摘 要: 詳細(xì)說(shuō)明了西門(mén)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(guò)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(mén)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?xún)r(jià)比較高等特點(diǎn),在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到越來(lái)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(mén)子專(zhuān)門(mén)開(kāi)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(mén)子支持的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)[5]。而大多數(shù)用戶(hù)則是選用對(duì)用戶(hù)完全開(kāi)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(hù)定義的。用戶(hù)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(lái)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(guò)信號(hào)線(xiàn)與PLC相連,這樣穿纜過(guò)程中的拉力數(shù)據(jù)和行程數(shù)據(jù)就能夠?qū)崟r(shí)寫(xiě)入PLC的寄存器中。PLC通過(guò)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(lái)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(guò)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(mén)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(lèi)型、目標(biāo)PLC站地址、目標(biāo)寄存器地址、讀/寫(xiě)字節(jié)數(shù)、待寫(xiě)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(xiě)VB100開(kāi)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(shuō)明每段字節(jié)的含義:
83H為字符"S"的ASCII碼,表示指令的開(kāi)始,在本設(shè)計(jì)中是固定的。
06H表示指令的類(lèi)型,為寫(xiě)操作。在本文中定義05H代表讀操作,06H代表寫(xiě)操作。
08H,00H表示要寫(xiě)PLC中V存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容。
00H,64H表示要從VB100開(kāi)始寫(xiě)。
30H,32H表示要寫(xiě)兩個(gè)字節(jié)。
31H,32H,33H,34H表示VB100寫(xiě)入12H,VB101寫(xiě)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(lèi)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(lái)傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。通過(guò)16進(jìn)制ASCII碼的格式來(lái)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(xiě)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(xiě)VB100開(kāi)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(shuō)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(xiě)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(xiě)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(kāi)始寫(xiě),與指令幀相同。
30H,32H表示要寫(xiě)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(wú)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(xún)反饋幀,如一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到,應(yīng)再次發(fā)送,兩次無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控程序,通過(guò)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(guò)對(duì)特殊存儲(chǔ)字節(jié)SMB30(PORT0)寫(xiě)入通信控制字來(lái)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(wú)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(wú)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(xiě)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(xiě)指令,PLC先把數(shù)據(jù)寫(xiě)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(guò)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(hù)可以自己定義PLC指令通信協(xié)議,與任何公開(kāi)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(guò)程,便于監(jiān)控及故障診斷,得到用戶(hù)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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