PLC與上位PC機的高速通信的設(shè)計與實現(xiàn)

0、引言

　　工業(yè)控制領(lǐng)域中PLC作為一種高效、靈活、可靠的控制器，有著廣泛的應(yīng)用。以PLC控制器為核心，上位PC機為實時監(jiān)控體的控制系統(tǒng)已成為工業(yè)自動化PLC控制系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。實現(xiàn)PLC與PC的通信可以實現(xiàn)向上級提供諸如工藝流程圖、動態(tài)數(shù)據(jù)畫面、報表顯示等多種窗口技術(shù)，使PLC控制系統(tǒng)具有良好的人機界面，通過上位機對PLC數(shù)據(jù)的讀寫監(jiān)控實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳送以及生產(chǎn)過程調(diào)度的自動化和信息化，其應(yīng)用前景十分廣闊。常用的各種PLC網(wǎng)絡(luò)有差異，但表現(xiàn)在 PLC 通信程序、系統(tǒng)聯(lián)結(jié)和系統(tǒng)配置等方面，通信機理有統(tǒng)一性。目前市場上通信組態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，應(yīng)用繁瑣，不適應(yīng)用戶使用。針對上述問題筆者以西門子公司的S7-200系列的PLC為研究對象，提出了一種用VC實現(xiàn)上位機與PLC的高速可靠的通信方法。

1、S7-200系列PLC通信方式

　　西門子S7-200系列性能優(yōu)良，性價比較高，適用范圍很廣，因此本文主要討論西門子7-200系列與計算機之間的通信。S7-200系列通信方式有三種：

　?。?） 點對點PPI方式與上位機通信：用于與西門子公司的PLC編程器或其他該公司人機接口產(chǎn)品的通信。該種通信方式采用的是MSComm ActivcX控件。PPI是主/從協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)上的S7-200均為從站，其他CPU、SIMATIC編程器或TD200為主站。如果在用戶程序中允許PPI主站模式，一些S7-200CPU在RUN模式下可以作主站，它們可以用網(wǎng)絡(luò)讀和網(wǎng)絡(luò)寫指令讀寫其他CPU中的數(shù)據(jù)。PPI沒有限制可以有多少個主站與一個從站通信，但是在網(wǎng)絡(luò)中最多只能有32個從站。PPI通信協(xié)議是不公開的;

　?。?） Freeport方式與上位機通信：Freeport方式具有與外圍設(shè)備通信方便、自由，易于微機開發(fā)等特點，因此使用自由口方式實現(xiàn)與上位機通信的控制方案較多。但在該通信方式下，上位機與PLC的最大通信能力為128bit/s，這無法滿足高速通信的需要;

　?。?） Profibus-DP方式與上位機通信：Profibus協(xié)議用于幾分布式I/O設(shè)備的高速通信。S7-200CPU需通過EM277。Profibus-DP模塊接入Profibus網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通常有一個主站和幾個I/O從站。這種方式使得PLC可以通過Profibus的DP通信接口接入Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，從而擴大PLC的使用范圍。PPI協(xié)議和Profibus協(xié)議的結(jié)構(gòu)模型都是基于開放系統(tǒng)互連參考模型的7層通信結(jié)構(gòu)。

2、PLC網(wǎng)絡(luò)通信標準簡介

　?。?） RS-232C標準

　　通信的連接接口與連接電纜的相互兼容是通信得以保證的前提。它的實現(xiàn)方法發(fā)展迅速，型式較多。其中RS-232C就是實際應(yīng)用較多的標準之一，它是計算機或終端與調(diào)制解調(diào)器之間的標準接口。RS-232C功能規(guī)范定義了電路之間的連接，以及它的含義。RS-232C的規(guī)程規(guī)范定義的是協(xié)議，即事件出現(xiàn)的正確順序。RS-232C的缺點是數(shù)據(jù)傳輸率低傳輸距離短。

　?。?） RS-485標準

　　在許多工業(yè)環(huán)境中，要求用最少的信號連線來完成通信任務(wù)。日前廣泛應(yīng)用的是RS-485串行接口總線，RS-485支持半雙工通信，分時使用一對雙絞信號線進行發(fā)送或接收。RS-485用于多站互聯(lián)時實現(xiàn)簡單，節(jié)省材料，可以滿足高速遠距離傳送，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)十分方便。

3、通信網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計

　　在本工程中，我們采用的PLC為CPU224型，該可編程控制器的通信端口為RS-485接口，由于PC機的串行端口為RS-232接口，且遠離控制現(xiàn)場（PLC位置），因此PC機的RS-232接口必須通過RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后才能與PLC通信端口連接，這種通信方式可以實現(xiàn)最遠1.2Krn的遠程通信。

　　PC機的標準串口為RS232。S7-200系列CPU226提供2個串口，其中一個端口Portl作為DP口，另一個端口Port0為自由口，自由口為標準RS485串口。西門子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換器，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將PLC和PC機互聯(lián)。

4、通信程序設(shè)計

　?。?） 上位機部分程序

　　單命令把MSComm控件加入到工程中。MSComm控件通信功能的實現(xiàn)實際上是調(diào)用了API函數(shù)。而API函數(shù)是由Comm.drv解釋并傳遞給設(shè)備驅(qū)動程序進行的。即MSComm控件的屬性提供了通信接口的參數(shù)設(shè)置，能實現(xiàn)串行通信。MSComm控件有關(guān)屬性如下：

　　CommPort：設(shè)置并返回通信端口號。Window系統(tǒng)將會利用該端口與外界通信;

　　Setings：設(shè)置并返回初始化參數(shù)。其組成格式為“BBBB。P。D。S”。BBBB為數(shù)據(jù)速率。P為奇偶校驗。D為數(shù)據(jù)比特。S為停止位;

　　PortOpen：設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)。也可以打開和關(guān)閉端口;

　　Ouptut：向傳輸緩沖區(qū)寫1B的數(shù)據(jù);

　　Input：將傳送到輸入緩沖區(qū)的字符讀到程序里;

　　RThreshold：設(shè)置在產(chǎn)生OnComm之前要接受的字符數(shù);

　　InputLen：設(shè)置并返回Input屬性從接收緩沖區(qū)讀取的字符數(shù);

　　InBbuffersize：設(shè)置或返回輸入緩沖區(qū)的大小;

　　InBufferCount：返回輸入緩沖區(qū)內(nèi)等待讀區(qū)的字節(jié)個數(shù)?？赏ㄟ^設(shè)置該屬性值為0來清除接收緩沖區(qū);

　　InputMode：設(shè)置或返回傳輸數(shù)據(jù)的類型;

　　CommEvent：傳回OnComm事件發(fā)生時的數(shù)值碼;

　　軟件通信流程圖如圖1 。

圖1 ：通信流程圖

　　在實際應(yīng)用中，從站被動的接收上位機發(fā)出的指令后做出響應(yīng)，然后將信息傳回上位機，由于上位機在整個通信的過程中不能被中斷，因此上位機在接收與發(fā)送數(shù)據(jù)過程中采用了不可中斷的方法。

　　（2） 從站PLC程序

　　S72200系列PLC選擇了自由口通信方式后，在程序中就可以使用接收中斷、發(fā)送中斷、接收指令（RCV）、發(fā)送指令（XMT）來控制通信操作，當處于自由口模式時通信協(xié)議完全由用戶程序指令控制。SMB30被用于選擇比特率和校驗類型，各個位的配置為：

圖2：SMB30的位配置

　　pp，校驗選擇：00為不校驗，01為偶校驗，10為不校驗，11為奇校驗;

　　d，每個字符的數(shù)據(jù)位數(shù)：0，每個數(shù)字符8位;1，每個數(shù)字符7位。

　　bbb，自由口比特率，kbit/s：000為3814，001為1912，010為916，011為418，100為214，101為112，110為11512，111為5716。

　　mm，協(xié)議選擇：00，PPI/從站模式;01，自由口模式;10，PPI/從站模式;11，保留。

　　接收指令（RCV）啟動或終止接收信息功能，必須為接收操作指定開始和結(jié)束條件。發(fā)送指令（XMT）在自由口模式下依靠通訊口發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　PLC程序分為主程序和中斷程序。主程序完成初始化通信口、開中斷、判斷、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，中斷程序完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。

5、高速通信設(shè)計及檢驗

　?。?） 高速接口設(shè)計

　　PC機采用400MHz的CPU以及256M的RAM，應(yīng)用VC++6.0開發(fā)軟件和Sicmcns SIMATIC Microcomputing軟件進行開發(fā)設(shè)計。使用PC/PPI電纜可實現(xiàn)計算機的RS232接口與PLC通信。但該方式下只能使用PPI協(xié)議或自山通信。要使用PROFIBUS協(xié)議通信。上位機應(yīng)有PROFIBUS DP模塊。同時S7- 200 PLC應(yīng)連接通信模塊。這里上位機使用的是CP5611 PROFIBUS DP模塊。安裝的是SicmcnsSIMATIC Micro computing軟件;下位機使用的是EM277 PROFIBUS DP模塊和S7-200 224PLC組建的通信網(wǎng)絡(luò)。

　?。?） 速度仿真與檢測

　　Siemens SIMATIC Microcomputing軟件使用ActiveX技術(shù)提供對數(shù)據(jù)的訪問控制。 Microcomputing軟件由2部分組成：第一部分，一系列的SIMATIC ActiveX控件，用于對PLC的數(shù)據(jù)操作，主要包括數(shù)據(jù)控件!按鈕控件!編輯控件!標簽控件和滑塊控件;另一部分，一個容器，用于創(chuàng)建使用ActiveX控件的處理界面[7-8]。

　　上位機用Micro computing configuration設(shè)定通信協(xié)議和波特率。 Siemens Micro computing提供PPI， MPI， PROFIBUS-I辦議支持Data Control與PLC通信。PPI協(xié)議支持的最高通信速率為187.5KbpsMPI和PROFIBUS都支持9.6kbps-12Mbps的速率通信。PROFIBUS包含PROFIBUS-DP協(xié)議、PROFIBUS-Standard協(xié)議、PROFIBUS-User-defined協(xié)議和PROFIBUS-Universal協(xié)議（該協(xié)議只支持9.6kbps-1.5Mbps的通信）。用Micro computing configuration設(shè)定相應(yīng)的應(yīng)用程序接口點和協(xié)議。檢測實驗中表示應(yīng)用程序接口點為CP5611協(xié)議為PROFIBUS基木實現(xiàn)流程圖如4所示。

圖3：檢測實驗流程圖

　　對PLC數(shù)據(jù)的讀寫。Data Control提供了4個函數(shù)：Write Variable（對單存儲單元寫），Write Multi Variable（對多存儲單元寫），Read Variable（對單存儲單元讀），Read Multi Variable（對多存儲單元讀）。

　　表1是在WIN2000系統(tǒng)下，針對PROFIBUS的不同協(xié)議，Data Control使用自動連接，自動超時設(shè)為100ms，用Write Multi Variable函數(shù)對一個S7- 200PLC的V存儲區(qū)10個存儲單元進行20個字節(jié)寫1000次的測試數(shù)據(jù)見表1。從表1數(shù)據(jù)可知，PROFIBUS-DP協(xié)議，PROFI-BUS-Standard協(xié)議、PROFIBUS-User-defined協(xié)議和PROFIBUS-Universal協(xié)議在1.5 M的波特率下，其寫操作時間最短的是PROFIBUS-Universal協(xié)議，時間為31.61ms。

表1：不同協(xié)議下對PLC寫數(shù)據(jù)時間

6、結(jié)束語

　　本系統(tǒng)通過現(xiàn)場調(diào)試實驗，功能達到設(shè)計要求。試驗結(jié)果表明，當數(shù)據(jù)傳輸速率為916kbit/s時誤碼率 ，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)控、調(diào)試及數(shù)據(jù)修改。由于程序中采用了以16進制ASCII碼描述數(shù)據(jù)傳輸格式，因此一條指令中的數(shù)據(jù)字節(jié)和控制字節(jié)不可能發(fā)生混淆，通信更加可靠。同時采用了PROFIBUS-Universal協(xié)議，實現(xiàn)了上位機和PLC之間的高速通信，并用實驗證實了該協(xié)議的優(yōu)越性。對于其它品牌的PLC，盡管通信規(guī)范及初始化有所不同，可以參照本系統(tǒng)方法進行編程，稍做修改即可應(yīng)用。本系統(tǒng)的成功研制將對工業(yè)控制系統(tǒng)的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展提供有益的借鑒。