PLC与上位机的高速通信研究

 

　　PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现控制。它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。笔者以西门子公司的S7-200系列的PLC为研究对象，提出了一种用VC实现上位机与PLC的高速可靠的通信方法。

　　1、S7-200系列PLC通信方式

　　S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

　　西门子S7-200系列性能优良，性价比较高，适用范围很广，因此本文主要讨论西门子7-200系列与计算机之间的通信。S7-200系列通信方式有三种：

　　（1） 点对点PPI方式与上位机通信：用于与西门子公司的PLC编程器或其他该公司人机接口产品的通信。该种通信方式采用的是MSComm ActivcX控件。PPI是主/从协议，网络上的S7-200均为从站，其他CPU、SIMATIC编程器或TD200为主站。如果在用户程序中允许PPI主站模式，一些S7-200CPU在RUN模式下可以作主站，它们可以用网络读和网络写指令读写其他CPU中的数据。PPI没有限制可以有多少个主站与一个从站通信，但是在网络中多只能有32个从站。PPI通信协议是不公开的；

　　（2） Freeport方式与上位机通信：Freeport方式具有与外围设备通信方便、自由，易于微机开发等特点，因此使用自由口方式实现与上位机通信的控制方案较多。但在该通信方式下，上位机与PLC的通信能力为128bit/s,这无法满足高速通信的需要；

　　（3） Profibus-DP方式与上位机通信：Profibus协议用于几分布式I/O设备的高速通信。S7-200CPU需通过EM277.Profibus-DP模块接入Profibus网络，网络通常有一个主站和几个I/O从站。这种方式使得PLC可以通过Profibus的DP通信接口接入Profibus现场总线网络，从而扩大PLC的使用范围。PPI协议和Profibus协议的结构模型都是基于开放系统互连参考模型的7层通信结构。

　　2、PLC网络通信标准简介

　　（1） RS-232C标准

　　RS-232C是一个已制定很久的标准（RS表示推荐标准；232表示标识符；C表示修改次数），它描述了计算机及相关设备间较低速率的串行数据通信的物理接口及协议。它是由一个工业贸易组电子工业联合会（EIA）定义的，初是为电传打印机设备而制定。RS-232C是你的计算机用来与你的modem及其它串行设备交谈或交换数据的接口。在你PC的某处，一般是主板上的通用异步收发器（UART）芯片，你计算机上的数据正从它的数据终端设备（DTE）接口传送到一个内置或外置的modem上（或其他的串行设备）。

　　通信的连接接口与连接电缆的相互兼容是通信得以保证的前提。它的实现方法发展迅速，型式较多。其中RS-232C就是实际应用较多的标准之一，它是计算机或终端与调制解调器之间的标准接口。RS-232C功能规范定义了电路之间的连接，以及它的含义。RS-232C的规程规范定义的是协议，即事件出现的正确顺序。RS-232C的缺点是数据传输率低传输距离短。

　　（2） RS-485标准

　　在许多工业环境中，要求用少的信号连线来完成通信任务。日前广泛应用的是RS-485串行接口总线，RS-485支持半双工通信，分时使用一对双绞信号线进行发送或接收。RS-485用于多站互联时实现简单，节省材料，可以满足高速远距离传送，构成分布式网络控制系统十分方便。

　　3、通信网络接口的设计

　　在本工程中，我们采用的PLC为CPU224型，该可编程控制器的通信端口为RS-485接口，由于PC机的串行端口为RS-232接口，且远离控制现场（PLC位置），因此PC机的RS-232接口必须通过RS-232/RS-485转换器转换后才能与PLC通信端口连接，这种通信方式可以实现远1.2Krn的远程通信。

　　PC机的标准串口为RS232.S7-200系列CPU226提供2个串口，其中一个端口Portl作为DP口，另一个端口Port0为自由口，自由口为标准RS485串口。西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC机互联。

　　4、通信程序设计

　　（1） 上位机部分程序

　　单命令把MSComm控件加入到工程中。MSComm控件通信功能的实现实际上是调用了API函数。而API函数是由Comm.drv解释并传递给设备驱动程序进行的。即MSComm控件的属性提供了通信接口的参数设置，能实现串行通信。MSComm控件有关属性如下：

　　CommPort:设置并返回通信端口号。Window系统将会利用该端口与外界通信；

　　Setings:设置并返回初始化参数。其组成格式为"BBBB.P.D.S".BBBB为数据速率。P为奇偶校验。D为数据比特。S为停止位；

　　PortOpen:设置并返回通信端口的状态。也可以打开和关闭端口；

　　Ouptut:向传输缓冲区写1B的数据；

　　Input:将传送到输入缓冲区的字符读到程序里；

　　RThreshold:设置在产生OnComm之前要接受的字符数；

　　InputLen:设置并返回Input属性从接收缓冲区读取的字符数；

　　InBbuffersize:设置或返回输入缓冲区的大小；

　　InBufferCount:返回输入缓冲区内等待读区的字节个数。可通过设置该属性值为0来清除接收缓冲区；

　　InputMode:设置或返回传输数据的类型；

　　CommEvent:传回OnComm事件发生时的数值码；

　　软件通信流程图如图1 .

图1 ：通信流程图

　　在实际应用中，从站被动的接收上位机发出的指令后做出响应，然后将信息传回上位机，由于上位机在整个通信的过程中不能被中断，因此上位机在接收与发送数据过程中采用了不可中断的方法。

　　（2） 从站PLC程序

　　S72200系列PLC选择了自由口通信方式后，在程序中就可以使用接收中断、发送中断、接收指令（RCV）、发送指令（XMT）来控制通信操作，当处于自由口模式时通信协议完全由用户程序指令控制。SMB30被用于选择比特率和校验类型，各个位的配置为：

图2：SMB30的位配置

　　pp,校验选择：00为不校验，01为偶校验，10为不校验，11为奇校验；

　　d,每个字符的数据位数：0,每个数字符8位；1,每个数字符7位。

　　bbb,自由口比特率，kbit/s:000为3814,001为1912,010为916,011为418,100为214,101为112,110为11512,111为5716.

　　mm,协议选择：00,PPI/从站模式；01,自由口模式；10,PPI/从站模式；11,保留。

　　接收指令（RCV）启动或终止接收信息功能，必须为接收操作指定开始和结束条件。发送指令（XMT）在自由口模式下依靠通讯口发送数据。

　　PLC程序分为主程序和中断程序。主程序完成初始化通信口、开中断、判断、发送数据等功能，中断程序完成接收和发送数据的功能。

　　5、高速通信设计及检验

　　（1） 高速接口设计

　　PC机采用400MHz的CPU以及256M的RAM,应用VC++6.0开发软件和Sicmcns SIMATIC Microcomputing软件进行开发设计。使用PC/PPI电缆可实现计算机的RS232接口与PLC通信。但该方式下只能使用PPI协议或自山通信。要使用PROFIBUS协议通信。上位机应有PROFIBUS DP模块。同时S7- 200 PLC应连接通信模块。这里上位机使用的是CP5611 PROFIBUS DP模块。安装的是SicmcnsSIMATIC Micro computing软件；下位机使用的是EM277 PROFIBUS DP模块和S7-200 224PLC组建的通信网络。

　　（2） 速度仿真与检测

　　Siemens SIMATIC Microcomputing软件使用ActiveX技术提供对数据的访问控制。 Microcomputing软件由2部分组成：部分，一系列的SIMATIC ActiveX控件，用于对PLC的数据操作，主要包括数据控件！按钮控件！编辑控件！标签控件和滑块控件；另一部分，一个容器，用于创建使用ActiveX控件的处理界面[7-8].

　　上位机用Micro computing configuration设定通信协议和波特率。 Siemens Micro computing提供PPI, MPI, PROFIBUS-I办议支持Data Control与PLC通信。PPI协议支持的通信速率为187.5KbpsMPI和PROFIBUS都支持9.6kbps-12Mbps的速率通信。PROFIBUS包含PROFIBUS-DP协议、PROFIBUS-Standard协议、PROFIBUS-User-defined协议和PROFIBUS-Universal协议（该协议只支持9.6kbps-1.5Mbps的通信）。用Micro computing configuration设定相应的应用程序接口点和协议。检测实验中表示应用程序接口点为CP5611协议为PROFIBUS基木实现流程图如4所示。

图3：检测实验流程图

　　对PLC数据的读写。Data Control提供了4个函数：Write Variable（对单存储单元写），Write Multi Variable（对多存储单元写），Read Variable（对单存储单元读），Read Multi Variable（对多存储单元读）。

　　表1是在WIN2000系统下，针对PROFIBUS的不同协议，Data Control使用自动连接，自动超时设为100ms,用Write Multi Variable函数对一个S7- 200PLC的V存储区10个存储单元进行20个字节写1000次的测试数据见表1.从表1数据可知，PROFIBUS-DP协议，PROFI-BUS-Standard协议、PROFIBUS-User-defined协议和PROFIBUS-Universal协议在1.5 M的波特率下，其写操作时间短的是PROFIBUS-Universal协议，时间为31.61ms.

　　表1:不同协议下对PLC写数据时间

　　6、结束语

　　本系统通过现场调试实验，功能达到设计要求。试验结果表明，当数据传输速率为916kbit/s时误码率< ,能够实现现场网络的在线监控、调试及数据修改。由于程序中采用了以16进制ASCII码描述数据传输格式，因此一条指令中的数据字节和控制字节不可能发生混淆，通信更加可靠。同时采用了PROFIBUS-Universal协议，实现了上位机和PLC之间的高速通信，并用实验证实了该协议的优越性。对于其它品牌的PLC,尽管通信规范及初始化有所不同，可以参照本系统方法进行编程，稍做修改即可应用。本系统的成功研制将对工业控制系统的自动化、智能化、网络化的发展提供有益的借鉴。