基于RS485总线的分布式PLC监控系统通信设计

　　0引言

　　随着计算机与通信技术的发展，PLC各种模块的多样化和信息化，由PLC作为基本控制单元的分布式控制系统在自动化领域中广泛应用，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS485总线标准。EIA曾经在它所有标准前面加上RS前缀（英文RcommendeStandard的缩写），因此许多工程师一直沿用这种名称，因为RS485的远距离（1200m）、多节点（32）以及传输线成本低的特性，使得EIA的RS485成为工业应用数据传输的首选标准。

　　我厂18条电动执行机构调试线，分布在三个厂房的若干区域，每个调试线由一台PLC与HMI控制，为了将调试数据归口管理，并判断调试结果的正确性，对调试线进行监控，18台PLC通过RS485总线与计算机连接起来，构成一个分布式监控系统，通过数据通信使计算机和PLC实现数据共享，完成对调试过程的集中管理和分散控制。计算机与PLC各个子站的的通信是系统的重要环节，本文详细论述了基于RS485总线，利用VB开发了上位机通信系统，编写了PLC自由口的通讯协议的设计与实际应用方案。可以借鉴为各种上位机、PLC、HMI等通信系统设计的应用范例，同时可作为检测技术、自动化设计等课程的工程项目训练与教学的平台。

　　1RS485网络构成

　　RS485标准采用有平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，与RS422一样，可以将多个（最多为32个）RS485接口互连，而其连接更简单，只需将各个接口的“+”端和“+”端相连、“-”端和“-”端相连，连接的两根线就是RS485的“物理总线”。这些相互连接的RS485接口的物理地位完全平等，在逻辑上取一个为主导地位，其他为从属地位。在通信时，同样采用主呼叫，从应答的方式。

　　控制系统的硬件构成如图1所示，上位机为计算机，下位机采用西门子公司S7-200系列PLC，各PLC通过通信口0直接挂在RS485总线上，上位机通过RS232/485转换器与RS485总线相连，形成1：N通信方式。控制系统中，上位机的主要任务是获取调试线上的数据信息，完成对调试过程的监控。下位机的主要任务是对调试过程进行自动控制，将调试数据发送给上位机，并按上位机命令执行。

　　

　　图1网络图

　　2计算机与PLC的通信

　　上位机与PLC的通信实际上是计算机与PLC的通信模块之间交换命令和响应，下位机具有初始传送优先权，将所有调试数据发送给上位机，上位机根据收到的数据判断哪个调试线发出的数据，对数据分析后响应回传数据与命令，下位机只接收发送给自己的数据。通信以“帧”为单位进行，帧分为数据帧和响应帧两种。数据帧由PLC发送给上位机；响应帧为上位机接到数据帧后自动向PLC发出的命令与判断信号所有的指令码、字符和数据均以十六进制码发送和接受。

　　S7-200系列PLC通信模式有两种：一种是点对点（PPI）通信协议，用于PLC与其编程器或西门子公司的人机接口产品之间的通信；另一种是对用户完全开放的自由口模式（freeportmode），由用户自行规定通信的协议。PPI模式只能在PLC停止方式（STOP）下通信，而自由口模式只能在PLC运行方式（Run）下通信，我们采用自由口通信方式在进行通信之前，应先对串口初始化。对S7-200PLC的初始化是通过设置特殊标志位SMB30来实现的。

　　2.1PLC的发送指令

　　发送S7200系列PLC有专门的发送指令用于发送数据，格式为：

　　XMTTABLEPORT

　　XMTTABLEPORTTABLE为发送数据的字节数即数据长度，最大为255。而要发送的数据必须存储在TABLE的后面。如TABLE的存储区域为VB600，要发送“MESSAGE”的数据存储形式如图2所示。PORT指定通信口，本项目设为0。当正在发送数据时，PLC特殊标志位SM4.5为0；发送完后，SM4.5为1。因此可通过判断SM4.5的状态来进行发送后处理。

　

　　图2PLC发送信息

　　如果有一个中断服务程序连接到发送结束事件上，在发送完缓冲区中的最后一个字符时，则会产生一个中断（对端口0为中断事件9，对端口1为中断事件26）。

　　2.2PLC接收指令

　　接收指令的格式为：RCVTABLEPORT

　　接收指令使您能够接收一个字节或多个字节的缓冲区，最多为255个。图3给出了接收缓冲区的格式。如果有一个中断服务程序连接到接收信息完成事件上，在接收完缓冲区中的最后一个字符时，S7-200会产生一个中断（对端口0为中断事件23，对端口1为中断事件24。）也可以不使用中断，通过监视SMB86（端口0）或者SMB186（端口1）来接收信息。当接收指令未被激活或者已经被中止时，这一字节不为0；当接收正在进行时，这一字节为0。

　　

　　图3接收信息

　　2.3特殊寄存器及相关的位

　　SMB30控制自由端口0的通讯方式，SMB130控制自由端口1的通讯方式。您可以对SMB30和SMB130进行写和读。如表1所示，这些字节设置自由端口通讯的操作方式，并提供自由端口或者系统所支持的协议之间的选择。

　　通信接收字符缓冲器SMB2：SMB2是一个暂态寄存器，用于存放在自由口通信方式下接收到的当前字符，用户在下一步应从这里取走其中的内容，通过编程控制将接收到的字符一个一个由SMB2移入接收缓冲区。

　　通信校验结果标志位SMB3.0：PLC按SMB30规定的奇偶校验方式对所接收到的数据作校验。如果校验有错，PLC自动将SMB3.0置1，SM3.0=0表示奇偶校验正确。根据这个标志，可决定对当前信息的取舍，还可以在出错的情况下，将此错误位发送给对方，以便要求它重发。

　　工作方式标志位SM0.7：57-200系列PLC只有处于运行（RUN）方式时才能进行自由口模式通信，而在停止（ST6P）方式时只能以PPI模式通信。当PLC处于RUN方式时SM0.7=1，否则SM0.7=0，因此可通过判断SM0.7的状态来打开或关闭自由口通信。

　　发送器空标志SM4.5及收发指令：当正发送数据信息时，特殊存储器位SM4.5=0，当发送完成后，SM4.5=1，因此可通过判断SM4.5的状态来进行发送后处理，也可直接用发送中断来处理。

　　表1特殊存储器字节SMB30

　　

　　3上位机程序设计

　　在Windows环境下，实现上位机与PLC的数据通讯，有多种软件开发平台可以使用，VisualBasic编写通信软件十分方便，编程工作量小，可视化程度高，尤其是提供了通信控件MSComm，可方便地实现与多台PLC间的通信。MSComm控件有很多重要属性，其中最重要的几个是：

　　（1）CommPort：设置并返回通信口号；

　　（2）Settings：以字符串的形式设置并返回波特率、校验方式、数据位和停止位；

　　（3）PortOpen：设置并返回通信端口的状态（打开或关闭一个通信口）；

　　（4）InBufferCount：返回接收缓冲区收到的字节数；

　　（5）Input属性：从接收缓冲区读取数据；

　　（6）Output属性：向传送缓冲区写一个字符串。

　　计算机与PLC的通信过程流程图如图5所示，下面为计算机与5号站PLC的主要通信程序。

　　3.1初始化通信口

　　PrivateSubForm_Load0

　　MSComm1.CommPort=1//使用串行口1

　　MSComm1.Settings=“9600，e，7，1”//9600波特率，偶校验，7位数据位，1位停止位

　　MSComm1.InBufferCount=0//清除接收缓冲区

　　MSComm1.InputLen=0//输入时，读取缓冲区的全部内容

　　MSComm1.PortOpen=True//打开通信口

　　3.2发送控制命令

　　PrivateSubSend_Click（）

　　HD=“5”+“FF”+“WW”+“A”+“M0100”+“01”+Data//发给5号PLC站

　　Write=Chr（5）+HD+SumChk（HD）+Chr（13）+Chr（10）//形成控制命令字，其中DataW为要

　　//写入的数据，SumChk（RD）为和校验函数

　　MSComm1.Output=Write//向5号站PLC发送控制命令

　　Do

　　XY=MSComm1.Input//接收PLC响应

　　RD_date=RD_date+XY

　　LoopUntilRight（RD_date，2）=Chr（13）&Chr（10）

　　Rd=Left（RD_date，5）//取应答字符串的前5位

　　IfRd=Chr（6）+“02FF”Then

　　MsgBox“控制命令已接收”

　　Else

　　MsgBox“通信错误”

　　EndIf

　　EndSub

　　3.3读取调试线状态信息

　　PrivateSubD_A（）

　　RD=“05”+“FF”+“WR”+“A”+“DO0000”+“01”

　　Read=Chr（5）+RD+SumChk（RD）+Chr（13）+Chr（10）

　　MSComm1.Output=Read//发送读5号站PLC数据命令

　　Do

　　ch=MSComm1.Input//接收PLC响应

　　R_Answer=R_Answer+ch

　　LoopUntilRight（R_Answer，2）=Chr（13）＆Chr（10）

　　RA=Left（R_Answer，5）//取PLC应答字符串的前5位

　　IfRA=Chr（2）+“02FF”Then//判断读取是否正确

　　MSComm1.Output=Chr（6）+“02FF”//正确，向PLC发送

　　确认信号DataR=Mid（R_Answer，6，4）//取出数据

　　DataR=Val（＆H+DataR）//据转换位十进制数

　　Else

　　MsgBox“读取数据错误”

　　EndIf

　　EndSub

　　4PLC程序设计

　　PLC通过程序对调试线的控制，产生的调试结果存放在以VB100为首的255个字节中，本文主要叙述的通讯，并也存在数据的翻译过程，例如调试的力矩值放在VW200中，则要求将VB200乘以256再加VB201。若是浮点数的翻译方式还了复杂些，在此就不一一叙述。主要是将一串调试数据发送给上位机，并得到上位机的对试验结果的判断与命令。下面结合通讯相关的PLC程序，对通讯进行相应的说明。

　　4.1主程序

　　LDI0.1//发送控制

　　EU

　　CALL发送：SBR1//将调试好的数据存储在表中，准备调用子程序发送

　　4.2接收子程序

　　SBR0：

　　LDSM0.0

　　MOVB9，SMB30//初始化端口0

　　MOVB16#F0，SMB87//初始化RCV信息控制字节，RCV使能

　　//检测信息结束字符，检测空闲线信息条件

　　MOVB16#05，SMB88//只接收发给本站的数据（以5号站为例）

　　MOVB16#0A，SMB89//接收回车键，接收的结束数据

　　MOVB5，SMB90//设置空闲线超时为5ms

　　MOVB10，SMB94//设置最大字符数为10

　　ATCHINT_0:INT0，23//接收完成，执行中断0

　　ENI//启用用户中断

　　RCVVB600，0//通过端口0，接收数据，存储在以VB600为首的字节中

　　4.3发送子程序

　　SBR1：

　　LDSM0.0

　　MOVB2#01101001，SMB30//初始化端口0，9600波特，7个数据位，偶校验

　　MOVB255，VB1000//发送的总数据位

　　ATCHINT_1:INT1，9//发送完成执行中断1

　　ENI//启用用户中断

　　XMTVB100，0//通过端口0，发送数据，发送以VB100为首的字节中

　　4.4中断子程序

　　中断子程序INT0：

　　LDSM0.0

　　MOVBVB602，QB0//响应已接收到命令

　　中断子程序INT1：

　　LDSM0.0

　　CALL接收：SBR0//使PLC处于接收状态

　　5结束语

　　该系统经实际运行情况表明，采用RS-485总线构建的分布式监控系统，硬件连接简单，编程快捷，可方便地实现计算机和多台PLC间的联网通信，与用现场总线模块EM277构建的Profibus-DP、以太网模块EM243-I相比大大降低了成本，且不受只有8个站点可以使用PCAccess的限制，运行一年多来实践表明运行稳定可靠，能很好的满足监控系统的要求。