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    1  概述

    在工業(yè)控制系統(tǒng)中，PLC作為一種穩(wěn)定可靠的控制器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于中小型PLC的人機接口功能不很完善，不能提供給用戶一個友好的交互界面，因此妨礙了對現(xiàn)場運行過程的跟蹤與監(jiān)控。

    PLC實際工作中，通常人們采用4種裝置為PLC配置人機界面：編程終端、顯示終端、工作站及個人計算機。編程終端主要用于編程與調(diào)試，其監(jiān)控功能相對較弱。顯示終端的功能比較單一，主要用作現(xiàn)場顯示。工作站系統(tǒng)很受用戶歡迎，它功能全面、使用簡單，但由于要配置高級組態(tài)軟件，因而價格比較昂貴。個人計算機可配備多種高級語言，提供優(yōu)良的軟件平臺，開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，特別是動態(tài)畫面顯示等，與PLC相結(jié)合組成一套PC-PLC監(jiān)控管理系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)點。但是在該系統(tǒng)中，關(guān)鍵的問題就是通信，用戶對此須做較多的開發(fā)工作。

    本文詳細(xì)闡述了PC與PLC互連通信的一般方法，并以西門子公司的S7-200 PLC為對象，以實際四層電梯模型監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹了利用大家都熟悉的編程語言Visual Basic 和Step7，實現(xiàn)PLC與上位計算機實時通信的通信過程。

    2  通信方式

    面對眾多生產(chǎn)廠家的各種類型PLC，它們各有優(yōu)缺點，能夠滿足用戶的各種需求，但在形態(tài)、組成、功    能、編程等方面各不相同，沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家制訂的通信協(xié)議也千差萬別。目前，人們主要采用以下三種方式實現(xiàn)PLC與PC的互聯(lián)通信：

    (1)  通過使用PLC開發(fā)商提供的系統(tǒng)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)適配器，來實現(xiàn)PLC與PC機的互聯(lián)通信。但是由于其通信協(xié)議是不公開的，因此互聯(lián)通信必須使用PLC開發(fā)商提供的上位機組態(tài)軟件，并采用支持相應(yīng)協(xié)議的外設(shè)。可以說這種方式是PLC開發(fā)商為自己的產(chǎn)品量身定作的，因此難以滿足不同用戶的需求。

    (2)  使用目前通用的上位機組態(tài)軟件，如組態(tài)王、InTouch、WinCC、力控等，來實現(xiàn)PLC與PC機的互連通信。組態(tài)軟件以其功能強大、界面友好、開發(fā)簡潔等優(yōu)點目前在PC監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是一般價格比較昂貴。組態(tài)軟件本身并不具備直接訪問PLC寄存器或其它智能儀表的能力,必須借助I/O驅(qū)動程序來實現(xiàn)。也就是說，I/O驅(qū)動程序是組態(tài)軟件與PLC或其它智能儀表等設(shè)備交互信息的橋梁，負(fù)責(zé)從設(shè)備采集實時數(shù)據(jù)并將操作命令下達(dá)給設(shè)備，它的可靠性將直接影響組態(tài)軟件的性能。但是在大多數(shù)情況下，I/O驅(qū)動程序是與設(shè)備相關(guān)的，即針對某種PLC的驅(qū)動程序不能驅(qū)動其它種類的PLC，因此組態(tài)軟件的靈活性也受到了一定的限制。

    (3)  利用PLC廠商所提供的標(biāo)準(zhǔn)通信端口和由用戶自定義的自由口通信方式來實現(xiàn)PLC與PC機的互連通信。這種方式由用戶定義通信協(xié)議，不需要增加投資，靈活性好，特別適合于小規(guī)模的控制系統(tǒng)。

    通過上述分析不難得出，掌握如何利用PLC廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)通信端口和自由口通信方式以及大家所熟悉的編程語言來實現(xiàn)PC與PLC之間的實時通信是非常必要的。
　
    3  S7-200 PLC通信方式及原理

    S7-200 PLC內(nèi)部集成的PPI接口為用戶提供了強大的通信功能，可在多種模式下工作：PPI、Profibus-DP、自由口方式等。其中自由口通信方式最具有特色，通信協(xié)議可完全由梯形圖程序控制，通過它可以實現(xiàn)PLC與任何具有通信能力的設(shè)備進(jìn)行互連，因而在本系統(tǒng)中選用自由口通信方式。

    目前PLC與PC機的鏈接通信有兩種方式，一種是PC機始終處于主導(dǎo)地位，數(shù)據(jù)的傳送都由PC機定時發(fā)出命令，另外一種是PLC始終具有優(yōu)先權(quán)。在本電梯模型監(jiān)控系統(tǒng)中所有的控制信號均為開關(guān)量信號，考慮到上位PC機僅實時顯示電梯的運行狀態(tài)，不需向PLC發(fā)送控制指令，采用第二種通信方式。利用PLC循環(huán)掃描的特點，設(shè)備狀態(tài)一旦改變，PLC立即檢測到，并將反映系統(tǒng)狀態(tài)變化的數(shù)據(jù)存入指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過XMT發(fā)送指令，將數(shù)據(jù)通過COM口發(fā)至上位機。每個系統(tǒng)的狀態(tài)對應(yīng)于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的一個指定字節(jié)，所存儲數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制數(shù)據(jù)，為保證通信過程的可靠性，上位機對所接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行首尾字符校驗，如果校驗成功，則說明接收到的首末字節(jié)之間的數(shù)據(jù)是正確的，從而進(jìn)行處理，否則，放棄這批數(shù)據(jù)，要求對方重發(fā)。

    4  應(yīng)用實例與程序設(shè)計

    (1)  系統(tǒng)構(gòu)成

    S7-200 PLC內(nèi)部集成的PPI接口物理特性為RS485，而上位機的標(biāo)準(zhǔn)串口為RS232，為了實現(xiàn)兩者的通信必須進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，西門子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換器，因此再不增加任何硬件的情況下，可以方便的實現(xiàn)二者的互聯(lián)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

    作為控制器的S7-200 PLC利用電梯模型自帶的電源線實現(xiàn)與四層電梯模型的互連，該電梯模型為教學(xué)試驗裝置，具備一般電梯的基本功能。硬件連接如圖1所示。
　

圖1  硬件連接示意圖

    (2)  PLC部分編程

    ①  自由端口的初始化

    在自由口通信模式下，通過設(shè)置特殊存儲器SMB30（端口0），來為自由端口通信選擇波特率、奇偶校驗和數(shù)據(jù)位。這些設(shè)定必須與PC機設(shè)定值相一致。其格式如下：

    SMB30  
    pp為奇偶校驗選擇，d為數(shù)據(jù)位選擇，bbb為波特率選擇。
  00為無校驗，0為每個字符8位，000為38 400
    baud，001為19 200baud；
  01為偶校驗，1為每個字符7位，010為9 600 baud，011為4 800baud；
  10為無校驗，100為2 400baud，101為1 200baud；
  11為奇校驗，110為600baud，111為300baud；
    mm為協(xié)議選擇：00為PPI協(xié)議，01為自由口協(xié)議，10為PPI/主站模式，11默認(rèn)為PPI/從站模式。

    ②  S7-200PLC實時向上位PC機傳送數(shù)據(jù)
　

圖2  下位機程序流程圖

    在對電梯模型控制中，所有的控制信號均為開關(guān)量，基于這一特點，系統(tǒng)狀態(tài)的改變即為這些開關(guān)量信號狀態(tài)的改變，因此可通過跟蹤這些開關(guān)量信號的上升沿信號、下降沿信號的到來，做為系統(tǒng)狀態(tài)改變的依據(jù)。據(jù)此在本系統(tǒng)中，通過對同一個開關(guān)量信號的上升沿、下降沿分別定義不同的16進(jìn)制數(shù)的方式，來代表信號的產(chǎn)生與結(jié)束，當(dāng)檢測到這些信號產(chǎn)生時，便將這些數(shù)據(jù)存入指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的字節(jié)中，并通過COM口發(fā)至上位PC機，同時產(chǎn)生發(fā)送完成中斷，PLC延遲等待接收來自上位機的應(yīng)答信號，通過分析存儲在接收字符緩沖器SMB2中的數(shù)據(jù)，判斷是否需要重新發(fā)送。下位機程序如圖2所示。

    (3)  上位機部分編程

    基于VB處理監(jiān)控界面圖形、數(shù)據(jù)報表及通信的方便快捷，本課題上位機的編程環(huán)境采用VB來實現(xiàn)。VB不僅提供了MSCOMM串行通信控件，而且也為這個控件提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù)，并通過設(shè)置它的一些屬性對通信接口進(jìn)行初始化，從而很容易的實現(xiàn)了串行通信的問題。

    下面介紹一下有關(guān)此控件的屬性：

    Commport，設(shè)置通信連接端口。程序必須指定要使用的串行端口的號碼，Windows使用所設(shè)置的通信端口與外界進(jìn)行通信。
    Settings，設(shè)置初始化參數(shù)。其格式為“BBBB，P，D，S”，其中BBBB為連接速度，P為奇偶校驗方式，D為數(shù)據(jù)位數(shù)，S為停止位數(shù)。默認(rèn)值是“9 600，n，8，1”。
    PortOpen，設(shè)置通信連接端口的狀態(tài)。使用串行端口之前必須先將要使用的串行端口打開。
    Input，返回并刪除接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)流。
    InputLen，設(shè)置從串行端口讀入的字符串長度。
    Rthreshold，設(shè)置引發(fā)接收事件的字符數(shù)。
    InputMode，設(shè)置接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)形式。
    OnComm事件，用來處理所有與通信相關(guān)的事件。使用事件程序的好處是不需要一直讓程序處于檢測的狀態(tài)下，只要事先將程序代碼寫好，一有事件發(fā)生，就會直接執(zhí)行相對應(yīng)的程序代碼。可見這種事件驅(qū)動的方式也為實現(xiàn)實時通信提供了必要的條件。上位機程序如圖3所示。

    PC機根據(jù)接收到的信息很容易的實現(xiàn)對每個開關(guān)量的狀態(tài)進(jìn)行識別，從而控制監(jiān)控界面的實時顯示。

圖3  上位機程序流程圖

    5  結(jié)語

    以上是基于S7-200PLC自由口通信方式實現(xiàn)與上位機PC實時通信的一個簡單應(yīng)用。經(jīng)驗證，該方法簡單、實時性好，可靠性高，對于邏輯控制系統(tǒng)，是能夠?qū)崿F(xiàn)對被控對象實時監(jiān)控簡單易行的方法。

    參考文獻(xiàn)

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