摘  要： 詳細(xì)說明了西門子S7-200 PLC在自由口模式下與上位機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)，主要包括該系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，自由口通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，以及上位機(jī)軟件流程和主控PLC軟件設(shè)計(jì)。通過自由口通信可實(shí)現(xiàn)對(duì)ITER導(dǎo)體穿纜測(cè)力測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控， 將PLC數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程控制等功能。
關(guān)鍵詞： PLC；通信協(xié)議；自由口模式；ITER導(dǎo)體穿纜測(cè)力測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)；上位機(jī)

　西門子公司的SIMATIC S7-200系列PLC是廣泛適用于中小型設(shè)備控制的工業(yè)可編程控制器，以其可靠性高、豐富的指令和內(nèi)置功能、通信能力強(qiáng)、性價(jià)比較高等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。在本文的控制系統(tǒng)中，PLC作為下位機(jī)完成現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)和數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和控制[2-4]。工控PC機(jī)作為上位機(jī)可提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示等監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制等功能。S7-200系列的PLC可以在四種通信模式下工作：PPI模式、MPI模式、PROFIBUS-DP模式和自由口通信模式。其中，PPI和MPI是西門子專門開發(fā)的通信協(xié)議。PPI協(xié)議用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口，是一個(gè)主/從協(xié)議。MPI協(xié)議適用于多點(diǎn)接口，可以是主/主協(xié)議或主/從協(xié)議。PROFIBUS-DP是西門子支持的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)[5]。而大多數(shù)用戶則是選用對(duì)用戶完全開放的自由口通信模式。在自由口通信模式下，通信協(xié)議是由用戶定義的。用戶可以用梯形圖程序調(diào)用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令(XMT)、接收指令(RCV)來控制通信操作。本設(shè)計(jì)采用自由口方式，重點(diǎn)介紹工控PC機(jī)與主控PLC的通信原理與實(shí)現(xiàn)。
1 硬件組成
　ITER導(dǎo)體穿纜測(cè)力測(cè)長(zhǎng)控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。將測(cè)力傳感器和測(cè)長(zhǎng)編碼器通過信號(hào)線與PLC相連，這樣穿纜過程中的拉力數(shù)據(jù)和行程數(shù)據(jù)就能夠?qū)崟r(shí)寫入PLC的寄存器中。PLC通過通信電纜與PC機(jī)的串行通信口相連，在PC機(jī)中設(shè)置VB的MSCOMM控件來實(shí)現(xiàn)串口通信，這樣PC機(jī)就能讀取PLC寄存器中的拉力和行程數(shù)據(jù)，對(duì)穿纜過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 工控PC機(jī)與主控PLC的自由口通信協(xié)議
　工控PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的串口為RS232C，S7-200系列提供的串口為RS485，利用西門子公司提供的PC/PPI電纜，可以方便地實(shí)現(xiàn)S7-200系列PLC與PC之間硬件連接[1]。
　上位機(jī)向PLC發(fā)送指令(即指令幀)，指令幀格式如圖2所示，由起始字符、指令類型、目標(biāo)PLC站地址、目標(biāo)寄存器地址、讀/寫字節(jié)數(shù)、待寫入的數(shù)據(jù)(當(dāng)從PLC讀數(shù)據(jù)時(shí)，具體數(shù)據(jù)部分為空)、校驗(yàn)碼和結(jié)束字符組成。

　例如寫VB100開始的兩個(gè)字節(jié)的指令幀如下：83H，06H，08H，00H，00H，64H，30H，32H，31H，32H，33H，34H，35H，36H，115H。下面按順序說明每段字節(jié)的含義：
　83H為字符"S"的ASCII碼，表示指令的開始，在本設(shè)計(jì)中是固定的。
　06H表示指令的類型，為寫操作。在本文中定義05H代表讀操作，06H代表寫操作。
　08H，00H表示要寫PLC中V存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容。
　00H，64H表示要從VB100開始寫。
　30H，32H表示要寫兩個(gè)字節(jié)。
　31H，32H，33H，34H表示VB100寫入12H，VB101寫入34H。
　35H，36H是校驗(yàn)和。
　115H為字符"s"的ASCII碼，是結(jié)束字符，表示指令的結(jié)束，在本設(shè)計(jì)中是固定的。
　一條指令除包含數(shù)據(jù)外，還包含必要的控制字(如起始字符、結(jié)束字符、指令類型等)。如果指令中的數(shù)據(jù)直接以其原本的形式傳輸，則不可避免地會(huì)與指令中的控制字發(fā)生混淆。為了避免這種情況的發(fā)生，可以用文本來傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。通過16進(jìn)制ASCII碼的格式來描述數(shù)據(jù)，每個(gè)二進(jìn)制的字節(jié)都可以表示成一對(duì)ASCII編碼，這對(duì)編碼表示這個(gè)字節(jié)的兩個(gè)16進(jìn)制字符。這種格式可以表示任何的數(shù)值，僅僅使用ASCII代碼的30H~39H(表示0~9)和41H~46H(表示A~F)。ASCII碼的其余部分可以用作控制字。這樣就避免PLC因接收到數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤的標(biāo)志位而停止接收的錯(cuò)誤。
　在PLC接到上位機(jī)指令后，會(huì)向上位機(jī)發(fā)送一個(gè)反饋消息，即反饋幀，反饋幀格式如圖3所示。其組成與指令幀基本相同，但它是由PLC發(fā)出的，所以具體數(shù)據(jù)段不同，在向PLC寫數(shù)據(jù)時(shí)，反饋幀的具體數(shù)據(jù)部分為空，而在從PLC讀數(shù)據(jù)時(shí)，具體數(shù)據(jù)部分不能為空。

　例如，PLC接收到寫VB100開始兩個(gè)字節(jié)后的發(fā)送反饋幀如下：83H，02H，08H，00H，00H，64H，30H，32H，35H，36H，115H。下面按順序說明每段字節(jié)的含義：
　83H為字符"S"的ASCII碼，與指令幀相同。
　02H為狀態(tài)信息，表示接收到上位機(jī)指令后PLC的執(zhí)行狀態(tài)。在本文中02H表示寫入正確，相應(yīng)地規(guī)定01H表示讀取正確，03H表示BCC校驗(yàn)碼錯(cuò)誤，04H表示指令不合法。
　08H，00H表示要寫入PLC中V存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容，與指令幀相同。
　00H，64H表示要從VB100開始寫，與指令幀相同。
　30H，32H表示要寫兩個(gè)字節(jié)，與指令幀相同。需注意的是，此時(shí)具體數(shù)據(jù)段為空。
　35H，36H是校驗(yàn)和，因無數(shù)據(jù)段，與指令幀可能不同。
　115H為字符"s"的ASCII碼，表示此幀結(jié)束，與指令幀相同。
3 工控PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　工控PC機(jī)端通信程序流程圖如圖4所示。發(fā)送指令幀后，注意查詢反饋幀，如一定時(shí)間內(nèi)沒有接收到，應(yīng)再次發(fā)送，兩次無響應(yīng)，則要提示通信故障或PLC不存在。

　在工控PC機(jī)中可采用VB來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控程序，通過MSCOMM控件就可控制串口通信[6]，主要參數(shù)設(shè)置代碼如下：
　MSComm1.Settings="9600，N，8，1"
　//串口通信參數(shù)設(shè)置
　MSComm1.CommPort=1
　MSComm1.PortOpen=True
    MSComm1.InputLen=0
4 主控PLC軟件設(shè)計(jì)
　CPU224XP自由口通信模式的初始化是通過對(duì)特殊存儲(chǔ)字節(jié)SMB30(PORT0)寫入通信控制字來設(shè)置通信的波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位和數(shù)據(jù)位數(shù)[7]。SMB30中的內(nèi)容如下：
　PP：奇偶選擇。00為無奇偶校驗(yàn)；01為偶校驗(yàn)；10為奇校驗(yàn)；11為保留。
　D：每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位。0為每個(gè)字符8位；1為每個(gè)字符7位。
　BBB：自由端口波特率。本設(shè)計(jì)為010，表示波特率為9 600 b/s。
　MM：協(xié)議選擇。00為點(diǎn)到點(diǎn)接口協(xié)議的PPI從站模式；01為自由端口協(xié)議；10為PPI主站模式；11為保留。缺省設(shè)置為00，即PPI從站模式。
　本文中傳輸速率固定為9 600 b/s，數(shù)據(jù)格式由1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位、1位停止位組成。
配置自由口通信模式后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)了。PLC通信程序框圖如圖5所示。接收數(shù)據(jù)指令RCV的命令格式為RCV TABLE，Port0，RCV指令可以接收一個(gè)或多個(gè)字符，一次最多接收255個(gè)字符。發(fā)送數(shù)據(jù)指令XMT的命令格式為XMT TABLE，Port0，激活發(fā)送緩沖區(qū)TABLE中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的第一個(gè)數(shù)據(jù)指明了要發(fā)送的字節(jié)數(shù)，最多有255個(gè)字符的緩沖區(qū)。

　通信程序的設(shè)計(jì)需遵循一定的規(guī)則，例如，中斷通信處理程序要短小精悍，要避免XMT與RCV指令在一個(gè)端口同時(shí)執(zhí)行[8]。本設(shè)計(jì)采用主從方式通信，PC設(shè)為主機(jī)，PLC設(shè)置為從機(jī)。只有PLC接收到指令幀后，才可能根據(jù)接收數(shù)據(jù)情況發(fā)送反饋幀。為簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，PC機(jī)只發(fā)出讀指令和寫指令兩種指令幀。若為讀指令，PLC準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)后執(zhí)行XMT指令；若為寫指令，PLC先把數(shù)據(jù)寫入指定存儲(chǔ)區(qū)，準(zhǔn)備好應(yīng)答數(shù)據(jù)后同樣執(zhí)行XMT命令；若接收到錯(cuò)誤幀(如校驗(yàn)錯(cuò)誤及不能識(shí)別的命令)，PLC準(zhǔn)備相應(yīng)標(biāo)志數(shù)據(jù)執(zhí)行XMT指令。
　主要代碼如下：
　LD  SM0.0
　MOVB  9，SMB30//設(shè)置端口0為：9 600，N，8，1
　LD  SM0.0//RCV指令初始化
　MOVB  16#EC，SMB87
　//允許接收信息，使用SMB88，SMB89。
　MOVB  83，SMB88//設(shè)置起始字符為"S"
　MOVB  115，SMB89//設(shè)置結(jié)束字符為"s"
　MOVB  +1000，SMW92//接收信息時(shí)間不能超過1 ms
　MOVB  30，SMB94//接收的最大字符數(shù)，這里設(shè)置為30
　R  SMB87.2，1//復(fù)位SMB87.2，使其為0，忽略SMW92
　LD  SM0.0
　ATCH  RCVOVER，23
　//將0口接收完成中斷事件連接到RCVOVER上
　LD  SM0.0
　ATCH  XMTOVER，9、
　　//將0口發(fā)送完成中斷事件連接到XMTOVER上
　LD  SM0.0
　ENI//允許中斷
　S7-200自由口通信方式使用戶可以自己定義PLC指令通信協(xié)議，與任何公開通信協(xié)議(如RS-422或RS-232C)接口設(shè)備進(jìn)行通信，使通信范圍大大增加，控制系統(tǒng)配制更加靈活。本通信程序用于ITER導(dǎo)體穿纜測(cè)力測(cè)長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，PLC完成數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場(chǎng)控制，工控PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)體穿纜的速度及行程，同時(shí)以梯形圖和通信控件顯示動(dòng)作過程，便于監(jiān)控及故障診斷，得到用戶好評(píng)。本文設(shè)計(jì)的通信協(xié)議也可用于其他控制系統(tǒng)的監(jiān)控。
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