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高淑敏，費玉華

1  概述
    在工業控制系統中，PLC作為一種穩定可靠的控制器已經得到了廣泛的應用。但是由于中小型PLC的人機接口功能不很完善，不能提供給用戶一個友好的交互界面，因此妨礙了對現場運行過程的跟蹤與監控。
PLC實際工作中，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，主要用作現場顯示。工作站系統很受用戶歡迎，它功能全面、使用簡單，但由于要配置高級組態軟件，因而價格比較昂貴。個人計算機可配備多種高級語言，提供優良的軟件平臺，開發各種應用系統，特別是動態畫面顯示等，與PLC相結合組成一套PC-PLC監控管理系統，能夠充分發揮它們各自的優點。但是在該系統中，關鍵的問題就是通信，用戶對此須做較多的開發工作。
    本文詳細闡述了PC與PLC互連通信的一般方法，并以西門子公司的S7-200 PLC為對象，以實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言Visual Basic 和Step7，實現PLC與上位計算機實時通信的通信過程。
2  通信方式
    面對眾多生產廠家的各種類型PLC，它們各有優缺點，能夠滿足用戶的各種需求，但在形態、組成、功    能、編程等方面各不相同，沒有一個統一的標準，各廠家制訂的通信協議也千差萬別。目前，人們主要采用以下三種方式實現PLC與PC的互聯通信：
(1)  通過使用PLC開發商提供的系統協議和網絡適配器，來實現PLC與PC機的互聯通信。但是由于其通信協議是不公開的，因此互聯通信必須使用PLC開發商提供的上位機組態軟件，并采用支持相應協議的外設。可以說這種方式是PLC開發商為自己的產品量身定作的，因此難以滿足不同用戶的需求。
(2)  使用目前通用的上位機組態軟件，如組態王、InTouch、WinCC、力控等，來實現PLC與PC機的互連通信。組態軟件以其功能強大、界面友好、開發簡潔等優點目前在PC監控領域已經得到了廣泛的應用，但是一般價格比較昂貴。組態軟件本身并不具備直接訪問PLC寄存器或其它智能儀表的能力,必須借助I/O驅動程序來實現。也就是說，I/O驅動程序是組態軟件與PLC或其它智能儀表等設備交互信息的橋梁，負責從設備采集實時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軟件的性能。但是在大多數情況下，I/O驅動程序是與設備相關的，即針對某種PLC的驅動程序不能驅動其它種類的PLC，因此組態軟件的靈活性也受到了一定的限制。
(3)  利用PLC廠商所提供的標準通信端口和由用戶自定義的自由口通信方式來實現PLC與PC機的互連通信。這種方式由用戶定義通信協議，不需要增加投資，靈活性好，特別適合于小規模的控制系統。
通過上述分析不難得出，掌握如何利用PLC廠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言來實現PC與PLC之間的實時通信是非常必要的。
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，通信協議可完全由梯形圖程序控制，通過它可以實現PLC與任何具有通信能力的設備進行互連，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機定時發出命令，另外一種是PLC始終具有優先權。在本電梯模型監控系統中所有的控制信號均為開關量信號，考慮到上位PC機僅實時顯示電梯的運行狀態，不需向PLC發送控制指令，采用第二種通信方式。利用PLC循環掃描的特點，設備狀態一旦改變，PLC立即檢測到，并將反映系統狀態變化的數據存入指定的數據緩沖區，通過XMT發送指令，將數據通過COM口發至上位機。每個系統的狀態對應于數據緩沖區中的一個指定字節，所存儲數據均為16進制數據，為保證通信過程的可靠性，上位機對所接受到的數據進行首尾字符校驗，如果校驗成功，則說明接收到的首末字節之間的數據是正確的，從而進行處理，否則，放棄這批數據，要求對方重發。
4  應用實例與程序設計
(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，為了實現兩者的通信必須進行協議轉換，西門子公司提供的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，可以方便的實現二者的互聯和協議轉換。
作為控制器的S7-200 PLC利用電梯模型自帶的電源線實現與四層電梯模型的互連，該電梯模型為教學試驗裝置，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，通過設置特殊存儲器SMB30（端口0），來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為無校驗，0為每個字符8位，000為38 400
baud，001為19 200baud；
  01為偶校驗，1為每個字符7位，010為9 600 baud，011為4 800baud；
  10為無校驗，100為2 400baud，101為1 200baud；
  11為奇校驗，110為600baud，111為300baud；
mm為協議選擇：00為PPI協議，01為自由口協議，10為PPI/主站模式，11默認為PPI/從站模式。
②  S7-200PLC實時向上位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關量，基于這一特點，系統狀態的改變即為這些開關量信號狀態的改變，因此可通過跟蹤這些開關量信號的上升沿信號、下降沿信號的到來，做為系統狀態改變的依據。據此在本系統中，通過對同一個開關量信號的上升沿、下降沿分別定義不同的16進制數的方式，來代表信號的產生與結束，當檢測到這些信號產生時，便將這些數據存入指定的數據緩沖區中的字節中，并通過COM口發至上位PC機，同時產生發送完成中斷，PLC延遲等待接收來自上位機的應答信號，通過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境采用VB來實現。VB不僅提供了MSCOMM串行通信控件，而且也為這個控件提供了標準的事件處理函數，并通過設置它的一些屬性對通信接口進行初始化，從而很容易的實現了串行通信的問題。
下面介紹一下有關此控件的屬性：
    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。使用串行端口之前必須先將要使用的串行端口打開。
    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度。
    Rthreshold，設置引發接收事件的字符數。
    InputMode，設置接收數據數據形式。
    OnComm事件，用來處理所有與通信相關的事件。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下，只要事先將程序代碼寫好，一有事件發生，就會直接執行相對應的程序代碼。可見這種事件驅動的方式也為實現實時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現對每個開關量的狀態進行識別，從而控制監控界面的實時顯示。 

圖3  上位機程序流程圖

5  結語
    以上是基于S7-200PLC自由口通信方式實現與上位機PC實時通信的一個簡單應用。經驗證，該方法簡單、實時性好，可靠性高，對于邏輯控制系統，是能夠實現對被控對象實時監控簡單易行的方法。

參考文獻
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[2]  李志宏, 杜鵑, 張平, 等. 基于VB的PLC和上位機通信的實現方法[J]. 基礎自動化, 2002,2.
[3]  SIMATIC S7-200可編程控制器[M]. 系統手冊, 2000,11.
[4]  范逸之, 等. 利用Visual Basic實現串并行通信技術[M]. 清華大學出版社.