摘 要： 詳細說明了西門子S7-200 PLC在自由口模式下與上位機通信的實現，主要包括該系統的硬件構成，自由口通信協議的標準，以及上位機軟件流程和主控PLC軟件設計。通過自由口通信可實現對ITER導體穿纜測力測長系統的監控， 將PLC數據傳送至上位機，實現對數據的處理以及現場數據的實時顯示和遠程控制等功能。
關鍵詞： PLC；通信協議；自由口模式；ITER導體穿纜測力測長系統；上位機
西門子公司的SIMATIC S7-200系列PLC是廣泛適用于中小型設備控制的工業可編程控制器，以其可靠性高、豐富的指令和內置功能、通信能力強、性價比較高等特點，在工業控制領域中得到越來越廣泛的應用[1]。在本文的控制系統中，PLC作為下位機完成現場各種信號和數據的采集、運算和控制[2-4]。工控PC機作為上位機可提供人機交互界面，實現數據的處理以及現場數據的實時顯示等監視和遠程控制等功能。S7-200系列的PLC可以在四種通信模式下工作：PPI模式、MPI模式、PROFIBUS-DP模式和自由口通信模式。其中，PPI和MPI是西門子專門開發的通信協議。PPI協議用于點對點接口，是一個主/從協議。MPI協議適用于多點接口，可以是主/主協議或主/從協議。PROFIBUS-DP是西門子支持的現場總線網絡[5]。而大多數用戶則是選用對用戶完全開放的自由口通信模式。在自由口通信模式下，通信協議是由用戶定義的。用戶可以用梯形圖程序調用接收中斷、發送中斷、發送指令(XMT)、接收指令(RCV)來控制通信操作。本設計采用自由口方式，重點介紹工控PC機與主控PLC的通信原理與實現。
1 硬件組成
ITER導體穿纜測力測長控制系統的框圖如圖1所示。將測力傳感器和測長編碼器通過信號線與PLC相連，這樣穿纜過程中的拉力數據和行程數據就能夠實時寫入PLC的寄存器中。PLC通過通信電纜與PC機的串行通信口相連，在PC機中設置VB的MSCOMM控件來實現串口通信，這樣PC機就能讀取PLC寄存器中的拉力和行程數據，對穿纜過程進行實時監控。
2 工控PC機與主控PLC的自由口通信協議
工控PC機標準的串口為RS232C，S7-200系列提供的串口為RS485，利用西門子公司提供的PC/PPI電纜，可以方便地實現S7-200系列PLC與PC之間硬件連接[1]。
上位機向PLC發送指令(即指令幀)，指令幀格式如圖2所示，由起始字符、指令類型、目標PLC站地址、目標寄存器地址、讀/寫字節數、待寫入的數據(當從PLC讀數據時，具體數據部分為空)、校驗碼和結束字符組成。
例如寫VB100開始的兩個字節的指令幀如下：83H，06H，08H，00H，00H，64H，30H，32H，31H，32H，33H，34H，35H，36H，115H。下面按順序說明每段字節的含義：
83H為字符"S"的ASCII碼，表示指令的開始，在本設計中是固定的。
06H表示指令的類型，為寫操作。在本文中定義05H代表讀操作，06H代表寫操作。
08H，00H表示要寫PLC中V存儲區的內容。
00H，64H表示要從VB100開始寫。
30H，32H表示要寫兩個字節。
31H，32H，33H，34H表示VB100寫入12H，VB101寫入34H。
35H，36H是校驗和。
115H為字符"s"的ASCII碼，是結束字符，表示指令的結束，在本設計中是固定的。
一條指令除包含數據外，還包含必要的控制字(如起始字符、結束字符、指令類型等)。如果指令中的數據直接以其原本的形式傳輸，則不可避免地會與指令中的控制字發生混淆。為了避免這種情況的發生，可以用文本來傳送二進制數據。通過16進制ASCII碼的格式來描述數據，每個二進制的字節都可以表示成一對ASCII編碼，這對編碼表示這個字節的兩個16進制字符。這種格式可以表示任何的數值，僅僅使用ASCII代碼的30H~39H(表示0~9)和41H~46H(表示A~F)。ASCII碼的其余部分可以用作控制字。這樣就避免PLC因接收到數據中錯誤的標志位而停止接收的錯誤。
在PLC接到上位機指令后，會向上位機發送一個反饋消息，即反饋幀，反饋幀格式如圖3所示。其組成與指令幀基本相同，但它是由PLC發出的，所以具體數據段不同，在向PLC寫數據時，反饋幀的具體數據部分為空，而在從PLC讀數據時，具體數據部分不能為空。
例如，PLC接收到寫VB100開始兩個字節后的發送反饋幀如下：83H，02H，08H，00H，00H，64H，30H，32H，35H，36H，115H。下面按順序說明每段字節的含義：
83H為字符"S"的ASCII碼，與指令幀相同。
02H為狀態信息，表示接收到上位機指令后PLC的執行狀態。在本文中02H表示寫入正確，相應地規定01H表示讀取正確，03H表示BCC校驗碼錯誤，04H表示指令不合法。
08H，00H表示要寫入PLC中V存儲區的內容，與指令幀相同。
00H，64H表示要從VB100開始寫，與指令幀相同。
30H，32H表示要寫兩個字節，與指令幀相同。需注意的是，此時具體數據段為空。
35H，36H是校驗和，因無數據段，與指令幀可能不同。
115H為字符"s"的ASCII碼，表示此幀結束，與指令幀相同。
3 工控PC機軟件設計
工控PC機端通信程序流程圖如圖4所示。發送指令幀后，注意查詢反饋幀，如一定時間內沒有接收到，應再次發送，兩次無響應，則要提示通信故障或PLC不存在。
在工控PC機中可采用VB來實現上位機監控程序，通過MSCOMM控件就可控制串口通信[6]，主要參數設置代碼如下：
MSComm1.Settings="9600，N，8，1"
//串口通信參數設置
MSComm1.CommPort=1
MSComm1.PortOpen=True
MSComm1.InputLen=0
4 主控PLC軟件設計
CPU224XP自由口通信模式的初始化是通過對特殊存儲字節SMB30(PORT0)寫入通信控制字來設置通信的波特率、奇偶校驗、停止位和數據位數[7]。SMB30中的內容如下：
PP：奇偶選擇。00為無奇偶校驗；01為偶校驗；10為奇校驗；11為保留。
D：每個字符的數據位。0為每個字符8位；1為每個字符7位。
BBB：自由端口波特率。本設計為010，表示波特率為9 600 b/s。
MM：協議選擇。00為點到點接口協議的PPI從站模式；01為自由端口協議；10為PPI主站模式；11為保留。缺省設置為00，即PPI從站模式。
本文中傳輸速率固定為9 600 b/s，數據格式由1位起始位、8位數據位、無校驗位、1位停止位組成。
配置自由口通信模式后，就可以進行數據的收發了。PLC通信程序框圖如圖5所示。接收數據指令RCV的命令格式為RCV TABLE，Port0，RCV指令可以接收一個或多個字符，一次最多接收255個字符。發送數據指令XMT的命令格式為XMT TABLE，Port0，激活發送緩沖區TABLE中的數據。數據緩沖區的第一個數據指明了要發送的字節數，最多有255個字符的緩沖區。
通信程序的設計需遵循一定的規則，例如，中斷通信處理程序要短小精悍，要避免XMT與RCV指令在一個端口同時執行[8]。本設計采用主從方式通信，PC設為主機，PLC設置為從機。只有PLC接收到指令幀后，才可能根據接收數據情況發送反饋幀。為簡化程序設計，PC機只發出讀指令和寫指令兩種指令幀。若為讀指令，PLC準備好發送數據后執行XMT指令；若為寫指令，PLC先把數據寫入指定存儲區，準備好應答數據后同樣執行XMT命令；若接收到錯誤幀(如校驗錯誤及不能識別的命令)，PLC準備相應標志數據執行XMT指令。
主要代碼如下：
LD SM0.0
MOVB 9，SMB30//設置端口0為：9 600，N，8，1
LD SM0.0//RCV指令初始化
MOVB 16#EC，SMB87
//允許接收信息，使用SMB88，SMB89。
MOVB 83，SMB88//設置起始字符為"S"
MOVB 115，SMB89//設置結束字符為"s"
MOVB +1000，SMW92//接收信息時間不能超過1 ms
MOVB 30，SMB94//接收的最大字符數，這里設置為30
R SMB87.2，1//復位SMB87.2，使其為0，忽略SMW92
LD SM0.0
ATCH RCVOVER，23
//將0口接收完成中斷事件連接到RCVOVER上
LD SM0.0
ATCH XMTOVER，9、
//將0口發送完成中斷事件連接到XMTOVER上
LD SM0.0
ENI//允許中斷
S7-200自由口通信方式使用戶可以自己定義PLC指令通信協議，與任何公開通信協議(如RS-422或RS-232C)接口設備進行通信，使通信范圍大大增加，控制系統配制更加靈活。本通信程序用于ITER導體穿纜測力測長監控系統，PLC完成數據采集及現場控制，工控PC機實時顯示導體穿纜的速度及行程，同時以梯形圖和通信控件顯示動作過程，便于監控及故障診斷，得到用戶好評。本文設計的通信協議也可用于其他控制系統的監控。
參考文獻
[1] SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可編程控制器系統手冊[M]. http：//www2.ad.siemens.com.cn/download/Upload/AS/manual/1109582. pdf， 2008-08-01.
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[8] 李紹民，潘登.S7-200 PLC與上位機的通信[J].大連民族學院學報，2009，11(3)：209-211.