PLC与上位PC机的高速通信的设计与实现

0、引言

　　工业控制领域中PLC作为一种高效、灵活、可靠的控制器，有着广泛的应用。以PLC控制器为核心，上位PC机为实时监控体的控制系统已成为工业自动化PLC控制系统的一个发展方向。实现PLC与PC的通信可以实现向上级提供诸如工艺流程图、动态数据画面、报表显示等多种窗口技术，使PLC控制系统具有良好的人机界面，通过上位机对PLC数据的读写监控实现现场数据的采集、传送以及生产过程调度的自动化和信息化，其应用前景十分广阔。常用的各种PLC网络有差异，但表现在 PLC 通信程序、系统联结和系统配置等方面，通信机理有统一性。目前市场上通信组态系统结构复杂，价格昂贵，应用繁琐，不适应用户使用。针对上述问题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

　　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，但是在网络中最多只能有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的最大通信能力为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

　　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，要求用最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最远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：第一部分，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协议支持的最高通信速率为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，其写操作时间最短的是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。