PLC串行通信在測控裝置中的實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了HG-2003型溫升測控置的測控對象和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。詳細(xì)討論了裝置中所采用的西門子公司的S7-200型PLC和PC機(jī)之間串行通信程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，即S7-200梯形圖通信程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中的細(xì)節(jié)和難點(diǎn)。簡要介紹了上位PC機(jī)通信程序的設(shè)計(jì)。該通信功能的實(shí)現(xiàn)確保了該裝置結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、便于二次開發(fā)。 關(guān)鍵詞：RS-232串行通信 可編程控制器 自由端口模式 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) PC/PPI電纜 HG-2003型溫升測控裝置是筆者與我國北京某科學(xué)研究聯(lián)聯(lián)合開發(fā)的一套專門用于高壓晶閘管閥溫升檢測試驗(yàn)的測控裝置。考慮到PLC及其網(wǎng)絡(luò)已被公認(rèn)為現(xiàn)代測控裝置開發(fā)的幾大支柱之一，而且從近幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字來看，PLC產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)的產(chǎn)量、銷量高居各測控器件榜首，因此筆者決定本測控系統(tǒng)的核心器件采用可編程控制器（PLC），其基本功能可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。PLC的三大亮點(diǎn)是：（1）集電控、電傳、電儀三電于一體；（2）網(wǎng)絡(luò)的性能價(jià)格比高；（3）可靠性高。這些亮點(diǎn)就使得整個(gè)測控設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能的二次開發(fā)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。本文主要討論設(shè)備中所采用的西門子公司的S7-200型PLC和PC機(jī)之間的串行通信問題。 1 溫升測控系統(tǒng)整體介紹 1．1 HG-2003測控裝置的測控對象及結(jié)構(gòu) 先來介紹一下該溫升試驗(yàn)測控裝置的基本工作流程。10kV電源進(jìn)線經(jīng)過進(jìn)線框中的高壓斷路器CB和高壓隔離開關(guān)柜中的隔離開關(guān)G（用于在設(shè)備檢修或維護(hù)時(shí)形成一個(gè)明顯的斷點(diǎn)）后，加在10kV轉(zhuǎn)換變壓器T1上。該變壓器將三相電轉(zhuǎn)化為單相電。這主要是由于做實(shí)驗(yàn)時(shí)負(fù)載電流很大，如果使用三相電源，容易造成負(fù)荷電流的不平衡從而造成試驗(yàn)故障。在轉(zhuǎn)換變壓器的輸出端（二次側(cè)）連接單相溫升試驗(yàn)變壓器T2。該溫升變壓器的一次側(cè)應(yīng)加裝用于無功功率補(bǔ)償?shù)碾娙莨瘢蝹?cè)則通過有載分接開關(guān)直接連接試驗(yàn)品（即高壓晶閘管閥）進(jìn)行溫升試驗(yàn)。 從基本工作流程不難知道測控裝置的測控對象，本裝置的具體測控對象如表1所示。表1 測控對象表 序 號名 稱模入（AIN）開入（DIN）開出（DOUT）備 注1電源進(jìn)線柜　11控制和顯示開關(guān)狀態(tài)2隔離開關(guān)柜　1　顯示開關(guān)狀態(tài)3電容柜　21控制和顯示開關(guān)狀態(tài)4溫升試驗(yàn)變壓器12　溫度測量和報(bào)警信號5轉(zhuǎn)換變壓器8158溫度、電量測量和開關(guān)狀態(tài)6高壓晶閘管閥1　　溫度測量7其它　23輔助設(shè)備監(jiān)控信號8合計(jì)102313　測控裝置的物理結(jié)構(gòu)分為兩部分：操作控制臺和試區(qū)控制箱。其中，試區(qū)控制箱即PLC控制箱被安裝在試驗(yàn)區(qū)的隔離開關(guān)框內(nèi)。操作控制臺即PC機(jī)人機(jī)辦是非曲直操作臺則安裝在控制室內(nèi)。由于二者之間相距約40m，所以采用PC/PPI電纜傳輸測控信號時(shí)需加裝中繼器。 1．2 HG-2003測控裝置的基本功能 本測控系統(tǒng)的基本功能包括：開關(guān)分合控制指示功能；設(shè)備和試品的過流、過壓、過熱報(bào)警及保護(hù)功能；各種操作連鎖功能，如電源開關(guān)柜內(nèi)10kV電源斷路器和隔離開關(guān)柜內(nèi)的手動隔離開關(guān)、控制室門觸點(diǎn)、試驗(yàn)大廳門觸點(diǎn)間的連鎖保護(hù)功能等，并設(shè)有相關(guān)的報(bào)警提示畫面。這些功能可以避免操作順序出錯。 2 S7-200通信程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2．1 PC機(jī)與S7-200的通信方式 西門子S7-200 PLC的通信功能較強(qiáng)，有多種通信方式可供用戶選擇，如：單主站方式、多主站方式以及使用調(diào)制解調(diào)器的遠(yuǎn)程通信方式等。在本測控裝置中，筆者采用單主站方式。在運(yùn)行Windows或Windows NT操作操作的個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）上安裝STEP 7-Micro/WIN32編程軟件后，PC機(jī)就可作為通信中的主站。它可與一個(gè)或多個(gè)從站相連，STEP 7-Micro/WIN 32每次和一個(gè)S7-200 CPU通信，但可以訪問網(wǎng)絡(luò)上的所有CPU。該通信方式的硬件配置為PLC到PC機(jī)通信口的電纜連接器，即帶RS-232口的隔離型PC/PPI電纜，用五個(gè)DIP開關(guān)設(shè)置波特率和其它配置項(xiàng)。它支持的波特率為9.6kbps或19,2kbps，支持的協(xié)議為PPI協(xié)議。這里并沒有使用PPI協(xié)議，而是使用PC/PPI電纜和自由端口通信功能來實(shí)現(xiàn)S7-200 CPU與PC機(jī)間的通信。自由端口模式是計(jì)算機(jī)或其它帶有串行通信接口的設(shè)備與S7-200 CPU之間通信的一種廉價(jià)和靈活的方法。它以用戶定義的通信協(xié)議為基礎(chǔ)，通過使用相關(guān)的中斷指令和專用的通信指令控制S7-200 CPU通信口的操作模式，實(shí)現(xiàn)與多種智能設(shè)備的連接。具體地說，所謂自由通信端口模式是指CPU的串行通信接口可由用戶程序控制的一種通信操作模式，其梯形圖程序可以使用接收完成中斷、字符接收中斷、發(fā)送完成中斷、發(fā)送指令（XMT）和接收指令（RCV）等控制通信過程。在該模式下，通信協(xié)議完全由用戶程序控制。 CPU處于STOP模式時(shí)，自由通信端口模式被禁止，CPU重新建立使用其它協(xié)議的通信，例如與編程設(shè)備的通信。只有當(dāng)CPU處于RUN模式時(shí)，才能使用自由通信端口模式。通過將特殊寄存器字節(jié)SM30或SM130的協(xié)議選擇域（mm）置1可以將通信端口設(shè)置為自由端口模式，處于該模式時(shí)不能與編程設(shè)備通信。 可以用反映CPU模塊上的工作方式開關(guān)當(dāng)前位置的特殊存儲器位SM0.7來控制自由端口模式的進(jìn)入。當(dāng)SM0.7為1時(shí)，工作方式開關(guān)處于RUN位置，可選擇自由端口模式；當(dāng)SM0.7為0時(shí)，工作方式開關(guān)處于TEM位置，應(yīng)選擇PC/PPI協(xié)議模式，以便用于編程設(shè)備監(jiān)視或控制CPU模塊的操作。 2．2 自由端口模式下PLC串行通信程序的編程要點(diǎn) 計(jì)算機(jī)與可編程控制器通信時(shí)，為了避免通信中的各方爭用通信線，一般采用主從工作方式，即計(jì)算機(jī)為主機(jī)，可編程控制器為從機(jī)；只有主機(jī)才有權(quán)主動發(fā)送請求報(bào)文，從機(jī)收到后返回響應(yīng)報(bào)文。下面主要談一談編程過程中應(yīng)注意的幾個(gè)問題。 首先是電纜切換時(shí)間的處理。因?yàn)槭褂昧薖C/PPI電纜，所以在S7-200 CPU的用戶程序中應(yīng)考慮電纜的切換時(shí)間。S7-200 CPU接收到RS232設(shè)備的請求報(bào)文到它發(fā)送響應(yīng)報(bào)文的延遲時(shí)間必須大于等于電纜的切換時(shí)間。波特率為9600bps和19200bps，電纜的切換時(shí)間分別為2ms和1ms。在梯形圖程序中可用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)切換延時(shí)。 其次就是通信可靠性的處理，校驗(yàn)碼的采用是提高通信可靠性最常用的措施之一。用得較多的是異或校驗(yàn)，即將每一幀中的第一個(gè)字符（不包括起始字符）到該幀中正文的最后一個(gè)字符作異或運(yùn)算，并將異或的結(jié)果（展品或校驗(yàn)碼）作為報(bào)文的一部分發(fā)送到接收端。接收方接收到數(shù)據(jù)后計(jì)算出所接收到的數(shù)據(jù)的展品或校驗(yàn)碼，再與發(fā)送方傳過來的校驗(yàn)碼比較，如果不同，可以判斷通信有誤。 最后需注意的是防止起始字符、結(jié)束字符與數(shù)據(jù)字符的混淆。因?yàn)閳?bào)文的起始字符和結(jié)束字符只有8位，接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)與起始字符或結(jié)束字符相同的數(shù)據(jù)字符的機(jī)率很大，這可能會引起字符混淆?？梢栽诎l(fā)送前對數(shù)據(jù)作某種處理，例如選擇起始字符和結(jié)束字符為某些特殊的值，而將數(shù)字字符轉(zhuǎn)化為BCD碼或ASCII碼后再發(fā)送，這樣可以避免出現(xiàn)上述的情況，但是會增加編程的工作量和數(shù)據(jù)傳 送的時(shí)間。 2．3 通信程序中關(guān)鍵指令的使用與說明 發(fā)送指令XMT（Transmit）用于啟動自由端口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（TBL）數(shù)據(jù)的發(fā)送，指令格式如圖1所示。通過指定的通信端口（PORT），將存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（TBL）中的信息發(fā)送。使ENO=0的錯誤條件：SM4.3(運(yùn)行時(shí)間)，0006（間接尋址），009（在端口0同時(shí)XMT/RCV），000B（在端口1同時(shí)XMT/RCV）。 XMT指令可以方便地發(fā)送1～255個(gè)字符，如果有中斷程序連接到發(fā)送結(jié)束事件上，在發(fā)送完緩沖區(qū)中的最后一個(gè)字符時(shí)，端口0會產(chǎn)生中斷事件9，端口1會產(chǎn)生中斷事件26?？梢员O(jiān)視發(fā)送完成狀態(tài)位SM4.5和SM4.6的變化，而不是用中斷進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的起始字符和結(jié)束字符是可選項(xiàng)，第一個(gè)字節(jié)的“字符數(shù)”是要發(fā)送的字節(jié)數(shù)，它本身并不發(fā)送出去。 接收指令RCV（Receive）可以方便地接收一個(gè)或多個(gè)字符，最多可接收255個(gè)字符。通過指令的通信端口（PORT），將接收信息存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（TBL）中。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的第一個(gè)字節(jié)用來累計(jì)接收到的字節(jié)數(shù)，它本身不能接收到，起始字符和結(jié)束字符是可選項(xiàng)。如果有中斷程序連接到接收結(jié)束事件上，在接收完最后一個(gè)字符時(shí)，端口0產(chǎn)生中斷事件23，端口1產(chǎn)生中斷事件24。 使ENO=0的錯誤條件：SM86.6和SM186.6（RCV參數(shù)錯誤），SM4.3(運(yùn)行時(shí)間)，0006（音接尋址），009（在端口0同時(shí)XMT/RCV），000B（在端口1同時(shí)XMT/RCV）。CPU不是在自由端口模式。 可以監(jiān)視SM86.6或SM186.6的變化，而不是用中斷進(jìn)行報(bào)文接收。SM86.6或SM186.6為非零時(shí)，RCV指令未被激活或接收已經(jīng)結(jié)束。正在接收報(bào)文時(shí)，它們?yōu)?。 當(dāng)超時(shí)或校驗(yàn)錯誤時(shí)，要自動中止報(bào)文接收功能。必須為報(bào)文接收功能定義一個(gè)啟動條件和一個(gè)結(jié)束條件。 RCV指令允許通過參數(shù)設(shè)定選擇報(bào)文開始條件和報(bào)文結(jié)束條件，即設(shè)定特殊存儲器字節(jié)SM86～SM94（用于端口0）和SM186～SM194（用于端口1）。圖2另外兩個(gè)比較重要的指令是獲取與設(shè)置通信口地址指令。獲取通信口地址指令（GET ADDR指令）用來讀取PORT指定的CPU口的站地址，并將數(shù)值放入ADDR指定的地址中。設(shè)置通信口地址指令（SET ADDR指令）用來將通信口（PORT）站地址設(shè)置為ADDR指定的數(shù)值。設(shè)置的新地址不能永久保存，斷電后又上電，通信口地址將恢復(fù)為上次的地址值（用系統(tǒng)塊下載的地址）。圖2為使用RCV指令和接收完成中斷接收數(shù)據(jù)的通信程序流程圖。 3 計(jì)算機(jī)通信程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3．1 Windows環(huán)境下的PC機(jī)通信程序 在Windows環(huán)境下，操作系統(tǒng)通過驅(qū)動程序控制各硬件資源，不允許用戶像在DOS環(huán)境下那樣直接對串口進(jìn)行底層的操作。為此，Visual Basic提供了一個(gè)串行通信控件：MSComm控件。程序員只需設(shè)置和監(jiān)視MSComm控件的屬性和事件，就可以勁易而易舉地實(shí)現(xiàn)串行通信。 3．2 MSComm控件的屬性 MSComm控件主要屬性如下：（1）Comm Port:設(shè)置并返回通信端口號。（2）Settings:以字符的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位。其中字符n、o、e分別代表無校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)。（3）Port Open：設(shè)置并返回通信端口狀態(tài)。設(shè)置為Ture時(shí)，打開端口；設(shè)置為Flase時(shí)，關(guān)閉端口。另外，還有Input、Output、Input Mode、In Buffer Count等屬性，這里不再一一介紹。 3．2 MSComm控件處理接收信息的方式 MSComm控件提供兩種處理方式：（1）事件驅(qū)動方式：RTHreshold屬性非0時(shí)，收到字符或傳輸線發(fā)生變化時(shí)就會產(chǎn)生串口事件On Comm。通過查詢CommEvent屬性可以捕獲并處理這些通信事件。（2）查詢方式：通過查詢Iuput Buffer Count(接收緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù))屬性值，處理接收到的信息。本裝置中采用事件驅(qū)動方式。 用Visual Basic語言設(shè)計(jì)串行通信程序簡單實(shí)用，關(guān)鍵是如何形成一個(gè)友好的用戶界面。編程的細(xì)節(jié)這里不再詳述。 隨著工業(yè)PC機(jī)的推出，個(gè)人計(jì)算機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場支行的可靠性問題也得到了解決。因此在各類測控設(shè)備中實(shí)現(xiàn)PLC和PC機(jī)間的串行通信有著重大的意義。這樣一方面有助于將個(gè)人計(jì)算機(jī)開發(fā)成簡易工作站或者工作終端，實(shí)現(xiàn)集中顯示、集中報(bào)警功能；另一方面也可把個(gè)人計(jì)算機(jī)開發(fā)成PLC編程終端，通過編程器接口接入PLC網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行編程、調(diào)試及監(jiān)控，并最終達(dá)到PLC測控設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)容易、便于二次開發(fā)的技術(shù)特點(diǎn)。