摘  要： 為了將單片機加入到SIEMENS S7-200系列PLC的PPI（點對點協(xié)議）通信網(wǎng)絡中，就需要分析PPI通信協(xié)議格式。本文利用CommMonitor6.0（串口監(jiān)視精靈）工具，監(jiān)控PLC與PLC之間的通信，通過總結分析出其數(shù)據(jù)格式，然后編寫相應的單片機C51程序，使PLC能夠使用NetR/NetW（網(wǎng)絡讀寫命令）與單片機進行數(shù)據(jù)交換。
關鍵詞： PLC；單片機；PPI；NetR；NetW

　在工業(yè)控制領域，可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）以其可靠性高、抗干擾能力強，通用性強、靈活性好、功能齊全、編程簡單、使用方便以及安裝簡便等特點而得到了廣泛的應用。現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)大都向著分散化、網(wǎng)絡化和智能化方向發(fā)展，如何實現(xiàn)現(xiàn)場分散的控制設備的網(wǎng)絡通信十分重要。
　西門子公司的S7-200系列PLC支持PPI、MPI、Profibus和自由口通信等多種通信方式。采用MPI協(xié)議需要相應的CP卡或MPI卡支持，如CP5511通信卡；若采用Profibus協(xié)議，則需要Profibus-DP模塊EM277；若采用自由口方式，則在PLC中需要編寫通信程序，占用PLC有限的程序存儲空間，同時也難以保證在惡劣復雜環(huán)境下通信數(shù)據(jù)的正確可靠性；若采用PPI協(xié)議，只需在整個通信網(wǎng)絡中選定1個PLC作為通信主站點，其他PLC都作為從站點，主站PLC通過NetR/NetW指令周期性地與從站PLC進行數(shù)據(jù)交換，這種通信方式非常簡單可靠，得到了廣泛的應用。
　在實際應用中通常又需要PLC能夠與其他設備通信，本文以單片機串口通信為例，詳細地分析了NetR/NetW指令的通信流程與數(shù)據(jù)格式，并設計出了單片機串口通信協(xié)議，使PLC能夠使用NetR/NetW指令與單片機通信。
1 S7-200系列PLC網(wǎng)絡讀寫指令分析
1.1 PPI協(xié)議簡介
　PPI是西門子公司專門為S7-200系列PLC開發(fā)的通信協(xié)議，內(nèi)置于S7-200 CPU中。PPI物理上基于RS485接口，通過屏蔽雙絞線就可以實現(xiàn)PPI通信，是一種主-從通信協(xié)議。主站設備發(fā)送要求到從站設備，從站設備響應，從站本身不能主動發(fā)出信息。為了進行PPI通信，S7-200系列PLC專門配備了網(wǎng)絡讀指令及網(wǎng)絡寫指令，使用STEP 7-Micro WIN中的NetR/NetW Wizard可以很方便地配置網(wǎng)絡通信。使用該向導可以編輯最多24條網(wǎng)絡讀寫指令，每條網(wǎng)絡讀寫指令最多能夠讀或者寫16 B的數(shù)據(jù)。其核心是使用順序控制指令，這樣在任一時刻只有一條NetR/NetW指令有效。在主程序中必須用SM0.0指令來調(diào)用該向導生成的子程序，以保證它的正常運行。該子程序有3個參數(shù)：  
　（1）Timeout（超時）。0為不計時；1-36767為設置以秒為單位的超時延時時間。如果通信有問題的時間超出此延時時間，則會報告錯誤。
?。?）Cycle（周期）。所有網(wǎng)絡讀/寫操作每完成一次切換狀態(tài)。  
?。?）Error（錯誤）。0為無錯誤；1為出錯，通過檢查NetR/NetW指令緩沖區(qū)狀態(tài)字節(jié)，可以獲取錯誤代碼。
1.2 PPI協(xié)議數(shù)據(jù)幀分析
　利用CommMonitor6.0工具監(jiān)控單主站PLC之間的通信，可以獲得4種不同的數(shù)據(jù)幀。
　（1）令牌幀：SD1，DA SA；
?。?）無數(shù)據(jù)字段的固定長度的請求幀或應答幀：SD2，DA SA FC FCS ED；
　（3）有可變數(shù)據(jù)字段的請求或應答幀：SD3，LE LER SD3 DA SA FC DU FCS ED；
　（4）短應答幀：SC。
　SD1~SD3為開始定界符，以區(qū)別不同類型的幀格式，SD1=0xDC，SD2=0x10，SD3=0x68；LE=LER，表示從DA至DU的數(shù)據(jù)長度；DA為目的地址，指示接收該幀的站；SA為源地址，指示發(fā)送該幀的站；FC為幀控制字節(jié)，包含用于該幀服務和優(yōu)先權等的詳細說明；DU為數(shù)據(jù)字段，包含有效的數(shù)據(jù)信息；FCS為幀校驗字節(jié)，表示從DA到DU之間的校驗和的256余數(shù)；ED為幀結束定界符（0x16）；SC為單一字符（0xE5），用于從站的確認。
　當系統(tǒng)主站PLC上電運行后，在一定時間（即用戶所設定的Timeout時間內(nèi)）會進行通信網(wǎng)絡初始化，首先生成令牌并初始化令牌環(huán)，由于是單主站系統(tǒng)，該主站將會一直持有該令牌。接著主站就會不斷地搜索它管轄范圍的從站，通常從用戶所配置的第一條NetR/NetW指令的從站地址開始，搜索范圍也由用戶設定（一般為0~31）。主站首先發(fā)送請求幀10 DA SA FC FCS ED （FC功能碼為49H，表示有回答要求的從站狀態(tài)查詢），從站正確接收到后將發(fā)送響應幀10 SA DA FC FCS ED （FC功能碼為00H，表示應答肯定）。接著主站繼續(xù)搜索下一個從站，一定時間內(nèi)如果沒有從站響應，則將繼續(xù)進行下一個網(wǎng)絡地址搜索。主站PLC一直重復循環(huán)此過程，并將從站狀態(tài)信息記錄下來，直到Timeout時間到，主站才開始真正執(zhí)行由用戶所配置NetR/NetW操作。
1.3 NetR指令分析
　由NetR/NetW指令向導創(chuàng)建的指令，最多只能讀取16 B的信息，而且指令是順序執(zhí)行的，完成一條讀指令需要兩次數(shù)據(jù)收發(fā)。在測試過程中，設定主站PLC地址為01，從站PLC地址為02，主站從PLC從站的VB100~VB115存儲區(qū)讀取16 B的通信過程如下：


　返回的有用數(shù)據(jù)為第25~第40字節(jié)的共16 B，第41字節(jié)為第4~第40字節(jié)的數(shù)據(jù)的校驗和，而且第11、12字節(jié)的數(shù)據(jù)必須與主站讀命令的第11、12字節(jié)保持一致。
這樣經(jīng)過兩次收發(fā)數(shù)據(jù)，才能正確完成一次數(shù)據(jù)的讀操作。
1.4 NetW指令分析
　（1）首先主站PLC發(fā)出寫命令，數(shù)據(jù)格式為：68 2F 2F 68 02 01 6C 32 01 00 00 02 02 00 0E 00 14 05 01 12 0A 10 02 00 10 00 01 84 00 03 20 00 04 00 80 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 AA BB CC DD EE FF 30 16。其中，第6、11、12字節(jié)數(shù)據(jù)規(guī)則與NetR命令一致，第51字節(jié)數(shù)據(jù)為校驗和，第35~50字節(jié)的數(shù)據(jù)為真正的要寫入從站的有用數(shù)據(jù)。
?。?）從站PLC正確接收后，則作出響應，返回E5。
?。?）主站接收到此響應后，則發(fā)出確認寫命令10 02 01 5C 5F 16，第3字節(jié)數(shù)據(jù)規(guī)則與NetR命令一致。
　（4） 從站接收到確認寫命令后，返回確認命令 68 12 12 68 01 02 08 32 03 00 00 02 02 00 02 00 01 00 00 05 01 FF 4C 16。第11、12字節(jié)數(shù)據(jù)與主站寫命令應保持一致，這樣收發(fā)兩次數(shù)據(jù)，才能完成一次數(shù)據(jù)的寫操作。
2 單片機串口通信協(xié)議設計
2.1 串口通信方式選擇
　　PPI協(xié)議物理上采用RS485標準，每個字符擴展成11 bit，采用NRZ（不歸零）編碼。首先是1 bit開始位，它總是二進制“0”，接著是8 bit信息位，之后是1 bit奇偶校驗位（PPI協(xié)議規(guī)定為偶檢驗），最后是1 bit停止位，它總是二進制“1”。
　因此，應將單片機串口通信設置為工作方式3：9 bit UART通信模式，8 bit數(shù)據(jù)位與1 bit奇偶檢驗位，奇偶校驗方式使用偶校驗；定時器1用作波特率發(fā)生器，選擇工作方式2，8 bit自動重裝模式，在這里使用9 600 b/s波特率，由式（1）、（2）計算可得，TL1=0xFD。
baudrate=2SMOD×T1溢出率/32（1）
T1溢出率=fosc/（12×（256-TL1））（2）
　串口通信初始化程序：
TMOD|=0x20；    
//定時器1選擇方式2，8 bit自動重裝模式
TH1=0xFD；        
TL1=0xFD；        
PCON &=0x7F；    //SMOD=0，波特率不加倍
SCON=0xD0；    //串口通信選擇方式3，9 bit UART模式，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit校驗位
TR1=1；
2.2 接收信息起始條件和結束條件選擇
　在串口通信過程中，單片機有可能從一個字符的中間開始接收字符，從而導致校驗錯誤和接收信息功能終止，為避免出現(xiàn)此類問題，就需要在接收開始前，對信息的起始和結束條件進行定義。
由于PLC會發(fā)送3種不同類型的數(shù)據(jù)幀，并且單片機需要及時做出正確的響應，因此，單片機在接收到不同的數(shù)據(jù)幀時應作出不同的響應。單片機采用中斷的方式接收數(shù)據(jù)，而由于在PPI協(xié)議中，并沒有固定的起始字符，經(jīng)過分析，采用斷點檢測的方法來作為接收起始條件。斷點是指在小于一個完整字符傳輸時間的一段時間內(nèi)，接收數(shù)據(jù)一直為0，只有在斷點之后接收到的字符才會存入到信息緩沖區(qū)，任何在斷點之前接收到的字符都被忽略。一個完整字符傳輸時間定義為傳輸起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位的時間總和。在本系統(tǒng)中，通信波特率為9 600 b/s，因此傳輸一個完整的字符（11 bit）時間為t=11/9 600，即為1.145 83 ms，為了方便，斷點檢測時間可以設定為2 ms。
　信息結束采用字符間隔定時器的方式來判斷一條信息的結束。字符間隔時間是指從一個字符的結尾（停止位）到下一個字符的結尾（停止位）之間的時間。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果兩個字符之間的時間間隔超過了所設定的時間，則表示這條信息接收完成。由于定時器總是包含接收一個完整字符的時間，因此該時間值應設置為大于在指定波特率下傳輸一個字符的時間（在此為1.145 83 ms），在這里設置為2 ms。單片機在每接收到一個字符后，都要重啟字符間隔定時器，如果超時，則表示信息接收完成。
由于單片機硬件資源有限，只提供2個定時器，定時器1用作波特率發(fā)生器，斷點檢測和字符間隔定時器的時間都為2 ms，因此可以共用定時器0。為了計算方便，定時器0選擇工作方式1（16 bit定時器），初值為TH0=0xFF，TL0=0xFD。
2.3數(shù)據(jù)字符檢驗程序
　接收校驗程序如下：
ACC=SBUF；
if（RB8==P）
{
  rxd_buf[rxd_count]=ACC；      //暫存到接收緩沖區(qū)
      rxd_count++；
    }
    else            //接收校驗錯，則需要重新開始接收
{
  rxd_en=0；                    //停止接收標志
      rxd_count=0；
      return；            
    } 
　發(fā)送校驗程序如下：
ACC=txd_buf[txd_count]；
TB8=P；
SBUF=txd_buf[txd_count]；
　單片機在接收到一條完整的信息后，首先會進行數(shù)據(jù)幀分析，通過比較，判斷主站PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)幀類型，并對判斷正確的請求幀給予正確的響應，返回給PLC正確的數(shù)據(jù)格式。使用Keil開發(fā)工具編寫C51程序代碼，采用結構化程序設計思想，程序流程圖如圖1所示。

3 結果驗證

　最后通過通信測試驗證，PLC主站能夠使用NetR/NetW指令很方便地讀取單片機的數(shù)據(jù)或向單片機寫入給定的數(shù)據(jù)。而且在具有多個PLC從站的PPI網(wǎng)絡中，通過設定不同從站地址，將多個單片機接入到該網(wǎng)絡中，作為主站的PLC也能夠正常地訪問各個從站PLC與單片機從站，它們之間的通信穩(wěn)定可靠，且互不影響，這也為以后在PPI網(wǎng)絡中擴展其他智能設備提供了可行性。
參考文獻
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