基于Siemems S7-200 PLC的遠(yuǎn)程測(cè)控

李金堂，任雪鴻

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710014）

隨著中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，PLC在中小型自動(dòng)化設(shè)備的日益普及應(yīng)用，對(duì)于設(shè)備制造廠商或生產(chǎn)技術(shù)管理部門(mén)來(lái)說(shuō)，如何以最快捷的方式響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)方面的需求，迅速檢測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)，及時(shí)解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反映的問(wèn)題，已是多數(shù)上位技術(shù)管理者的切實(shí)需求[1-2]。如何采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式來(lái)實(shí)施遠(yuǎn)程PLC設(shè)備數(shù)據(jù)采集或測(cè)控，這也是探索解決此問(wèn)題的初衷。

1 系統(tǒng)組成概述

系統(tǒng)硬件主要由上位計(jì)算機(jī)、TC35i[3-4]GSM MODEM無(wú)線通訊模塊和遠(yuǎn)程Siemens S7-200 PLC 3部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)軟件分為上位PC和下位PLC兩部分，上位PC部分提供人機(jī)交互操作界面和相應(yīng)的數(shù)據(jù)選擇、處理等；下位PLC則通過(guò)自由口通訊，以中斷方式快速響應(yīng)上位機(jī)對(duì)PLC變量存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作或?qū)/O口讀寫(xiě)操作需求。由于上位計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程PLC的通訊載體是通過(guò)TC35i建立在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，從而打破了地域的限制，即便遠(yuǎn)端PLC設(shè)備在千里之遙，實(shí)施數(shù)據(jù)采集、測(cè)控的如同咫尺。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 TC35i無(wú)線通訊模塊

系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要是TC5i無(wú)線通訊模塊的應(yīng)用。TC35i是Siemens公司推出的新一代無(wú)線通信GSM 模塊，TC35i雙頻工作（EGSM900/GSMl800），電源范圍在3.3～4.8 V，發(fā)送功率分別為2 W （Class4 EGSM900）和1 W（Class1 GSM1800 MHz），TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU-T RS-232接口電路標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)校驗(yàn)位，可以在300～115 kb/s的波特率下運(yùn)行，支持的自動(dòng)波特率為4.8～115 kb/s，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，且易于升級(jí)為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口[5]，為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)。TC35i有40個(gè)引腳，通過(guò)ZIF連接器引出。這些引腳可劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。TC35i內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 TC35i內(nèi)部電路

ZIF40PIN的引腳 1～14為電源部分，其中引腳l～5為電源電壓輸入端VBATT+，引腳 6～10為電源地GND，引腳11～12為充電端，引腳13為對(duì)外輸出電壓 （供外部電路使用），引腳14 ACCU/TEMP接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻；引腳24～29為SIM卡連接端；引腳33～40為語(yǔ)音接口用來(lái)接電話手柄。引腳15、30、31和32為控制部分，引腳15為啟動(dòng)線IGT（Ignition）。當(dāng)TC35i通電后必須給IGT一個(gè)大于100 mV的低電平，模塊才能啟動(dòng)。引腳30為RTC back up；引腳31為掉電控制；引腳32為SYNC，引腳16～23為數(shù)據(jù)輸入/輸出端。TC5i無(wú)線通訊模塊的主要外圍電路的連接如圖3所示。數(shù)據(jù)通信電路以MAX232為核心實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信。

2.2 系統(tǒng)硬件連接

系統(tǒng)硬件的連接可參考圖1可知，上位計(jì)算機(jī)的串口輸出與由TC35i構(gòu)成的GSM MODEM中的9芯RS232口直接連接；遠(yuǎn)程的GSM MODEM與PLC連接時(shí)則必須通過(guò)RS232到RS485的轉(zhuǎn)換，這是Siemens PLC的通訊口數(shù)據(jù)和PPI編程電纜連接的必要條件。另一方面必須注意的是，在與遠(yuǎn)程GSM MODEM的RS-232串口連接時(shí)，還必須將RS232串口中的RXD和TXD對(duì)換連接，否則將不能正常通訊。

2.3 遠(yuǎn)程PLC的選型

該系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-200 PLC，在西門(mén)子PLC中SIMATIC S7-200是一個(gè)系列，其中包括多種型號(hào)的CPU，這里選用CPU-222，由于CPU不提供模擬量的輸入輸出，為檢測(cè)對(duì)模擬量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程讀寫(xiě)，因此在遠(yuǎn)程PLC系統(tǒng)中擴(kuò)展一型號(hào)為EM-235的4輸入1輸出模擬量模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)上位計(jì)算機(jī)人機(jī)界面

系統(tǒng)上位的人機(jī)界面是用VB編程[6]，提供人機(jī)交互操作界面及數(shù)據(jù)選擇和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理等功能。系統(tǒng)上位的操作界面如圖4所示。在操作界面的左上部是通訊鏈接控制框，這里只需要正確選擇PC的串口并輸入遠(yuǎn)程PLC所連接的電話號(hào)碼后即可撥號(hào)鏈接，遠(yuǎn)程的無(wú)線GSM MODEM模塊摘機(jī)響應(yīng)一般設(shè)置為鈴響后自動(dòng)摘機(jī)，通訊鏈接建立后，當(dāng)上位PC檢測(cè)到串口端的數(shù)據(jù)載波DCD信號(hào)后，通訊鏈接控制框中的"鏈接狀態(tài)"指示燈由紅變綠，表示通訊鏈路已成功建立。撥號(hào)或掛機(jī)的操作均是通過(guò)對(duì)GSM MODEM模塊發(fā)送AT指令執(zhí)行的。

圖3 TC35i主要外圍電路

圖4 上位PC操作界面

對(duì)PLC數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作如操作界面的右上部所示，在相應(yīng)文本框內(nèi)填寫(xiě)好數(shù)據(jù)的類型、地址、數(shù)值和操作方式后點(diǎn)擊"發(fā)送"即可執(zhí)行對(duì)PLC的讀或?qū)懖僮?。界面的下半部分顯示的是PC串口發(fā)送和接收的代碼以及當(dāng)前操作的結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)上位計(jì)算機(jī)的串口設(shè)置

在上位PC的人機(jī)界面中，串口的設(shè)置是通過(guò)下拉選擇框選擇出所連接的串口后由程序自動(dòng)讀取。在使用GSM MODEM無(wú)線模塊時(shí)，上位PC對(duì)遠(yuǎn)程PLC鏈接呼叫時(shí)采用的是AT指令。程序語(yǔ)句為：MSComm1.Output="ATDT"&Trim （Text1.Text）&vbCrLf//Text1文本框內(nèi)為欲連接的電話號(hào)碼。掛機(jī)的AT指令為：MSComm1.Output="ATDT"&"+++"&vbCrLf。串口數(shù)據(jù)格式的設(shè)定語(yǔ)句為：MSComm1.Settings="9600，N，8，1"，與 TC35i GSM MODEM 無(wú)線通訊模塊和遠(yuǎn)程PLC自由口的串行數(shù)據(jù)通訊格式一致。

3.3 通訊數(shù)據(jù)格式的約定

由于遠(yuǎn)程PLC采用的是自由口用戶通訊方式，這里對(duì)每次收發(fā)數(shù)據(jù)字節(jié)暫約定為18個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)的多少可根據(jù)實(shí)際需要而酌情約定。本系統(tǒng)中18個(gè)字節(jié)的約定：Byte1為數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)；Byte2為數(shù)據(jù)開(kāi)始特征字；Byte3為數(shù)據(jù)讀或?qū)懱卣髯?；Byte4為數(shù)據(jù)類型特征字；Byte5～Byte8為PLC數(shù)據(jù)地址；Byte9～Byte16為 PLC數(shù)據(jù)的數(shù)值；Byte17為收發(fā)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼；Byte18為數(shù)據(jù)結(jié)束特征字。串口數(shù)據(jù)的傳輸除數(shù)據(jù)地址字節(jié)和數(shù)據(jù)數(shù)值字節(jié)用ASCII碼表示外，其他均以十六進(jìn)制方式表示。因而在上位PC的編程中需涉及大量的進(jìn)制轉(zhuǎn)換操作。特別要注意的是由于PLC中的實(shí)數(shù)采用32位單精度數(shù)表示，并按照ANSI/IEEE 745 1985標(biāo)準(zhǔn)格式以雙字長(zhǎng)度來(lái)存取，所以無(wú)論是上位的PC或是下位的PLC在編程時(shí)對(duì)實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)的處理均需嚴(yán)格遵循ANSI/IEEE 745 1985標(biāo)準(zhǔn)格式的規(guī)定，否則將不可能讀到正確的數(shù)據(jù)。

通訊數(shù)據(jù)的校驗(yàn)方式采用BCC塊進(jìn)行XOR校驗(yàn)，即約定為從每次數(shù)據(jù)包的Byte2到Byte16的字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)，Byte17存放校驗(yàn)結(jié)果。上位或下位在接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)并將計(jì)算結(jié)果與Byte17所存放的數(shù)值進(jìn)行比較，如不一致時(shí)則按約定要求重發(fā)，以保障每次傳輸數(shù)據(jù)的正確性。

3.4 遠(yuǎn)程PLC自由口通訊初始化編程

由于遠(yuǎn)程PLC采用的是自由口用戶通訊協(xié)議，所以對(duì)PLC的自由口通訊必須做如下初始化設(shè)置[7]：

遠(yuǎn)程PLC經(jīng)上述設(shè)置后，在其運(yùn)行期間每當(dāng)接收到一組數(shù)據(jù)后便自動(dòng)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)的子程序中，設(shè)定一標(biāo)志位（如M0.0）置位，用來(lái)表示允許進(jìn)入中斷服務(wù)，在主程序中通過(guò)檢測(cè)M0.0的狀態(tài)來(lái)確定是否轉(zhuǎn)入讀數(shù)據(jù)操作的子程序，讀數(shù)據(jù)操作完畢后及時(shí)將接收數(shù)據(jù)標(biāo)志M0.0復(fù)位，從而完成一次讀數(shù)據(jù)過(guò)程。PLC數(shù)據(jù)的上傳則是根據(jù)所讀數(shù)據(jù)的內(nèi)容來(lái)響應(yīng)上位的請(qǐng)求，上傳數(shù)據(jù)的編碼和字節(jié)均依照約定的格式寫(xiě)入，每次的讀寫(xiě)操作僅在PLC一個(gè)掃描周期內(nèi)（數(shù)毫秒）完成，系統(tǒng)的響應(yīng)是實(shí)時(shí)的。

3.5 遠(yuǎn)程PLC數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作

PLC數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)是依據(jù)約定的數(shù)據(jù)類型實(shí)施操作的。對(duì)于字節(jié)、字、雙字、實(shí)數(shù)及I/O端口各自有約定的數(shù)據(jù)類型特征字，在下位PLC程序中通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)類型特征字的解析后來(lái)確定讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。對(duì)I/O端口的讀寫(xiě)操作則是根據(jù)約定的地址編碼直接讀寫(xiě)出相應(yīng)的狀態(tài)信息。每組收發(fā)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元從VB100到VB117共18個(gè)字節(jié)。由前述的數(shù)據(jù)發(fā)送量的約定可知，每組數(shù)據(jù)的Byte5～Byte8表示PLC數(shù)據(jù)的地址，由于每次讀寫(xiě)的地址是不同的，所以Byte5～Byte8字節(jié)給定的就是地址指針，在PLC編程中就要以此指針采用間接尋址的方式，假設(shè) Byte5～Byte8存放在PLC的VB104～VB107單元，其間址指令則為：

MOVD&VB104，AC1讀取該地址內(nèi)容時(shí)則根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同而有所區(qū)別，假如讀寫(xiě)字節(jié)時(shí)指令為：MOVB*AC1，VB160；則讀寫(xiě)字的指令為：MOVW*AC1，VW160；讀寫(xiě)雙字的指令為：MOVD *AC1，VD160；讀寫(xiě)實(shí)數(shù)的指令則為：MOVR*AC1，VD160。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測(cè)試基本達(dá)到了預(yù)期效果。遠(yuǎn)程PLC在省際間距離的測(cè)控響應(yīng)與在本市區(qū)地域的測(cè)控響應(yīng)基本相同，通過(guò)對(duì)PLC I/O的讀寫(xiě)、模擬量數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)、單字節(jié)、雙字節(jié)及實(shí)數(shù)的讀寫(xiě)，均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯(cuò)現(xiàn)象，遠(yuǎn)程的響應(yīng)速度基本上是對(duì)上位的指令立即響應(yīng)，操作人基本感覺(jué)不出時(shí)間的延時(shí)。在PLC中，由于本遠(yuǎn)程測(cè)控程序字節(jié)量較少，完全可以嵌入在PLC的過(guò)程控制程序中運(yùn)行，由于在自由口通訊中，對(duì)上位PC讀寫(xiě)的響應(yīng)采用的是中斷方式快速響應(yīng)，所以對(duì)PLC的過(guò)程控制程序的實(shí)時(shí)性基本無(wú)影響。

[1]李斯春，李楊，唐國(guó)俠.基于GPRS的自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2007（10）：97-100.

[2]安軍強(qiáng).基于PLC數(shù)傳電臺(tái)和工控機(jī)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化博覽，2006（6）：76-77.

[3]Siemens.TC35i AT command set[EB/OL].（2003-01-10）[2010-01-29].http：//member.ic37.com/sell/pdf.asp?keyword=TC35I&type=pdf.

[4]Siemens.TC35i hardware interface description[EB/OL]（2003-01-22）[2010-01-29].http：//download.pudn.com/downloads115/doc/comm/31767660TC35I.rar.

[5]陳堅(jiān)，孫志月.MODENM通訊編程技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[6]范逸之，陳立元.Visual Basic與RS-232串行通訊控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[7]Siemens.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[EB/OL]（2008-08）[2010-01-29].http：//www2.ad.siemens.com.cn/download/Upload/AS/manual/1109582[1].pdf.