圖7-15讀取狀態(tài)字的界面

從變頻器的地址表中查到加速時間ACC的CANopen地址為16#203C/2，即索引203C，子索引2。在數(shù)據(jù)表中將REG2的值修改為“16#0002_203C”(子索引在前，索引在后)，%MW403的值修改為“2”(寫入數(shù)據(jù)的長度)，%MW300的值修改為“600”(即60秒)，M2的值修改為“1”，如圖7-16所示。

圖7-16修改加速時間的界面

7.4ProfibusDP的非周期性數(shù)據(jù)

我們使用的實驗設(shè)備是西門子S7-300的PLC和施耐德ATV340的變頻器，在組態(tài)過程中將ATV340添加至ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)后，將其PPO數(shù)據(jù)類型選擇為Telegram100(4PKW/2PZD)，如圖7-17所示。圖7-17PPO數(shù)據(jù)類型選擇的界面

從組態(tài)界面中我們可以看到，“I地址”和“Q地址”中的“50...57”的8個字節(jié)即4個字就是PKW，而“I地址”和“Q地址”中的“58...61”的4個字節(jié)即2個字就是PZD。需要注意的是，施耐德變頻器的Telegram100是特定的報文格式，它的PKW定義及訪問和其他Profidrive設(shè)備是不同的。它的輸入PKW區(qū)定義如表7-1所示。

從它的輸入和輸出的PKW區(qū)定義可以看到，和PZD同自己映射的數(shù)據(jù)一一對應不同，PKW的讀和寫是由多個字配合完成的，每個字都有自己不同的功能。輸入和輸出的PKW1都用于存放需要讀或?qū)懙膮?shù)所對應的Modbus地址；輸入的PKW2用于存放當前操作的請求是讀或?qū)?，輸出的PKW2用于存放請求的響應進度；輸入的PKW3、PKW4用于存放需要寫入的值，輸出的PKW3、PKW4用于存放請求成功之后的值。

在對PKW進行訪問時，需要使用西門子PLC內(nèi)置的SFC58和SFC59即WR_REC寫數(shù)據(jù)記錄和RD_REC讀數(shù)據(jù)記錄這兩個模塊。在主程序OB1中添加程序，如圖7-18所示。

圖7-18添加程序圖7-18添加程序

程序段1中，通過MOVE指令將十六進制的值32即十進制的值50寫入到寄存器%MW16中，用以對應PKW的起始地址50。

程序段2中，通過WR_REC功能塊將寄存器%MW4中存儲的參數(shù)的Modbus邏輯地址寫入到PKW中。

程序段3中，通過RD_REC功能塊將程序段2中對應的參數(shù)的Modbus邏輯地址的值讀出，并存儲在%MW6中。

程序段4中，通過WR_REC功能塊將寄存器?%MW8中存儲的值寫入到程序段2中對應的參數(shù)的Modbus邏輯地址中。

需要注意的是，RD_REC功能塊和WR_REC功能塊都是對PKW區(qū)整體操作的，其在程序中不同的位置實現(xiàn)的功能可能不同，具體操作值的對應關(guān)系請參考之前PKW區(qū)的定義。

在博圖軟件中新建監(jiān)控表如圖7-19所示。

圖7-19新建監(jiān)控表的界面

從變頻器的通信地址表我們得知ATV340變頻器的參數(shù)“加速時間”的邏輯地址為9001，在監(jiān)控表中將?%MW4的修改值設(shè)置為9001刷新，并將?%MW0.0強制為TRUE，將9001發(fā)送到PKW中；再將?%MW0.1強制為TRUE，即可讀出當前9001的值顯示在?%MW6中，顯示為30(即3秒)，如圖7-20所示。

圖7-20讀取加速時間的界面

再次將?%MW8的修改值設(shè)置為300刷新，并將%MW0.2強制為TRUE，即可將300(即30秒)寫入到9001中，從?%MW6的讀取值變?yōu)?00可以看到修改成功，如圖7-21所示。

圖7-21寫入加速時間的界面

使用同樣的方法，可以通過修改這幾個寄存器的值來實現(xiàn)對變頻器其他參數(shù)的讀/寫。如讀取狀態(tài)字3201的值，如圖7-22所示。

圖7-22讀取狀態(tài)字的界面

當然，狀態(tài)字3201的值是只讀的，不可寫。

如果需要設(shè)置的參數(shù)在變頻器斷電后能夠保存，和Modbus通信中的操作一樣需要將擴展控制字的對應位賦值，這里不再贅述。

從監(jiān)控表的操作中可以看到，PKW對參數(shù)的讀或?qū)懙牟僮魇峭ㄟ^寄存器的一次次賦值以及將?%M0.0、%M0.1、%M0.2強制為TRUE來執(zhí)行的，當?%M0.0、%M0.1、%M0.2強制為FALSE后即操作結(jié)束，并不會跟隨PLC的掃描周期反復進行，這就是非周期性數(shù)據(jù)的典型特征。

7.5工業(yè)以太網(wǎng)的非周期性數(shù)據(jù)

在前面的章節(jié)我們提到工業(yè)以太網(wǎng)和很多通信協(xié)議的應用層都是類似的，如ModbusTCP和ModbusRTU，在非周期性數(shù)據(jù)的處理上，它們也有很多是類似的。

ModbusTCP和ModbusRTU類似，在處理非周期性數(shù)據(jù)時，可以使用READ_VAR和WRITE_VAR功能塊，也可以使用DATA_EXCH功能塊。

EthernetIP在處理非周期性數(shù)據(jù)時，可以使用和周期性數(shù)據(jù)類似的方法再加上附加的觸發(fā)條件即可，即人為控制周期性數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束，不讓數(shù)據(jù)跟隨著循環(huán)周期不斷地刷新；也可以使用DATA_EXCH功能塊。

Profinet在處理非周期性數(shù)據(jù)時，和ProfibusDP類似，用PKW的讀/寫辦法即可。

總而言之，工業(yè)以太網(wǎng)的非周期性數(shù)據(jù)的處理可以參考本章之前的一些方法，它們只是在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及功能塊的部分引腳定義上面有所不同，這里不再贅述。

小

結(jié)

本章通過實驗介紹了多個不同的通信協(xié)議訪問非周期性數(shù)據(jù)的方法，但是不同的上位機和受控設(shè)備在非周期性數(shù)據(jù)的處理方法上也許是不同的，本章介紹的方法只能針對對應的型號。

非周期性數(shù)據(jù)通常用于受控設(shè)備參數(shù)的讀/寫，這種方式在目前的很多上位機中都是