1 引言
可編程控制器（plc）由于其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、編程簡單、指令強(qiáng)大、靈活性強(qiáng)、能適用于比較惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)普遍采用觸摸屏加plc的方法來監(jiān)控設(shè)備，但觸摸屏視角窄，不適應(yīng)惡劣環(huán)境，且數(shù)據(jù)存儲容量有限，不易實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。因此我們采用plc與計算機(jī)通訊的方式實現(xiàn)實時監(jiān)控，克服了觸摸屏的缺點(diǎn)。
2 s7-200 cpu自由口通訊方式的應(yīng)用
世界知名品牌的plc很多，如西門子、歐姆龍、松下、三菱等等，本人僅以西門子s7-200小型可編程控制器的cpu22×系列為例，介紹plc在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中與計算機(jī)通訊的功能。
s7-200 cpu支持多樣的通訊功能，根據(jù)所使用的s7-200 cpu，其網(wǎng)絡(luò)可以支持一個或多個以下協(xié)議:
點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point）接口（ppi）
多點(diǎn)接口（multi-point）（mpi）
profibus
用戶定義協(xié)議（自由口）
自由口通訊是通過用戶程序可以控制s7-200 cpu通訊口的操作模式。利用自由口模式，可以實現(xiàn)用戶定義的通訊協(xié)議連接多種智能設(shè)備。通過使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令和接收指令，用戶程序控制通訊口操作。在自由口通訊模式下，通訊協(xié)議完全由用戶程序控制。通過smb30（口0）允許自由口模式，而且只有在cpu處于run模式時才能允許。當(dāng)cpu出于stop模式時，自由口通訊停止，通訊口轉(zhuǎn)換成正常的ppi協(xié)議操作。
近年來，隨著我國鐵路運(yùn)輸環(huán)境的改善，列車速度越來越高，勢必對鐵道車輛提出較高的要求，其表現(xiàn)在對列車的舒適性和運(yùn)行可靠性、安全性的要求提高，因此車輛上設(shè)備的自動化程度越來越高。自動化程度的提高，帶動了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在列車控制和監(jiān)控上的應(yīng)用。車輛網(wǎng)絡(luò)控制、監(jiān)控簡圖如圖1所示。
整列車設(shè)有車輛級計算機(jī)，每個車廂設(shè)有本車計算機(jī)，車輛級計算機(jī)與各個本車計算機(jī)組成車輛的主網(wǎng)，本車計算機(jī)與本車廂內(nèi)的各個設(shè)備間組成子網(wǎng)。plc由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，作為控制核心在車輛上的多種設(shè)備中得以應(yīng)用，例如列車自動門的控制、列車空調(diào)機(jī)的控制等，使其可以作為整個列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個節(jié)點(diǎn)。


3 通訊協(xié)議
siemens s7-200系列plc可以采用用戶定義通訊協(xié)議（自由口）模式實現(xiàn)計算機(jī)與plc、plc與plc的通訊。筆者所描述的例子中，雖然車輛計算機(jī)系統(tǒng)和車輛上的其它設(shè)備分別是多個設(shè)備供應(yīng)商的產(chǎn)品，但是只要制定好通訊協(xié)議，就能滿足相互通訊的要求。s7-200系列的plc正是由于其自由口通訊是通過用戶程序控制cpu串行通訊口的操作模式，所以可以方便地與車輛計算機(jī)通訊。
計算機(jī)（主站）每隔100ms查詢plc（從站）一次，主站發(fā)出從站動作控制命令給從站，從站收到命令后發(fā)給主站應(yīng)答幀，從站接收到主站發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)，計算出其校驗碼fcs，與接收到的一幀數(shù)據(jù)中的fcs比較，檢查是否有數(shù)據(jù)錯誤。如果有數(shù)據(jù)有誤，從站發(fā)送信息給主站，請求重發(fā)。
l 字符結(jié)構(gòu):每個字符由11位構(gòu)成，奇偶校驗位采用奇校驗方式。
起始位 數(shù)據(jù) 奇偶校驗位 停止位
1位 8位 d7…d0 1位 1位
l 傳輸數(shù)據(jù)幀格式
byte（0）…byte（n） fcs
byte（0）…byte（n）為字符串;
fcs為異或校驗碼，是發(fā)送的所有數(shù)據(jù)字節(jié)和地址字節(jié)之異或值。
l 主站命令幀結(jié)構(gòu)
從站地址 從站地址補(bǔ)碼 控制字節(jié) 命令字節(jié) fcs
l 從站應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)
從站地址 從站地址補(bǔ)碼 控制字節(jié) 應(yīng)答字節(jié) fcs
4 通訊口初始化
plc內(nèi)部特殊存儲器位smb30和smb130分別配置通訊端口0和1，為自由端口通訊選擇波特率、奇偶校驗和數(shù)據(jù)位數(shù)。自由端口的控制字節(jié)描述如表1所示。
例如:在通訊協(xié)議中規(guī)定奇偶校驗為奇校驗、每個字符的數(shù)據(jù)為8位、波特率為19200、自由口協(xié)議，采用通訊端口0，則在plc初始化程序中將smb30賦值為0c5h。
例://串口初始化
┋
network 7
ld sm0.0
movb 16#c5, smb30 //波特率為19200奇校驗 //1起始位1停止位8數(shù)據(jù)位
eni //允許中斷
movb 2, smb34
movb 20, smb35
atch int_0, 8
┋
5 plc實時數(shù)據(jù)處理
由于s7-200系列plc在自由口模式下，通訊協(xié)議完全由梯形圖程序或stl編輯器控制，程序可以使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令和接收指令來控制通訊操作。cpu連續(xù)掃描用戶程序，執(zhí)行用戶任務(wù)。plc在程序執(zhí)行過程中，基于穩(wěn)定、快速靈活等方面考慮，cpu每個掃描周期都通過輸入輸出映像寄存器來執(zhí)行實際輸入輸出操作，即讀實際輸入點(diǎn)值到映像寄存器、寫映像寄存器值到實際輸出點(diǎn)。由于在中斷中不能順利進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，因此，可通過編程，利用plc循環(huán)掃描執(zhí)行程序的特點(diǎn)，使得在程序掃描期間實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲區(qū)與輸入輸出映像寄存器區(qū)交換數(shù)據(jù)。
在本實例中，plc上電初始化后轉(zhuǎn)入接收字符中斷，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出查詢命令后，plc判斷所發(fā)命令的地址和地址補(bǔ)碼是否正確;如果正確判斷上位機(jī)是向plc發(fā)送命令還是查詢plc狀態(tài);如果執(zhí)行命令則plc轉(zhuǎn)入主程序執(zhí)行相關(guān)命令，如果查詢plc狀態(tài)則將協(xié)議定義的信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)收到信息后發(fā)送應(yīng)答幀給plc。


例:interrupt0 //接收開始
network 1
ldn sm3.0
ab= smb2, vb0
movw +0, ac0
movd &vb600, vd638
movb smb2, ＊vd638
xorw smw1, ac0
movb ac0, vb300
atch int_1, 8
atch int_6, 11
creti
network 2
ld sm0.0
dtch 8
atch int_6, 10
interrupt1 //接收地址補(bǔ)碼
network 1
ldn sm3.0
an sm1.0
movb smb2, ＊vd638
xorw smw1, ac0
network 2
ld sm0.0
atch int_6, 10
interrupt2 //接收命令后判斷
┋
network 3 //發(fā)送信息
ldw= ac2, +0
ab= vb301, vb604
ab= vb603, 16#00
atch int_4, 10
dtch 11
creti
network 4
ld sm0.0
wdr
┋
network 7
ld sm0.0
s m31.0, 1
dtch 11
atch int_5, 10
interrupt3 //接收應(yīng)答字節(jié)
network 1
ldn sm3.0
an sm1.0
movb smb2, ＊vd638
incd vd638
xorw smw1, ac0
decw ac2
network 2
ldw= ac2, 16#0000
movw ac0, vw300
network 3
ld sm0.0
dtch 8
atch int_6, 10
interrupt4 //發(fā)送信息碼
┋
network 6
ld sm0.0
movw ac0, vw105
xmt vb100, 0
atch int_6, 9
┋
interrupt5 //發(fā)送應(yīng)答幟
┋
network 9
ld sm0.0
movw ac0, vw105
xmt vb100, 0
r m31.0, 1
atch int_6, 9
┋
interrupt6 //轉(zhuǎn)入接受中斷
network 1
ld sm0.0
dtch 9
dtch 10
dtch 11
atch int_0, 8
6 計算機(jī)實時數(shù)據(jù)處理
計算機(jī)程序由車輛級網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商提供，根據(jù)雙方制定的通訊協(xié)議，通常采用vb或vc編寫，在此不做詳細(xì)描述。
7 結(jié)束語
從以上敘述可以看到，由車輛計算機(jī)與plc（或其它智能可編程設(shè)備）組建的車輛級實時監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵在于解決計算機(jī)與plc的實時通訊、plc對車上設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控的問題。通過這種方式組建的車輛實時監(jiān)控系統(tǒng)，只是在原有的設(shè)備控制器軟件內(nèi)增加了通訊程序，所以并沒有增加設(shè)備供應(yīng)商的成本，因此這種監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)成本低，而且實時性好、操作簡單、通用性強(qiáng)。再利用計算機(jī)易組網(wǎng)的功能，實現(xiàn)了整列車的實時監(jiān)控，大大提供了列車行駛中的可靠性和安全性，因此這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在旅客列車、特別是高速列車上已普遍使用。