规约协议的水泥散装计量系统接口设计范文
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摘要：本文针对散装系统与管理系统传统通讯方式中存在的实用性不高、服务器压力大等问题，提出了一种基于双方规约协议的接口设计，利用PLC开放式通信库和函数将协议指令进行解码、编码和交互，管理系统将富文本信息编码后发送至散装PLC，散装PLC进行解码后显示在操作界面上。实践证明，基于规约协议的接口设计，既能降低管理系统的网络及负载压力，又能让司机在无工厂人员情况下，掌握装车动态，且能在装车异常时根据提示信息自行处理，避免车队积压和过度等待，提高了系统的生产效率和现代化管理。
0引言
在散装水泥生产中，散装计量系统是保障水泥发运效率和现场管理无人化、智能化的关键设备。基于科里奥利力原理的水泥散装计量系统作为散装环节优性价比设备，已广泛运用至新建或技改项目中。散装计量系统的广泛运用对于发运环节的规范管理起到了关键作用，其优越的计量精度为发运的无人化管理提供了保障[1]。散装计量系统计量秤具有结构紧凑、安装方便、占用空间小等特点，能够适应多种工艺环境要求。控制系统为西门子1200PLC+人机界面的控制方式。
1传统散装通讯接口及存在的问题
目前，ModbusTcp和OPC成为工厂管理系统和散装计量系统的主要通讯方式。OPC往往需要借助开发商的服务程序。例如，西门子1200PLC则需要付费安装西门子工业网络通讯软件SIMATICNET来支持[2]。同时，管理系统需要开发或引用付费的OPCServer三方库，如Kep⁃Server等，增加了硬件成本和开发成本。ModbusTcp是一种能与普通以太网兼容的标准开放协议[3]，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信，但其存在的不足有：（1）自适应性差。协议相对固定，不能灵活传输富文本信息。例如，表1为某集团采用的Mod⁃bus-Tcp对接变量表，从表中明显看出，对于车牌号、装车过程中异常信息等带有中文字符的文本信息，显得尤为不足。（2）Modbus只能访问一个数据链路上的247个设备，限制了可以连接到主站的现场设备的数量，需要大量的配置和编程，开发成本高[3]。
（3）Modbus是主/从协议，现场设备与管理系统无法进行“异常报告”，未经授权的指令或数据无法屏蔽和忽略，容易造成网络压力大，较多的设备组态与开发，导致服务器端运行压力高。
2面向散装系统的规约协议接口设计
2.1网络架构设计
系统网络架构如图2所示，系统基于TCP/IP传输协议设计，该协议是保证网络数据信息及时、完整传输的重要的协议[4]。散装系统CPU为西门子1200PLC，其内部有可供直接调用的TCP通讯库，通讯可靠性方面能得到保证。同时，该架构具有如下特点：（1）收发货管理系统为服务端，散装PLC为客户端，主动与服务器建立连接，如图3，通过规约协议交互信息，同时将通讯③部分的接口设计任务放在设备端，减轻管理系统服务器的开发与负载压力，便于管理人员维护。（2）读卡器部分从收发货系统中分离，直接与散装PLC连接，PLC接收到卡号后通过①上传至PLC，PLC再将卡号以通讯③规约协议上传，将读卡程序放在散装PLC侧，与管理系统隔离，降低了管理系统开发压力。（3）散装PLC将管理系统编码好的富文本信息解码后通过②显示在人机界面上，无需现场语音提醒设备、视频引导等硬件的部署，降低硬件成本。
2.2规约协议
对照图2，其中通讯③分为散装PLC发送端和接收端，发送端规约协议如图4所示，由固定包头+车道号+指令码+内容组成，以ASCII码形式传输。PLC端通过图3所示的组态和函数“Chars_TO_Strg”等进行解码。发送端的指令组成见表1，车道号根据实际散装设备安装点设定，指令码根据装车阶段设定，如上传车号、开始装车、结束装车等。内容部分为10个字节，装车中以IC卡号（ASCII码形式）作为标识，装车结束时，内容为实际装车的吨位数。接收端的规约协议如图5所示。其中，车道号根据实际设备设定，指令码用以区分允装或不允装状态。内容部分有89个字节组成，可充分显示管理系统传输的文本信息。数据段根据指令码进行不同的解析，若为允装指令，则内容为车号、物料、班组、订单等信息，不允装时，为不允许装车的原因。中文部分以GB2312字符串编码，字符数字以ASCII编码。此外，针对下位设备所有不符合规约协议的指令或者非对应阶段的无效指令，服务端均能自动屏蔽，从而减小整个系统的网络和负载压力。读卡器协议是使用UDP进行通信，图2中①。读卡器主动向PLC发送卡号，PLC无需实时检测，利用通讯库“TURCV”自动接收信息并解析生成含有固定协议包头、车道号、校验字节完整协议，上传至收发货系统。
3业务流程实现与应用
读卡器检测到刷卡后可主动向PLC发送只有8个字节UDP信息包，PLC获取该信息后进行解析和高低位字节转换后，生成规约协议指令发送至服务端。服务器根据收到的规约协议后进行处理，并将对比结果下发至PLC控制端。若为允许装车：状态非00，此时按照规约协议解析车号、物料、预装量、最大预装量；若为不允许装车：此时为发送异常信息，装车状态为00，紧跟后面数据为异常信息（异常信息需要高低位转换），解析后为不允许装车原因（若干数量以内汉字）。PLC接收到指令后，根据允装信息进行解析，如果允许装车，执行装车指令，并根据接收到的最大预装量做数量限定；如果不允许装车，解析成富文本显示至操作屏上，供司机掌握装车动态。基于规约协议实现信息在刷卡端、散装系统和管理系统间交互，通过解析，形成富文本交互信息机制，全过程及时掌握，提高生产效率，如图6、7所示。司机确认触摸屏中的信息后，“开始装车”按钮被使能，司机可点击按钮开始装车，同时PLC发送指令至服务器，开始装车（见图8）。达到预装数量后，系统停止装车，PLC发送指令D上传定量装车设备计量系数，再发送指令E结束装车，延时发送指令F，提交本次装车重量。若生产过程中，需要对各散装设备进行标定系数调整时，则由管理系统自动计算计量系数后，通过规约协议下发至PLC，PLC解析后对当前系数加以调整。
4结论
本文提出的基于规约协议的散装接口设计在宜春红狮、景谷红狮等水泥厂应用效果明显。该系统不仅实现了现场司机的自助装车和水泥厂的无人值守，也为司机提供详细的装车信息和异常提示，既方便了现场管理，也为水泥厂运维管理上提供了便利。此外，高效率、高可靠、高实时性的规约协议传输既降低了运行系统的网络压力和负载压力，也为工厂管理系统降低了开发成本，提供了维护上的便利。
参考文献
[1]金磊.KXT(SZ)散装计量系统的开发与应用[J].新世纪水泥导报,2019,25(06):61-66.
[2]万丹,杨国兴.基于OPC通信技术实现以C#编写客户端与S7-1200PLC通讯[J].信息记录材料,2018,19(06):50-53.
[3]谢景一.基于Modbus/RTU通信协议的工业控制系统[J].信息技术，2019,43(4):121-123,127
[4]巫强.计算机网络中TCP/IP传输协议的时效性研究[J].电脑知识与技术,2019,15(01):57-58.
作者：王亚峰 单位：中建材（合肥）机电工程技术有限公司