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(yīng)用[1]。但是由于中小型plc的人機(jī)接口功能不很完善，不能提供給用戶一個(gè)友好的交互界面，因此妨礙了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)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(qiáng)大、界面友好、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)在計(jì)算機(jī)監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是一般價(jià)格比較昂貴[6～7]。
visual basic6.0 在開(kāi)發(fā)可視化環(huán)境下的監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它本身提供的mscomm控件就是為應(yīng)用程序提供串口通訊而設(shè)計(jì)的，它屏蔽了通訊過(guò)程中的底層操作，只需設(shè)置、監(jiān)視mscomm控件的屬性和事件即可完成對(duì)串行口的初始化和數(shù)據(jù)輸入輸出[8～10]。西門(mén)子s7-200plc由于其體積小，可靠性高，通訊功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(shè)備通訊方便、自由，易于計(jì)算機(jī)控制軟件的開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，因此使用自由口通訊方式實(shí)現(xiàn)plc與上位機(jī)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(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用且易于功能擴(kuò)展的監(jiān)控界面，其中計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)mscomm控件建立與下位機(jī)plc的通訊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量讀寫(xiě)、存儲(chǔ)及模擬量趨勢(shì)曲線繪制。
2 通訊原理
在上位機(jī)中，通過(guò)vb6.0中的mscomm控件完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；在下位機(jī)中則是通過(guò)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(shè)置
由于s7-200plc與計(jì)算機(jī)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(jī)初始化設(shè)置
上位機(jī)使用mscomm控件通過(guò)串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此首先要對(duì)mscomm控件進(jìn)行初始化設(shè)置，主要始化設(shè)置如下：
mscomm1.commport=1 `設(shè)定通訊端口號(hào)
mscomm1.portopen=true `通訊端口打開(kāi)
mscomm1.settings="9600,n,8,1"
mscomm1.inputmode=1
settings：以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位。其中以字符n、o、e 分別代表無(wú)校驗(yàn)、奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)。
inputmode：設(shè)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(jìn)制格式(binary) [15]。
(2) 下位機(jī)的初始化設(shè)置
為了使下位機(jī)與上位機(jī)的通訊參數(shù)保持一致，可通過(guò)對(duì)plc的自由端口控制寄存器smb30(端口0)或smb130(端口1)的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于本文中使用的是cpu222是端口0，因此對(duì)plc的通訊設(shè)置是通過(guò)設(shè)置smb30來(lái)完成的。smb30的設(shè)置主要包括奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、波特率、協(xié)議選擇等參數(shù)。本文smb30設(shè)置內(nèi)容如下，奇偶校驗(yàn)為不校驗(yàn)、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(shè)置為9。由于本文是通過(guò)接收字符中斷接收數(shù)據(jù)，通過(guò)定時(shí)中斷發(fā)送數(shù)據(jù)，因此需要將兩個(gè)中斷初始化。
plc主要初始化設(shè)置：
movb 9, smb30 //將自由口控制存儲(chǔ)器設(shè)置9
movb 200, smb34 //定時(shí)中斷時(shí)間設(shè)置(200ms)
atch int_0, 8 //接收字符中斷
atch int_1, 10 //定時(shí)中斷
eni //中斷允許
2.2 通訊方式
圖1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的界面
(1) 上位機(jī)通訊方式
首先將上位機(jī)待發(fā)送的m個(gè)字節(jié)依次存儲(chǔ)在數(shù)組s中，每次待接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在變量r中。
發(fā)送信息時(shí)，數(shù)組s中第一個(gè)元素s(0)存儲(chǔ)第一個(gè)待發(fā)送字節(jié)……最后一個(gè)元素s(m-1)存儲(chǔ)最后一個(gè)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?jì)算機(jī)中，因此上位機(jī)需要對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)在aiw中，而plc在發(fā)送該數(shù)據(jù)時(shí)是按照word對(duì)應(yīng)的兩個(gè)byte發(fā)送，故計(jì)算機(jī)在后臺(tái)計(jì)算中要將其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)byte轉(zhuǎn)換為word。為了在人機(jī)界面中表達(dá)數(shù)字量(qb,ib,mb)的各個(gè)狀態(tài)，需要在計(jì)算機(jī)后臺(tái)計(jì)算中把plc的各數(shù)字量的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八位二進(jìn)制，通過(guò)對(duì)八位二進(jìn)制的每個(gè)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(dá)在界面中。
圖2 存儲(chǔ)在excel表格中的部分?jǐn)?shù)據(jù)
(2) 下位機(jī)通訊方式
為了在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)顯示plc運(yùn)行狀況及傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，就需要plc主動(dòng)發(fā)送信息。為此，本文通過(guò)“定時(shí)中斷”使plc周期地向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。具體方法是在定時(shí)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(shí)中斷的時(shí)間設(shè)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(lái)接收計(jì)算機(jī)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(shí)采用指針接收數(shù)據(jù)。即在plc接收數(shù)據(jù)時(shí)，每次接收m個(gè)字節(jié)，僅在第一個(gè)字節(jié)進(jìn)入smb2時(shí)定義指針，并將該字節(jié)寫(xiě)入指針?biāo)赶虻淖兞看鎯?chǔ)字節(jié)；第二個(gè)字節(jié)進(jìn)入smb2時(shí)，指針指向下一個(gè)變量存儲(chǔ)字節(jié)，并把第二個(gè)字節(jié)寫(xiě)入……最后一個(gè)字節(jié)進(jìn)入smb2時(shí)，指針指向下一個(gè)變量存儲(chǔ)字節(jié)，把第m個(gè)字節(jié)寫(xiě)入。若數(shù)據(jù)接收完成，則清空用于計(jì)數(shù)的變量存儲(chǔ)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(gè)字節(jié)：
ld sm4.5 //變送器閑置時(shí)動(dòng)作
lps
ab= vb99, 0 //vb99為0時(shí)
movd &vb100, ac1
//定義指針ac1，存儲(chǔ)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(gè)數(shù)遞增
lpp
ab= vb99, 2 //接收字節(jié)個(gè)數(shù)為2
movb 0, vb99 //計(jì)數(shù)清零，完成一次接收
3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
vb6.0可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多種數(shù)據(jù)庫(kù)中(如access、excel等)?？紤]到excel簡(jiǎn)單實(shí)用且應(yīng)用廣泛，通過(guò)設(shè)置excel的宏屬性，就可將實(shí)時(shí)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(guò)vb6.0鏈接一個(gè)指定的excel文件，在vb程序里定時(shí)器的觸發(fā)事件將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至excel文件，存儲(chǔ)方法如下：
k=k+1
xlsheet.cells(k,r) = v`數(shù)據(jù)v寫(xiě)入excel第r列，隨著時(shí)間k的增加依次逐行存儲(chǔ)。
為了建立vb6.0與指定excel文件的鏈接，需要對(duì)鏈接的雙方分別進(jìn)行設(shè)置。首先建立并指定一個(gè)excel文件,命名為“g”，存儲(chǔ)路徑為“d:\g”，通過(guò)設(shè)置該文件宏屬性，可建立excel向vb6.0的鏈接。exel中的宏屬性設(shè)置設(shè)置為：
sub auto_open()
open " d:\g " for output as #1 `寫(xiě)標(biāo)志文件close #1
end sub
sub auto_close()
kill " d:\g " `刪除標(biāo)志文件end sub
在vb6.0向excel鏈接時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)快速地寫(xiě)入excel，為避免誤操作引起excel運(yùn)行終止，本文在打開(kāi)exel時(shí)設(shè)置excel不可見(jiàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，設(shè)置excel可見(jiàn)。
(1) 打開(kāi)exel(鏈接到指定的exel文件)
set xlapp=createobject("excel.application") `創(chuàng)建excel應(yīng)用類(lèi)
xlapp.visible = false
`設(shè)置excel不可見(jiàn)
set xlbook=xlapp.workbooks.open("d:\g.xls") `打開(kāi)excel工作簿
set xlsheet=xlbook.worksheets(1)
`打開(kāi)excel工作表
xlsheet.activate
(2) 關(guān)閉exel
xlapp.visible = true `設(shè)置excel可見(jiàn)
set xlapp = nothing `釋放excel對(duì)象
4 運(yùn)行實(shí)例
為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，本文利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，在cpu222的擴(kuò)展模塊em235中接入2個(gè)位移傳感器，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的人機(jī)界面。在界面中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)的顯示兩個(gè)位移傳感器的數(shù)據(jù)及其曲線圖，并能將數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)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(shí)時(shí)變化曲線；通過(guò)“啟動(dòng)”、“停止”按鈕可以直接控制plc的各輸出點(diǎn)。
設(shè)置plc以200ms為周期每次發(fā)送9個(gè)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(jì)算機(jī)每次發(fā)送2個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)寫(xiě)入變量存儲(chǔ)字節(jié)vb100中，并將vb100的數(shù)據(jù)賦值給qb0，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊“啟動(dòng)”/“停止”按鈕控制q0.0～q0.7；第二個(gè)字節(jié)寫(xiě)入變量存儲(chǔ)位vb101，該字節(jié)通過(guò)比較指令中的“字節(jié)等于”連接發(fā)送指令xmt，實(shí)現(xiàn)界面中點(diǎn)擊“開(kāi)始監(jiān)控”(字節(jié)等于1)時(shí)plc開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“停止監(jiān)控”(字節(jié)等于0)時(shí)plc停止發(fā)送數(shù)據(jù)。
為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接控制plc的數(shù)字量輸出，本設(shè)計(jì)在界面中使用8對(duì)“啟動(dòng)”/“停止”控制按鈕，其中任何一個(gè)控制按鈕的點(diǎn)擊都是一次計(jì)算機(jī)向plc的數(shù)據(jù)寫(xiě)入。在qb0中該字節(jié)對(duì)應(yīng)的8個(gè)位控制plc的8個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)(q0.0～q0.7)，故這里通過(guò)定義一個(gè)數(shù)組q(0 to 7)，數(shù)組中的8個(gè)元素分別對(duì)應(yīng)qb0中的8個(gè)輸出點(diǎn)，每次點(diǎn)擊界面中控制按鈕都是向?qū)?yīng)元素的賦值,并將8個(gè)元素的賦值求和，求和的結(jié)果即為寫(xiě)入qb0的內(nèi)容。其中每個(gè)“啟動(dòng)”按鈕的賦值為對(duì)應(yīng)元素的十進(jìn)制數(shù)值，任何“停止”按鈕的賦值都為0。
下面是人機(jī)界面運(yùn)行中的截圖，界面中的圖表橫坐標(biāo)單位是“s”，縱坐標(biāo)單位是“mm”，圖表刷新周期為1秒，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至excel文件的周期是200ms。開(kāi)始監(jiān)控后，使用兩個(gè)量程為100mm的位移傳感器，用手動(dòng)方式移動(dòng)傳感器的檢測(cè)部位，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中，excel文件不可見(jiàn)，停止數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，自動(dòng)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(yǔ)
本文應(yīng)用s7-200plc的自由口通訊協(xié)議，以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，plc為下位機(jī)，基于vb6.0設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單實(shí)用且易于實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控界面。通過(guò)mscomm控件建立與下位機(jī)plc的通訊，較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量讀寫(xiě)、存儲(chǔ)及模擬量趨勢(shì)曲線繪制。實(shí)驗(yàn)表明該監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確地監(jiān)控各類(lèi)數(shù)字量(如q,i,m)信息，自動(dòng)繪制模擬量變化的實(shí)時(shí)曲線并存儲(chǔ)相應(yīng)的模擬量數(shù)據(jù)。
本文設(shè)計(jì)的通訊方法簡(jiǎn)單實(shí)用且易于功能擴(kuò)展，可以plc在中小場(chǎng)合的應(yīng)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。