1 引言
plc 作為一種穩(wěn)定可靠的控制器在工業(yè)控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用[1]。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[2～5]。目前一些通用的組態(tài)軟件，以其功能強大、界面友好、開發(fā)簡潔等優(yōu)點在計算機監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用，但是一般價格比較昂貴[6～7]。
visual basic6.0 在開發(fā)可視化環(huán)境下的監(jiān)控系統(tǒng)時具有其獨特的優(yōu)勢，它本身提供的mscomm控件就是為應用程序提供串口通訊而設計的，它屏蔽了通訊過程中的底層操作，只需設置、監(jiān)視mscomm控件的屬性和事件即可完成對串行口的初始化和數(shù)據(jù)輸入輸出[8～10]。西門子s7-200plc由于其體積小，可靠性高，通訊功能強大等特點，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應用。s7-200系列plc的通訊方式主要有三種：ppi方式、profibus-dp方式、freeport(自由口)方式。其中自由口方式是由用戶自己定義通訊協(xié)議，具有與外圍設備通訊方便、自由，易于計算機控制軟件的開發(fā)等特點，因此使用自由口通訊方式實現(xiàn)plc與上位機通信的控制方案較多[11～14]。
本文采用s7-200plc的自由口通訊協(xié)議，基于vb6.0開發(fā)了一種簡單實用且易于功能擴展的監(jiān)控界面，其中計算機作為上位機，通過mscomm控件建立與下位機plc的通訊，可以實現(xiàn)數(shù)字量和模擬量讀寫、存儲及模擬量趨勢曲線繪制。
2 通訊原理
在上位機中，通過vb6.0中的mscomm控件完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；在下位機中則是通過plc的指令完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收的。
2.1 通訊初始化設置
由于s7-200plc與計算機的自由口通訊是串行通訊，故通訊前需要通訊雙方的串行端口初始化，使雙方通訊參數(shù)保持一致。
(1) 上位機初始化設置
上位機使用mscomm控件通過串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此首先要對mscomm控件進行初始化設置，主要始化設置如下：
mscomm1.commport=1 `設定通訊端口號
mscomm1.portopen=true `通訊端口打開
mscomm1.settings="9600,n,8,1"
mscomm1.inputmode=1
settings：以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位。其中以字符n、o、e 分別代表無校驗、奇校驗和偶校驗。
inputmode：設置從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的格式；0為字符串格式(text)，1為二進制格式(binary) [15]。
(2) 下位機的初始化設置
為了使下位機與上位機的通訊參數(shù)保持一致，可通過對plc的自由端口控制寄存器smb30(端口0)或smb130(端口1)的設置來實現(xiàn)。由于本文中使用的是cpu222是端口0，因此對plc的通訊設置是通過設置smb30來完成的。smb30的設置主要包括奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位、波特率、協(xié)議選擇等參數(shù)。本文smb30設置內(nèi)容如下，奇偶校驗為不校驗、字符數(shù)據(jù)位為8位/字符、波特率為9600bit/s、協(xié)議選擇為自由口協(xié)議，故smb30設置為9。由于本文是通過接收字符中斷接收數(shù)據(jù)，通過定時中斷發(fā)送數(shù)據(jù)，因此需要將兩個中斷初始化。
plc主要初始化設置：
movb 9, smb30 //將自由口控制存儲器設置9
movb 200, smb34 //定時中斷時間設置(200ms)
atch int_0, 8 //接收字符中斷
atch int_1, 10 //定時中斷
eni //中斷允許
2.2 通訊方式
圖1 數(shù)據(jù)存儲時的界面
(1) 上位機通訊方式
首先將上位機待發(fā)送的m個字節(jié)依次存儲在數(shù)組s中，每次待接收的數(shù)據(jù)存儲在變量r中。
發(fā)送信息時，數(shù)組s中第一個元素s(0)存儲第一個待發(fā)送字節(jié)……最后一個元素s(m-1)存儲最后一個待發(fā)送字節(jié)，發(fā)送方式為mscomm1.output=s。
接收方式為 r=mscomm1.input。
由于plc中的信息是以byte的形式傳輸?shù)接嬎銠C中，因此上位機需要對接收的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。由于plc中模擬量傳感器數(shù)據(jù)是以word的形式存儲在aiw中，而plc在發(fā)送該數(shù)據(jù)時是按照word對應的兩個byte發(fā)送，故計算機在后臺計算中要將其對應的兩個byte轉(zhuǎn)換為word。為了在人機界面中表達數(shù)字量(qb,ib,mb)的各個狀態(tài)，需要在計算機后臺計算中把plc的各數(shù)字量的十進制轉(zhuǎn)換為八位二進制，通過對八位二進制的每個位做0、1判斷，利用vb6.0可使用多種方法把判斷結(jié)果表達在界面中。
圖2 存儲在excel表格中的部分數(shù)據(jù)
(2) 下位機通訊方式
為了在計算機中實時顯示plc運行狀況及傳感器的實時數(shù)據(jù)，就需要plc主動發(fā)送信息。為此，本文通過“定時中斷”使plc周期地向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。具體方法是在定時中斷事件里，使用plc自帶的發(fā)送指令xmt發(fā)送數(shù)據(jù)，定時中斷的時間設置(1ms～255ms)即為發(fā)送周期。
s7-200系列的plc接收指令有兩種方法：第一種方法是使用plc自帶的rcv指令來接收計算機數(shù)據(jù)；第二種方法采用plc提供的“接收字符中斷”方式，將smb2(自由口接收字符緩沖區(qū))定義指針，使用指針接收數(shù)據(jù)。在這兩種方法中，第二種方法更加靈活，因此在本文中，plc在接收信息時采用指針接收數(shù)據(jù)。即在plc接收數(shù)據(jù)時，每次接收m個字節(jié)，僅在第一個字節(jié)進入smb2時定義指針，并將該字節(jié)寫入指針所指向的變量存儲字節(jié)；第二個字節(jié)進入smb2時，指針指向下一個變量存儲字節(jié)，并把第二個字節(jié)寫入……最后一個字節(jié)進入smb2時，指針指向下一個變量存儲字節(jié)，把第m個字節(jié)寫入。若數(shù)據(jù)接收完成，則清空用于計數(shù)的變量存儲字節(jié)，等待下次接收數(shù)據(jù)，至此完成一次數(shù)據(jù)接收。本文中在接收字符中斷里使用指針接收2個字節(jié)：
ld sm4.5 //變送器閑置時動作
lps
ab= vb99, 0 //vb99為0時
movd &vb100, ac1
//定義指針ac1，存儲于vb100
lrd
movb smb2, *ac1
//指針指向自由口接收字符緩沖區(qū)
lrd
incd ac1 //指針遞增
lrd
incb vb99 //接收字節(jié)個數(shù)遞增
lpp
ab= vb99, 2 //接收字節(jié)個數(shù)為2
movb 0, vb99 //計數(shù)清零，完成一次接收
3 數(shù)據(jù)存儲
vb6.0可將數(shù)據(jù)存儲在多種數(shù)據(jù)庫中(如access、excel等)。考慮到excel簡單實用且應用廣泛，通過設置excel的宏屬性，就可將實時數(shù)據(jù)保存在創(chuàng)建的excel文件中，并可方便的查看歷史數(shù)據(jù)。
本文通過vb6.0鏈接一個指定的excel文件，在vb程序里定時器的觸發(fā)事件將數(shù)據(jù)存儲至excel文件，存儲方法如下：
k=k+1
xlsheet.cells(k,r) = v`數(shù)據(jù)v寫入excel第r列，隨著時間k的增加依次逐行存儲。
為了建立vb6.0與指定excel文件的鏈接，需要對鏈接的雙方分別進行設置。首先建立并指定一個excel文件,命名為“g”，存儲路徑為“d:\g”，通過設置該文件宏屬性，可建立excel向vb6.0的鏈接。exel中的宏屬性設置設置為：
sub auto_open()
open " d:\g " for output as #1 `寫標志文件close #1
end sub
sub auto_close()
kill " d:\g " `刪除標志文件end sub
在vb6.0向excel鏈接時，考慮到數(shù)據(jù)快速地寫入excel，為避免誤操作引起excel運行終止，本文在打開exel時設置excel不可見，當數(shù)據(jù)存儲完畢后，設置excel可見。
(1) 打開exel(鏈接到指定的exel文件)
set xlapp=createobject("excel.application") `創(chuàng)建excel應用類
xlapp.visible = false
`設置excel不可見
set xlbook=xlapp.workbooks.open("d:\g.xls") `打開excel工作簿
set xlsheet=xlbook.worksheets(1)
`打開excel工作表
xlsheet.activate
(2) 關(guān)閉exel
xlapp.visible = true `設置excel可見
set xlapp = nothing `釋放excel對象
4 運行實例
為了驗證本設計在實際應用中的有效性，本文利用實驗室現(xiàn)有設備，在cpu222的擴展模塊em235中接入2個位移傳感器，設計了一套簡單實用的人機界面。在界面中，計算機實時的顯示兩個位移傳感器的數(shù)據(jù)及其曲線圖，并能將數(shù)據(jù)自動存儲至指定excel文件中；在界面中可以顯示plc的數(shù)字量輸入、輸出狀態(tài)及模擬量的實時變化曲線；通過“啟動”、“停止”按鈕可以直接控制plc的各輸出點。
設置plc以200ms為周期每次發(fā)送9個字節(jié)，將傳感器1的數(shù)據(jù)存入vw2(發(fā)送vb2和vb3)，傳感器2的數(shù)據(jù)存入vw4(發(fā)送vb4和vb5),i0.0～i0.7的狀態(tài)字節(jié)ib0存入vb6，i1.0～i1.7的狀態(tài)字節(jié)ib1存入vb7，q0.0～q0.7的狀態(tài)字節(jié)qb0存入vb8，q1.0～q1.7的狀態(tài)字節(jié)qb1存入vb9，m0.0～m0.7的狀態(tài)位mb0存入vb10。
計算機每次發(fā)送2個字節(jié)，第一個字節(jié)寫入變量存儲字節(jié)vb100中，并將vb100的數(shù)據(jù)賦值給qb0，進而實現(xiàn)點擊“啟動”/“停止”按鈕控制q0.0～q0.7；第二個字節(jié)寫入變量存儲位vb101，該字節(jié)通過比較指令中的“字節(jié)等于”連接發(fā)送指令xmt，實現(xiàn)界面中點擊“開始監(jiān)控”(字節(jié)等于1)時plc開始發(fā)送數(shù)據(jù)，點擊“停止監(jiān)控”(字節(jié)等于0)時plc停止發(fā)送數(shù)據(jù)。
為了實現(xiàn)計算機直接控制plc的數(shù)字量輸出，本設計在界面中使用8對“啟動”/“停止”控制按鈕，其中任何一個控制按鈕的點擊都是一次計算機向plc的數(shù)據(jù)寫入。在qb0中該字節(jié)對應的8個位控制plc的8個數(shù)字量輸出點(q0.0～q0.7)，故這里通過定義一個數(shù)組q(0 to 7)，數(shù)組中的8個元素分別對應qb0中的8個輸出點，每次點擊界面中控制按鈕都是向?qū)氐馁x值,并將8個元素的賦值求和，求和的結(jié)果即為寫入qb0的內(nèi)容。其中每個“啟動”按鈕的賦值為對應元素的十進制數(shù)值，任何“停止”按鈕的賦值都為0。
下面是人機界面運行中的截圖，界面中的圖表橫坐標單位是“s”，縱坐標單位是“mm”，圖表刷新周期為1秒，數(shù)據(jù)存儲至excel文件的周期是200ms。開始監(jiān)控后，使用兩個量程為100mm的位移傳感器，用手動方式移動傳感器的檢測部位，在數(shù)據(jù)存儲過程中，excel文件不可見，停止數(shù)據(jù)存儲后，自動彈出excel文件。在圖2、圖3中，a列和b列分別表示位移傳感器1(黑色曲線)和位移傳感器2(紅色曲線)的歷史數(shù)據(jù)。
圖3 exel中的數(shù)據(jù)生成圖表
5 結(jié)束語
本文應用s7-200plc的自由口通訊協(xié)議，以計算機為上位機，plc為下位機，基于vb6.0設計了一套簡單實用且易于實現(xiàn)的監(jiān)控界面。通過mscomm控件建立與下位機plc的通訊，較好地實現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量讀寫、存儲及模擬量趨勢曲線繪制。實驗表明該監(jiān)控系統(tǒng)能準確地監(jiān)控各類數(shù)字量(如q,i,m)信息，自動繪制模擬量變化的實時曲線并存儲相應的模擬量數(shù)據(jù)。
本文設計的通訊方法簡單實用且易于功能擴展，可以plc在中小場合的應用，為plc控制系統(tǒng)信息化、智能化發(fā)展提供了可行的探索路徑。