高淑敏，費玉華

1  概述
    在工業(yè)控制系統中，PLC作為一種穩定可靠的控制器已經(jīng)得到了廣泛的應用。但是由于中小型PLC的人機接口功能不很完善，不能提供給用戶(hù)一個(gè)友好的交互界面，因此妨礙了對現場(chǎng)運行過(guò)程的跟蹤與監控。
PLC實(shí)際工作中，通常人們采用4種裝置為PLC配置人機界面：編程終端、顯示終端、工作站及個(gè)人計算機。編程終端主要用于編程與調試，其監控功能相對較弱。顯示終端的功能比較單一，主要用作現場(chǎng)顯示。工作站系統很受用戶(hù)歡迎，它功能全面、使用簡(jiǎn)單，但由于要配置高級組態(tài)軟件，因而價(jià)格比較昂貴。個(gè)人計算機可配備多種高級語(yǔ)言，提供優(yōu)良的軟件平臺，開(kāi)發(fā)各種應用系統，特別是動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示等，與PLC相結合組成一套PC-PLC監控管理系統，能夠充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)點(diǎn)。但是在該系統中，關(guān)鍵的問(wèn)題就是通信，用戶(hù)對此須做較多的開(kāi)發(fā)工作。
    本文詳細闡述了PC與PLC互連通信的一般方法，并以西門(mén)子公司的S7-200 PLC為對象，以實(shí)際四層電梯模型監控系統為例，介紹了利用大家都熟悉的編程語(yǔ)言Visual Basic 和Step7，實(shí)現PLC與上位計算機實(shí)時(shí)通信的通信過(guò)程。
2  通信方式
    面對眾多生產(chǎn)廠(chǎng)家的各種類(lèi)型PLC，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需求，但在形態(tài)、組成、功    能、編程等方面各不相同，沒(méi)有一個(gè)統一的標準，各廠(chǎng)家制訂的通信協(xié)議也千差萬(wàn)別。目前，人們主要采用以下三種方式實(shí)現PLC與PC的互聯(lián)通信：
(1)  通過(guò)使用PLC開(kāi)發(fā)商提供的系統協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )適配器，來(lái)實(shí)現PLC與PC機的互聯(lián)通信。但是由于其通信協(xié)議是不公開(kāi)的，因此互聯(lián)通信必須使用PLC開(kāi)發(fā)商提供的上位機組態(tài)軟件，并采用支持相應協(xié)議的外設?？梢哉f(shuō)這種方式是PLC開(kāi)發(fā)商為自己的產(chǎn)品量身定作的，因此難以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。
(2)  使用目前通用的上位機組態(tài)軟件，如組態(tài)王、InTouch、WinCC、力控等，來(lái)實(shí)現PLC與PC機的互連通信。組態(tài)軟件以其功能強大、界面友好、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)目前在PC監控領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用，但是一般價(jià)格比較昂貴。組態(tài)軟件本身并不具備直接訪(fǎng)問(wèn)PLC寄存器或其它智能儀表的能力,必須借助I/O驅動(dòng)程序來(lái)實(shí)現。也就是說(shuō)，I/O驅動(dòng)程序是組態(tài)軟件與PLC或其它智能儀表等設備交互信息的橋梁，負責從設備采集實(shí)時(shí)數據并將操作命令下達給設備，它的可靠性將直接影響組態(tài)軟件的性能。但是在大多數情況下，I/O驅動(dòng)程序是與設備相關(guān)的，即針對某種PLC的驅動(dòng)程序不能驅動(dòng)其它種類(lèi)的PLC，因此組態(tài)軟件的靈活性也受到了一定的限制。
(3)  利用PLC廠(chǎng)商所提供的標準通信端口和由用戶(hù)自定義的自由口通信方式來(lái)實(shí)現PLC與PC機的互連通信。這種方式由用戶(hù)定義通信協(xié)議，不需要增加投資，靈活性好，特別適合于小規模的控制系統。
通過(guò)上述分析不難得出，掌握如何利用PLC廠(chǎng)商提供的標準通信端口和自由口通信方式以及大家所熟悉的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現PC與PLC之間的實(shí)時(shí)通信是非常必要的。
3  S7-200 PLC通信方式及原理
    S7-200 PLC內部集成的PPI接口為用戶(hù)提供了強大的通信功能，可在多種模式下工作：PPI、Profibus-DP、自由口方式等。其中自由口通信方式最具有特色，通信協(xié)議可完全由梯形圖程序控制，通過(guò)它可以實(shí)現PLC與任何具有通信能力的設備進(jìn)行互連，因而在本系統中選用自由口通信方式。
    目前PLC與PC機的鏈接通信有兩種方式，一種是PC機始終處于主導地位，數據的傳送都由PC機定時(shí)發(fā)出命令，另外一種是PLC始終具有優(yōu)先權。在本電梯模型監控系統中所有的控制信號均為開(kāi)關(guān)量信號，考慮到上位PC機僅實(shí)時(shí)顯示電梯的運行狀態(tài)，不需向PLC發(fā)送控制指令，采用第二種通信方式。利用PLC循環(huán)掃描的特點(diǎn)，設備狀態(tài)一旦改變，PLC立即檢測到，并將反映系統狀態(tài)變化的數據存入指定的數據緩沖區，通過(guò)XMT發(fā)送指令，將數據通過(guò)COM口發(fā)至上位機。每個(gè)系統的狀態(tài)對應于數據緩沖區中的一個(gè)指定字節，所存儲數據均為16進(jìn)制數據，為保證通信過(guò)程的可靠性，上位機對所接受到的數據進(jìn)行首尾字符校驗，如果校驗成功，則說(shuō)明接收到的首末字節之間的數據是正確的，從而進(jìn)行處理，否則，放棄這批數據，要求對方重發(fā)。
4  應用實(shí)例與程序設計
(1)  系統構成
    S7-200 PLC內部集成的PPI接口物理特性為RS485，而上位機的標準串口為RS232，為了實(shí)現兩者的通信必須進(jìn)行協(xié)議轉換，西門(mén)子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉換器，因此再不增加任何硬件的情況下，可以方便的實(shí)現二者的互聯(lián)和協(xié)議轉換。
作為控制器的S7-200 PLC利用電梯模型自帶的電源線(xiàn)實(shí)現與四層電梯模型的互連，該電梯模型為教學(xué)試驗裝置，具備一般電梯的基本功能。硬件連接如圖1所示。 

圖1  硬件連接示意圖

(2)  PLC部分編程
①  自由端口的初始化
    在自由口通信模式下，通過(guò)設置特殊存儲器SMB30（端口0），來(lái)為自由端口通信選擇波特率、奇偶校驗和數據位。這些設定必須與PC機設定值相一致。其格式如下：
SMB30  
pp為奇偶校驗選擇，d為數據位選擇，bbb為波特率選擇。
  00為無(wú)校驗，0為每個(gè)字符8位，000為38 400
baud，001為19 200baud；
  01為偶校驗，1為每個(gè)字符7位，010為9 600 baud，011為4 800baud；
  10為無(wú)校驗，100為2 400baud，101為1 200baud；
  11為奇校驗，110為600baud，111為300baud；
mm為協(xié)議選擇：00為PPI協(xié)議，01為自由口協(xié)議，10為PPI/主站模式，11默認為PPI/從站模式。
②  S7-200PLC實(shí)時(shí)向上位PC機傳送數據 

圖2  下位機程序流程圖

    在對電梯模型控制中，所有的控制信號均為開(kāi)關(guān)量，基于這一特點(diǎn)，系統狀態(tài)的改變即為這些開(kāi)關(guān)量信號狀態(tài)的改變，因此可通過(guò)跟蹤這些開(kāi)關(guān)量信號的上升沿信號、下降沿信號的到來(lái)，做為系統狀態(tài)改變的依據。據此在本系統中，通過(guò)對同一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號的上升沿、下降沿分別定義不同的16進(jìn)制數的方式，來(lái)代表信號的產(chǎn)生與結束，當檢測到這些信號產(chǎn)生時(shí)，便將這些數據存入指定的數據緩沖區中的字節中，并通過(guò)COM口發(fā)至上位PC機，同時(shí)產(chǎn)生發(fā)送完成中斷，PLC延遲等待接收來(lái)自上位機的應答信號，通過(guò)分析存儲在接收字符緩沖器SMB2中的數據，判斷是否需要重新發(fā)送。下位機程序如圖2所示。
(3)  上位機部分編程
    基于VB處理監控界面圖形、數據報表及通信的方便快捷，本課題上位機的編程環(huán)境采用VB來(lái)實(shí)現。VB不僅提供了MSCOMM串行通信控件，而且也為這個(gè)控件提供了標準的事件處理函數，并通過(guò)設置它的一些屬性對通信接口進(jìn)行初始化，從而很容易的實(shí)現了串行通信的問(wèn)題。
下面介紹一下有關(guān)此控件的屬性：
    Commport，設置通信連接端口。程序必須指定要使用的串行端口的號碼，Windows使用所設置的通信端口與外界進(jìn)行通信。
    Settings，設置初始化參數。其格式為“BBBB，P，D，S”，其中BBBB為連接速度，P為奇偶校驗方式，D為數據位數，S為停止位數。默認值是“9 600，n，8，1”。
    PortOpen，設置通信連接端口的狀態(tài)。使用串行端口之前必須先將要使用的串行端口打開(kāi)。
    Input，返回并刪除接收緩沖區中的數據流。
    InputLen，設置從串行端口讀入的字符串長(cháng)度。
    Rthreshold，設置引發(fā)接收事件的字符數。
    InputMode，設置接收數據數據形式。
    OnComm事件，用來(lái)處理所有與通信相關(guān)的事件。使用事件程序的好處是不需要一直讓程序處于檢測的狀態(tài)下，只要事先將程序代碼寫(xiě)好，一有事件發(fā)生，就會(huì )直接執行相對應的程序代碼?？梢?jiàn)這種事件驅動(dòng)的方式也為實(shí)現實(shí)時(shí)通信提供了必要的條件。上位機程序如圖3所示。
PC機根據接收到的信息很容易的實(shí)現對每個(gè)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)進(jìn)行識別，從而控制監控界面的實(shí)時(shí)顯示。 

圖3  上位機程序流程圖

5  結語(yǔ)
    以上是基于S7-200PLC自由口通信方式實(shí)現與上位機PC實(shí)時(shí)通信的一個(gè)簡(jiǎn)單應用。經(jīng)驗證，該方法簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好，可靠性高，對于邏輯控制系統，是能夠實(shí)現對被控對象實(shí)時(shí)監控簡(jiǎn)單易行的方法。

參考文獻
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