PLC與上位PC機的高速通信的設計與實(shí)現

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(zhù)廣泛的應用。以PLC控制器為核心，上位PC機為實(shí)時(shí)監控體的控制系統已成為工業(yè)自動(dòng)化PLC控制系統的一個(gè)發(fā)展方向。實(shí)現PLC與PC的通信可以實(shí)現向上級提供諸如工藝流程圖、動(dòng)態(tài)數據畫(huà)面、報表顯示等多種窗口技術(shù)，使PLC控制系統具有良好的人機界面，通過(guò)上位機對PLC數據的讀寫(xiě)監控實(shí)現現場(chǎng)數據的采集、傳送以及生產(chǎn)過(guò)程調度的自動(dòng)化和信息化，其應用前景十分廣闊。常用的各種PLC網(wǎng)絡(luò )有差異，但表現在 PLC 通信程序、系統聯(lián)結和系統配置等方面，通信機理有統一性。目前市場(chǎng)上通信組態(tài)系統結構復雜，價(jià)格昂貴，應用繁瑣，不適應用戶(hù)使用。針對上述問(wèn)題筆者以西門(mén)子公司的S7-200系列的PLC為研究對象，提出了一種用VC實(shí)現上位機與PLC的高速可靠的通信方法。

1、S7-200系列PLC通信方式

　　西門(mén)子S7-200系列性能優(yōu)良，性?xún)r(jià)比較高，適用范圍很廣，因此本文主要討論西門(mén)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(diǎn)對點(diǎn)PPI方式與上位機通信：用于與西門(mén)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(hù)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(xiě)指令讀寫(xiě)其他CPU中的數據。PPI沒(méi)有限制可以有多少個(gè)主站與一個(gè)從站通信，但是在網(wǎng)絡(luò )中最多只能有32個(gè)從站。PPI通信協(xié)議是不公開(kāi)的;

　?。?） Freeport方式與上位機通信：Freeport方式具有與外圍設備通信方便、自由，易于微機開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，因此使用自由口方式實(shí)現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(wú)法滿(mǎn)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設備的高速通信。S7-200CPU需通過(guò)EM277。Profibus-DP模塊接入Profibus網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )通常有一個(gè)主站和幾個(gè)I/O從站。這種方式使得PLC可以通過(guò)Profibus的DP通信接口接入Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，從而擴大PLC的使用范圍。PPI協(xié)議和Profibus協(xié)議的結構模型都是基于開(kāi)放系統互連參考模型的7層通信結構。

2、PLC網(wǎng)絡(luò )通信標準簡(jiǎn)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(shí)現方法發(fā)展迅速，型式較多。其中RS-232C就是實(shí)際應用較多的標準之一，它是計算機或終端與調制解調器之間的標準接口。RS-232C功能規范定義了電路之間的連接，以及它的含義。RS-232C的規程規范定義的是協(xié)議，即事件出現的正確順序。RS-232C的缺點(diǎn)是數據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(xiàn)來(lái)完成通信任務(wù)。日前廣泛應用的是RS-485串行接口總線(xiàn)，RS-485支持半雙工通信，分時(shí)使用一對雙絞信號線(xiàn)進(jìn)行發(fā)送或接收。RS-485用于多站互聯(lián)時(shí)實(shí)現簡(jiǎn)單，節省材料，可以滿(mǎn)足高速遠距離傳送，構成分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統十分方便。

3、通信網(wǎng)絡(luò )接口的設計

　　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，且遠離控制現場(chǎng)（PLC位置），因此PC機的RS-232接口必須通過(guò)RS-232/RS-485轉換器轉換后才能與PLC通信端口連接，這種通信方式可以實(shí)現最遠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(gè)串口，其中一個(gè)端口Portl作為DP口，另一個(gè)端口Port0為自由口，自由口為標準RS485串口。西門(mén)子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉換器，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(shí)現實(shí)際上是調用了API函數。而API函數是由Comm.drv解釋并傳遞給設備驅動(dòng)程序進(jìn)行的。即MSComm控件的屬性提供了通信接口的參數設置，能實(shí)現串行通信。MSComm控件有關(guān)屬性如下：

　　CommPort：設置并返回通信端口號。Window系統將會(huì )利用該端口與外界通信;

　　Setings：設置并返回初始化參數。其組成格式為“BBBB。P。D。S”。BBBB為數據速率。P為奇偶校驗。D為數據比特。S為停止位;

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

　　Ouptut：向傳輸緩沖區寫(xiě)1B的數據;

　　Input：將傳送到輸入緩沖區的字符讀到程序里;

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

　　InputLen：設置并返回Input屬性從接收緩沖區讀取的字符數;

　　InBbuffersize：設置或返回輸入緩沖區的大小;

　　InBufferCount：返回輸入緩沖區內等待讀區的字節個(gè)數?？赏ㄟ^(guò)設置該屬性值為0來(lái)清除接收緩沖區;

　　InputMode：設置或返回傳輸數據的類(lèi)型;

　　CommEvent：傳回OnComm事件發(fā)生時(shí)的數值碼;

　　軟件通信流程圖如圖1 。

圖1 ：通信流程圖

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

　?。?） 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(lái)控制通信操作，當處于自由口模式時(shí)通信協(xié)議完全由用戶(hù)程序指令控制。SMB30被用于選擇比特率和校驗類(lèi)型，各個(gè)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(gè)字符的數據位數：0，每個(gè)數字符8位;1，每個(gè)數字符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(dòng)或終止接收信息功能，必須為接收操作指定開(kāi)始和結束條件。發(fā)送指令（XMT）在自由口模式下依靠通訊口發(fā)送數據。

　　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(kāi)中斷、判斷、發(fā)送數據等功能，中斷程序完成接收和發(fā)送數據的功能。

5、高速通信設計及檢驗

　?。?） 高速接口設計

　　PC機采用400MHz的CPU以及256M的RAM，應用VC++6.0開(kāi)發(fā)軟件和Sicmcns SIMATIC Microcomputing軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計。使用PC/PPI電纜可實(shí)現計算機的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。上位機應有PROFIBUS DP模塊。同時(shí)S7- 200 PLC應連接通信模塊。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)提供對數據的訪(fǎng)問(wèn)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的數據操作，主要包括數據控件!按鈕控件!編輯控件!標簽控件和滑塊控件;另一部分，一個(gè)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設定相應的應用程序接口點(diǎn)和協(xié)議。檢測實(shí)驗中表示應用程序接口點(diǎn)為CP5611協(xié)議為PROFIBUS基木實(shí)現流程圖如4所示。

圖3：檢測實(shí)驗流程圖

　　對PLC數據的讀寫(xiě)。Data Control提供了4個(gè)函數：Write Variable（對單存儲單元寫(xiě)），Write Multi Variable（對多存儲單元寫(xiě)），Read Variable（對單存儲單元讀），Read Multi Variable（對多存儲單元讀）。

　　表1是在WIN2000系統下，針對PROFIBUS的不同協(xié)議，Data Control使用自動(dòng)連接，自動(dòng)超時(shí)設為100ms，用Write Multi Variable函數對一個(gè)S7- 200PLC的V存儲區10個(gè)存儲單元進(jìn)行20個(gè)字節寫(xiě)1000次的測試數據見(jiàn)表1。從表1數據可知，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(xiě)操作時(shí)間最短的是PROFIBUS-Universal協(xié)議，時(shí)間為31.61ms。

表1：不同協(xié)議下對PLC寫(xiě)數據時(shí)間

6、結束語(yǔ)

　　本系統通過(guò)現場(chǎng)調試實(shí)驗，功能達到設計要求。試驗結果表明，當數據傳輸速率為916kbit/s時(shí)誤碼率 ，能夠實(shí)現現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的在線(xiàn)監控、調試及數據修改。由于程序中采用了以16進(jìn)制ASCII碼描述數據傳輸格式，因此一條指令中的數據字節和控制字節不可能發(fā)生混淆，通信更加可靠。同時(shí)采用了PROFIBUS-Universal協(xié)議，實(shí)現了上位機和PLC之間的高速通信，并用實(shí)驗證實(shí)了該協(xié)議的優(yōu)越性。對于其它品牌的PLC，盡管通信規范及初始化有所不同，可以參照本系統方法進(jìn)行編程，稍做修改即可應用。本系統的成功研制將對工業(yè)控制系統的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展提供有益的借鑒。