摘 要：本文先介紹了S7-200系列PLC的三種通信方式，及其在網(wǎng)絡(luò)中通信的RS-232和RS-485標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)例中，采用西門子公司的S7-200系列PLC為下位機(jī)，按照RS-485標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)通信;通信協(xié)議為以自由口模式創(chuàng)建用戶自定義的協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸格式為16進(jìn)制ASCII編碼，求和校驗(yàn);上位機(jī)采用VC編程的可視化界面，在編程過程中采用不可中斷方式和多緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可靠且高速的通信方式。
關(guān)鍵詞：PLC;串行通信;高速通信;VC;自由口模式
0、引言
　　工業(yè)控制領(lǐng)域中PLC作為一種高效、靈活、可靠的控制器，有著廣泛的應(yīng)用。以PLC控制器為核心，上位PC機(jī)為實(shí)時(shí)監(jiān)控體的控制系統(tǒng)已成為工業(yè)自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)PLC與PC的通信可以實(shí)現(xiàn)向上級(jí)提供諸如工藝流程圖、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)畫面、報(bào)表顯示等多種窗口技術(shù)，使PLC控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，通過上位機(jī)對(duì)PLC數(shù)據(jù)的讀寫監(jiān)控實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳送以及生產(chǎn)過程調(diào)度的自動(dòng)化和信息化，其應(yīng)用前景十分廣闊。常用的各種PLC網(wǎng)絡(luò)有差異，但表現(xiàn)在 PLC 通信程序、系統(tǒng)聯(lián)結(jié)和系統(tǒng)配置等方面，通信機(jī)理有統(tǒng)一性。目前市場(chǎng)上通信組態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，應(yīng)用繁瑣，不適應(yīng)用戶使用。針對(duì)上述問題筆者以西門子公司的S7-200系列的PLC為研究對(duì)象，提出了一種用VC實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的高速可靠的通信方法。
1、S7-200系列PLC通信方式
　　西門子S7-200系列性能優(yōu)良，性價(jià)比較高，適用范圍很廣，因此本文主要討論西門子7-200系列與計(jì)算機(jī)之間的通信。S7-200系列通信方式有三種：
　?。?） 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)PPI方式與上位機(jī)通信：用于與西門子公司的PLC編程器或其他該公司人機(jī)接口產(chǎn)品的通信。該種通信方式采用的是MSComm ActivcX控件。PPI是主/從協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)上的S7-200均為從站，其他CPU、SIMATIC編程器或TD200為主站。如果在用戶程序中允許PPI主站模式，一些S7-200CPU在RUN模式下可以作主站，它們可以用網(wǎng)絡(luò)讀和網(wǎng)絡(luò)寫指令讀寫其他CPU中的數(shù)據(jù)。PPI沒有限制可以有多少個(gè)主站與一個(gè)從站通信，但是在網(wǎng)絡(luò)中最多只能有32個(gè)從站。PPI通信協(xié)議是不公開的;
　　（2） Freeport方式與上位機(jī)通信：Freeport方式具有與外圍設(shè)備通信方便、自由，易于微機(jī)開發(fā)等特點(diǎn)，因此使用自由口方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的控制方案較多。但在該通信方式下，上位機(jī)與PLC的最大通信能力為128bit/s，這無法滿足高速通信的需要;
　?。?） Profibus-DP方式與上位機(jī)通信：Profibus協(xié)議用于幾分布式I/O設(shè)備的高速通信。S7-200CPU需通過EM277。Profibus-DP模塊接入Profibus網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通常有一個(gè)主站和幾個(gè)I/O從站。這種方式使得PLC可以通過Profibus的DP通信接口接入Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，從而擴(kuò)大PLC的使用范圍。PPI協(xié)議和Profibus協(xié)議的結(jié)構(gòu)模型都是基于開放系統(tǒng)互連參考模型的7層通信結(jié)構(gòu)。
2、PLC網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介
　　（1） RS-232C標(biāo)準(zhǔn)
　　通信的連接接口與連接電纜的相互兼容是通信得以保證的前提。它的實(shí)現(xiàn)方法發(fā)展迅速，型式較多。其中RS-232C就是實(shí)際應(yīng)用較多的標(biāo)準(zhǔn)之一，它是計(jì)算機(jī)或終端與調(diào)制解調(diào)器之間的標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-232C功能規(guī)范定義了電路之間的連接，以及它的含義。RS-232C的規(guī)程規(guī)范定義的是協(xié)議，即事件出現(xiàn)的正確順序。RS-232C的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸率低傳輸距離短。
　?。?） RS-485標(biāo)準(zhǔn)
　　在許多工業(yè)環(huán)境中，要求用最少的信號(hào)連線來完成通信任務(wù)。日前廣泛應(yīng)用的是RS-485串行接口總線，RS-485支持半雙工通信，分時(shí)使用一對(duì)雙絞信號(hào)線進(jìn)行發(fā)送或接收。RS-485用于多站互聯(lián)時(shí)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，節(jié)省材料，可以滿足高速遠(yuǎn)距離傳送，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)十分方便。
3、通信網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)
　　在本工程中，我們采用的PLC為CPU224型，該可編程控制器的通信端口為RS-485接口，由于PC機(jī)的串行端口為RS-232接口，且遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場(chǎng)（PLC位置），因此PC機(jī)的RS-232接口必須通過RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后才能與PLC通信端口連接，這種通信方式可以實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)1.2Krn的遠(yuǎn)程通信。
　　PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串口為RS232。S7-200系列CPU226提供2個(gè)串口，其中一個(gè)端口Portl作為DP口，另一個(gè)端口Port0為自由口，自由口為標(biāo)準(zhǔn)RS485串口。西門子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換器，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將PLC和PC機(jī)互聯(lián)。
4、通信程序設(shè)計(jì)
　　（1） 上位機(jī)部分程序
　　單命令把MSComm控件加入到工程中。MSComm控件通信功能的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是調(diào)用了API函數(shù)。而API函數(shù)是由Comm.drv解釋并傳遞給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行的。即MSComm控件的屬性提供了通信接口的參數(shù)設(shè)置，能實(shí)現(xiàn)串行通信。MSComm控件有關(guān)屬性如下：
　　CommPort：設(shè)置并返回通信端口號(hào)。Window系統(tǒng)將會(huì)利用該端口與外界通信;
　　Setings：設(shè)置并返回初始化參數(shù)。其組成格式為“BBBB。P。D。S”。BBBB為數(shù)據(jù)速率。P為奇偶校驗(yàn)。D為數(shù)據(jù)比特。S為停止位;
　　PortOpen：設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)。也可以打開和關(guān)閉端口;
　　Ouptut：向傳輸緩沖區(qū)寫1B的數(shù)據(jù);
　　Input：將傳送到輸入緩沖區(qū)的字符讀到程序里;
　　RThreshold：設(shè)置在產(chǎn)生OnComm之前要接受的字符數(shù);
　　InputLen：設(shè)置并返回Input屬性從接收緩沖區(qū)讀取的字符數(shù);
　　InBbuffersize：設(shè)置或返回輸入緩沖區(qū)的大小;
　　InBufferCount：返回輸入緩沖區(qū)內(nèi)等待讀區(qū)的字節(jié)個(gè)數(shù)?？赏ㄟ^設(shè)置該屬性值為0來清除接收緩沖區(qū);
　　InputMode：設(shè)置或返回傳輸數(shù)據(jù)的類型;
　　CommEvent：傳回OnComm事件發(fā)生時(shí)的數(shù)值碼;
　　軟件通信流程圖如圖1 。

圖1 ：通信流程圖
　　在實(shí)際應(yīng)用中，從站被動(dòng)的接收上位機(jī)發(fā)出的指令后做出響應(yīng)，然后將信息傳回上位機(jī)，由于上位機(jī)在整個(gè)通信的過程中不能被中斷，因此上位機(jī)在接收與發(fā)送數(shù)據(jù)過程中采用了不可中斷的方法。
　?。?） 從站PLC程序
　　S72200系列PLC選擇了自由口通信方式后，在程序中就可以使用接收中斷、發(fā)送中斷、接收指令（RCV）、發(fā)送指令（XMT）來控制通信操作，當(dāng)處于自由口模式時(shí)通信協(xié)議完全由用戶程序指令控制。SMB30被用于選擇比特率和校驗(yàn)類型，各個(gè)位的配置為：

圖2：SMB30的位配置
　　pp，校驗(yàn)選擇：00為不校驗(yàn)，01為偶校驗(yàn)，10為不校驗(yàn)，11為奇校驗(yàn);
　　d，每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位數(shù)：0，每個(gè)數(shù)字符8位;1，每個(gè)數(shù)字符7位。
　　bbb，自由口比特率，kbit/s：000為3814，001為1912，010為916，011為418，100為214，101為112，110為11512，111為5716。
　　mm，協(xié)議選擇：00，PPI/從站模式;01，自由口模式;10，PPI/從站模式;11，保留。
　　接收指令（RCV）啟動(dòng)或終止接收信息功能，必須為接收操作指定開始和結(jié)束條件。發(fā)送指令（XMT）在自由口模式下依靠通訊口發(fā)送數(shù)據(jù)。
　　PLC程序分為主程序和中斷程序。主程序完成初始化通信口、開中斷、判斷、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，中斷程序完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。
5、高速通信設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)
　?。?） 高速接口設(shè)計(jì)
　　PC機(jī)采用400MHz的CPU以及256M的RAM，應(yīng)用VC++6.0開發(fā)軟件和Sicmcns SIMATIC Microcomputing軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。使用PC/PPI電纜可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的RS232接口與PLC通信。但該方式下只能使用PPI協(xié)議或自山通信。要使用PROFIBUS協(xié)議通信。上位機(jī)應(yīng)有PROFIBUS DP模塊。同時(shí)S7- 200 PLC應(yīng)連接通信模塊。這里上位機(jī)使用的是CP5611 PROFIBUS DP模塊。安裝的是SicmcnsSIMATIC Micro computing軟件;下位機(jī)使用的是EM277 PROFIBUS DP模塊和S7-200 224PLC組建的通信網(wǎng)絡(luò)。
　?。?） 速度仿真與檢測(cè)
　　Siemens SIMATIC Microcomputing軟件使用ActiveX技術(shù)提供對(duì)數(shù)據(jù)的訪問控制。 Microcomputing軟件由2部分組成：第一部分，一系列的SIMATIC ActiveX控件，用于對(duì)PLC的數(shù)據(jù)操作，主要包括數(shù)據(jù)控件!按鈕控件!編輯控件!標(biāo)簽控件和滑塊控件;另一部分，一個(gè)容器，用于創(chuàng)建使用ActiveX控件的處理界面[7-8]。
　　上位機(jī)用Micro computing configuration設(shè)定通信協(xié)議和波特率。 Siemens Micro computing提供PPI， MPI， PROFIBUS-I辦議支持Data Control與PLC通信。PPI協(xié)議支持的最高通信速率為187.5KbpsMPI和PROFIBUS都支持9.6kbps-12Mbps的速率通信。PROFIBUS包含PROFIBUS-DP協(xié)議、PROFIBUS-Standard協(xié)議、PROFIBUS-User-defined協(xié)議和PROFIBUS-Universal協(xié)議（該協(xié)議只支持9.6kbps-1.5Mbps的通信）。用Micro computing configuration設(shè)定相應(yīng)的應(yīng)用程序接口點(diǎn)和協(xié)議。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中表示應(yīng)用程序接口點(diǎn)為CP5611協(xié)議為PROFIBUS基木實(shí)現(xiàn)流程圖如4所示。

圖3：檢測(cè)實(shí)驗(yàn)流程圖
　　對(duì)PLC數(shù)據(jù)的讀寫。Data Control提供了4個(gè)函數(shù)：Write Variable（對(duì)單存儲(chǔ)單元寫），Write Multi Variable（對(duì)多存儲(chǔ)單元寫），Read Variable（對(duì)單存儲(chǔ)單元讀），Read Multi Variable（對(duì)多存儲(chǔ)單元讀）。
　　表1是在WIN2000系統(tǒng)下，針對(duì)PROFIBUS的不同協(xié)議，Data Control使用自動(dòng)連接，自動(dòng)超時(shí)設(shè)為100ms，用Write Multi Variable函數(shù)對(duì)一個(gè)S7- 200PLC的V存儲(chǔ)區(qū)10個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行20個(gè)字節(jié)寫1000次的測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。從表1數(shù)據(jù)可知，PROFIBUS-DP協(xié)議，PROFI-BUS-Standard協(xié)議、PROFIBUS-User-defined協(xié)議和PROFIBUS-Universal協(xié)議在1.5 M的波特率下，其寫操作時(shí)間最短的是PROFIBUS-Universal協(xié)議，時(shí)間為31.61ms。
　　表1：不同協(xié)議下對(duì)PLC寫數(shù)據(jù)時(shí)間


6、結(jié)束語
　　本系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率為916kbit/s時(shí)誤碼率< ，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)控、調(diào)試及數(shù)據(jù)修改。由于程序中采用了以16進(jìn)制ASCII碼描述數(shù)據(jù)傳輸格式，因此一條指令中的數(shù)據(jù)字節(jié)和控制字節(jié)不可能發(fā)生混淆，通信更加可靠。同時(shí)采用了PROFIBUS-Universal協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和PLC之間的高速通信，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該協(xié)議的優(yōu)越性。對(duì)于其它品牌的PLC，盡管通信規(guī)范及初始化有所不同，可以參照本系統(tǒng)方法進(jìn)行編程，稍做修改即可應(yīng)用。本系統(tǒng)的成功研制將對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展提供有益的借鑒。
參考文獻(xiàn)
　　[1] 蔚俊蘭，丁振榮.組態(tài)王6.5與單片機(jī)的通信方法[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17（10），58-59.
　　[2] 張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機(jī)使用C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京，人民郵電出版社，2005.
　　[3] ADAM-5000 Series RS-485 Based Data Acquisition and Control System User’s Manual.
　　[4] 呂鵬剛，何承波，劉開培等.基于亞當(dāng)模塊的火電廠自動(dòng)加藥系統(tǒng)[J] ，微計(jì)算機(jī)信息2001，17（11）:19-20.
　　[5] 鄭晟，建平，張學(xué);現(xiàn)代可編程序控制其原理與應(yīng)用[M]，北京;科學(xué)出版社，2003
　　[6] 廖常初;PLC編程及應(yīng)用[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002
　　[7] SIEMENS Company. SIMATIC Micro computing User Manual. [S.1]:SIEMENS Company, 2000 62-88.
　　[8] SIEMENS Company. SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual[M].[S.1]: SIEMENS Company, 2000 568-600.