普及型PLC自由協(xié)議通訊框架設(shè)計

徐 文

(浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字信息技術(shù)分院 浙江 杭州 310018)

0 引言

PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）主導(dǎo)的工業(yè)通訊主要分為管理級、 過程控制級和現(xiàn)場總線級等級別。 由于接口、鏈路、協(xié)議和應(yīng)用的多樣性，不同級別的PLC 通訊在通常情況下需要采用不同的方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編程，且不同品牌PLC 之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議不具備通用性，由PLC 設(shè)備組建通訊網(wǎng)絡(luò)就呈現(xiàn)出復(fù)雜的特性。 文獻(xiàn)1 介紹了基于組態(tài)軟件的Profibus 通訊設(shè)計方法，文獻(xiàn)2、3 介紹了PLC 與計算機和變頻器之間基于MODIBUS、USS 協(xié)議的通訊設(shè)計方法，文獻(xiàn)4 介紹了PPI 協(xié)議的OPC 通訊設(shè)計方法，這些設(shè)計大多借助高成本的組態(tài)軟件等第三方工具實現(xiàn)，缺乏應(yīng)用的靈活性。 文獻(xiàn)5、6、7 雖然自定義協(xié)議實現(xiàn)了最大程度通訊應(yīng)用的靈活性， 但可復(fù)用率低。 尤其當(dāng)PLC 設(shè)備承擔(dān)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中不同通訊層級的中轉(zhuǎn)節(jié)點時，就需要編制基于不同協(xié)議、面向不同應(yīng)用的PLC 端通訊軟件。 這樣將提高開發(fā)和維護(hù)的成本，且成果較難復(fù)用。

本文通過對西門子S7-200 小型機RS485 口的自由協(xié)議通訊機制的分析，設(shè)計了基于自由協(xié)議的通訊框架。

1 S7-200PLC 自由協(xié)議通訊機理

目前不少PLC 制造商都開發(fā)出自由協(xié)議通訊模式， 即PLC 提供串行通訊硬件和用于定制通訊協(xié)議的相關(guān)指令，由用戶控制串行通訊接口，采用自定義通訊協(xié)議來編制PLC 通訊程序，實現(xiàn)與其它控制設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。

1.1 S7-200 自由協(xié)議通信指令及中斷機制

西門子S7-200 PLC 用于自由協(xié)議通信的指令主要是：數(shù)據(jù)發(fā)送指令XMT 和數(shù)據(jù)接收指令RCV。 以報文接收完成、字符接收完成、報文發(fā)送完成等中斷機制來控制數(shù)據(jù)通信是主要的手段。 以通信接口0為例，其中斷向量為：

1）向量8：通信接口0 字符接受完成；

2）向量9：通信接口0 報文發(fā)送完成；

3）向量23：通信接口0 報文接收完成；

S7-200 PLC 自由協(xié)議通信的參數(shù)需要通過PLC 內(nèi)部特殊標(biāo)志寄存器SM30、SMl30（分別對應(yīng)通信接口O、接口1）進(jìn)行設(shè)定與選擇，可設(shè)定的參數(shù)包括：奇偶校驗、字符數(shù)據(jù)的位數(shù)、通信速率、通信協(xié)議。

1.2 通信過程的控制與檢測

S7-200 PLC 通信過程的控制與檢測需要通過PLC 的內(nèi)部特殊標(biāo)志寄存器進(jìn)行。用于通信控制與檢測的特殊標(biāo)志寄存器的作用與意義如表1 所示。

由表1 可知，空閑時間檢測、報文起始字符、中斷條件檢測均可作為啟動報文接受的條件，這些條件可單獨或聯(lián)合使用。結(jié)束字符、報文定時器、最大接受字符數(shù)以及接受信息校驗出錯均可獨立成為結(jié)束報文接受的條件，其中只有收到結(jié)束字符屬于正常結(jié)束。

2 S7-200PLC 自由協(xié)議通訊框架設(shè)計

2.1 通訊接口抽象

在上述技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，PLC 通訊由以下通用構(gòu)件組成：

1）通訊狀態(tài)初始化

定義各類通訊模式的相關(guān)工作參數(shù)，定義（綁定）各類通訊及相關(guān)事件的中斷向量，使能通訊任務(wù)及相關(guān)中斷。 并定義通訊協(xié)議參數(shù)。

2）通訊狀態(tài)解除定義（還原）各類通訊模式參數(shù)，解除各類通訊及相關(guān)事件的中斷向量綁定，禁止通訊及任務(wù)相關(guān)中斷。

表1 S7—200 PLC 通信過程的控制與檢測

3）報文發(fā)送

作報文發(fā)送前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作（如數(shù)制轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)計算），然后向約定的發(fā)送緩沖區(qū)施行數(shù)據(jù)填充，并執(zhí)行發(fā)送指令。 由于RS485 口通訊報文接收由硬件自動完成，故不必也不可能由軟件子程序來實現(xiàn)。 端口硬件自動完成報文接收后將產(chǎn)生中斷。

4）報文信息校驗

根據(jù)約定的算法校驗數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并將校驗結(jié)果通過入口參數(shù)返回，供調(diào)用者作針對性處理。

2.2 中斷驅(qū)動通訊流程定義

1）報文接收完成中斷服務(wù)

在完成一個數(shù)據(jù)報的接受任務(wù)后，根據(jù)約定算法和約定緩沖區(qū)中接受到的數(shù)據(jù)報，對報文進(jìn)行完整性校驗并作相應(yīng)處理，處理結(jié)束后可啟動其它通訊例程或設(shè)置通訊參數(shù)。

2）報文發(fā)送完成中斷服務(wù)

在完成一個數(shù)據(jù)報的完成任務(wù)后可啟動其它通訊例程或設(shè)置相關(guān)通訊參數(shù)。

2.3 自由協(xié)議通訊框架設(shè)計

S7-200PLC 自由協(xié)議通訊框架設(shè)計如圖1 所示。

圖1 S7-200PLC 自由協(xié)議通訊框架

該框架圖包括以下幾個部分的程序：主程序、通訊狀態(tài)初始化子程序、通訊狀態(tài)解除子程序、報文發(fā)送子程序、報文接收完成中斷程序、報文發(fā)送完成中斷程序、報文信息校驗子程序。 其中主程序是核心，在每個掃描周期均被執(zhí)行，并實施對通訊狀態(tài)初始化子程序、通訊狀態(tài)解除子程序、報文發(fā)送子程序等接口的功能調(diào)用。 當(dāng)通訊狀態(tài)初始化子程序正常執(zhí)行、 數(shù)據(jù)報接受中斷開啟并有數(shù)據(jù)報被通訊口接受，則報文接收完成中斷程序自動觸發(fā)并執(zhí)行，期間在進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗時調(diào)用報文信息校驗子程序。 當(dāng)通訊狀態(tài)初始化子程序正常執(zhí)行、數(shù)據(jù)報發(fā)送中斷開啟并正常執(zhí)行了報文發(fā)送子程序，則報文發(fā)送完成中斷程序自動觸發(fā)并執(zhí)行。

3 通訊框架有效性例證

為驗證上述通訊框架設(shè)計的有效性， 按照常規(guī)PLC 通訊技術(shù)要求設(shè)計了以下通訊案例。

3.1 功能要求

1）基本功能

通信接口：接口0；

通信變量緩沖器起始地址：VB100；

通信速率：19200bit/s；

字符數(shù)據(jù)位數(shù)：8 位；

奇偶校驗：無；

最大發(fā)送/接收字符數(shù)：100 字符；

報文開始方式：使用起始字符；

報文起始字符：空格（ASII 碼00）；

報文結(jié)束方式：使用結(jié)束字符結(jié)束報文；

報文結(jié)束字符：CR（ASII 碼0D）；

報文檢測：使用報文定時器檢測功能，最大傳輸時間為1s；定時到達(dá)后強行終止傳送。

2）校驗和

“求和”校驗碼：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)附加有“求和”校驗碼，總字符數(shù)位于用戶數(shù)據(jù)的第1 字節(jié)，“求和”校驗碼位于緩沖區(qū)的最后。 當(dāng)“求和”校驗出錯時，輸出Q1.0 指示燈亮。

3.2 通訊參數(shù)

1）中斷子程序設(shè)計

中斷程序INT0：報文接收完成（綁定中斷向量23）中斷程序。在報文接收后調(diào)用“求和”校驗功能SBR1。校驗結(jié)果正確，則啟動延時定時中斷INT2。

中斷程序INT1:回傳報文完成（綁定中斷向量9）中斷程序。 回傳報文完成后，重新啟動報文接收INT0 的中斷使能。

中斷程序INT2：定時（綁定中斷向量10）中斷程序。延時定時5ms后，啟動回傳報文中斷INT1。

2）報文格式設(shè)計

VB100：發(fā)送或接受的字節(jié)數(shù)；

VB101：起始字符；

VB102：用戶數(shù)據(jù)總字符數(shù)；

VB103 ～VBn：用戶數(shù)據(jù)；

VBn+1：“求和”校驗碼；

VBn+2：結(jié)束字符。

3）標(biāo)志寄存器的值設(shè)置

①數(shù)據(jù)通信內(nèi)部特殊標(biāo)志寄存器的值。

SM30=05H（字符位數(shù)8 位， 不使用奇偶校驗功能，無協(xié)議通信方式，波特率19.2kbit/s）；

SM87=ECH（數(shù)據(jù)接受允許，使用起始、結(jié)束字符與報文定時器檢測功能，生效報文定時器）；

SMB89=0DH(結(jié)束字符為CR)；

SMW92=1000(報文定時器時間為ls)：

SMB94=100(最大發(fā)送／接收字符數(shù)為100)。

②定時中斷內(nèi)部特殊標(biāo)志寄存器的值。

SMB34=5(定時中斷定時為5ms)。

3.3 例證結(jié)果

通過上面的例證參數(shù)設(shè)計，S7-200 的通信接口0 在接受到數(shù)據(jù)并經(jīng)過校驗后延時5ms 即發(fā)回發(fā)送端。 發(fā)送端使用PC 機的com0 作為通訊口，在通訊工具軟件上執(zhí)行發(fā)送（計算好的校驗和需作為最后的發(fā)送字符），可實時回顯數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

針對PLC 通訊應(yīng)用的靈活性和最大程度降低開發(fā)、 維護(hù)成本的要求，在對通用型西門子S7-200 小型PLC 的RS485 口自由協(xié)議通訊機制深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于自由協(xié)議的S7-200 通訊框架。例證表明，在該框架下的通訊程序開發(fā)方式具有標(biāo)準(zhǔn)一致、效率高、易于復(fù)用性、維護(hù)簡便等特點，在PLC 通訊領(lǐng)域應(yīng)用中具有借鑒和應(yīng)用的價值。

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