摘要：介紹了HG-2003型溫升測控置的測控對象和結構設計。詳細討論了裝置中所采用的西門子公司的S7-200型PLC和PC機之間串行通信程序的設計與實現，即S7-200梯形圖通信程序設計與實現中的細節(jié)和難點。簡要介紹了上位PC機通信程序的設計。該通信功能的實現確保了該裝置結構簡單、可靠性高、便于二次開發(fā)。 關鍵詞：RS-232串行通信 可編程控制器 自由端口模式 數據緩沖區(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研究聯聯合開發(fā)的一套專門用于高壓晶閘管閥溫升檢測試驗的測控裝置?？紤]到PLC及其網絡已被公認為現代測控裝置開發(fā)的幾大支柱之一，而且從近幾年的統(tǒng)計數字來看，PLC產品在世界范圍內的產量、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現。PLC的三大亮點是：(1)集電控、電傳、電儀三電于一體;(2)網絡的性能價格比高;(3)可靠性高。這些亮點就使得整個測控設備結構簡單、可靠性高，同時也為實現系統(tǒng)控制功能的二次開發(fā)奠定了良好的技術基礎。本文主要討論設備中所采用的西門子公司的S7-200型PLC和PC機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構 先來介紹一下該溫升試驗測控裝置的基本工作流程。10kV電源進線經過進線框中的高壓斷路器CB和高壓隔離開關柜中的隔離開關G(用于在設備檢修或維護時形成一個明顯的斷點)后，加在10kV轉換變壓器T1上。該變壓器將三相電轉化為單相電。這主要是由于做實驗時負載電流很大，如果使用三相電源，容易造成負荷電流的不平衡從而造成試驗故障。在轉換變壓器的輸出端(二次側)連接單相溫升試驗變壓器T2。該溫升變壓器的一次側應加裝用于無功功率補償的電容柜，二次側則通過有載分接開關直接連接試驗品(即高壓晶閘管閥)進行溫升試驗。 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 電源進線柜 1 1 控制和顯示開關狀態(tài) 2 隔離開關柜 1 顯示開關狀態(tài) 3 電容柜 2 1 控制和顯示開關狀態(tài) 4 溫升試驗變壓器 1 2 溫度測量和報警信號 5 轉換變壓器 8 15 8 溫度、電量測量和開關狀態(tài) 6 高壓晶閘管閥 1 溫度測量 7 其它 2 3 輔助設備監(jiān)控信號 8 合計 10 23 13 測控裝置的物理結構分為兩部分：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區(qū)的隔離開關框內。操作控制臺即PC機人機辦是非曲直操作臺則安裝在控制室內。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：開關分合控制指示功能;設備和試品的過流、過壓、過熱報警及保護功能;各種操作連鎖功能，如電源開關柜內10kV電源斷路器和隔離開關柜內的手動隔離開關、控制室門觸點、試驗大廳門觸點間的連鎖保護功能等，并設有相關的報警提示畫面。這些功能可以避免操作順序出錯。 2 S7-200通信程序的設計與實現 2.1 PC機與S7-200的通信方式 西門子S7-200 PLC的通信功能較強，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制解調器的遠程通信方式等。在本測控裝置中，筆者采用單主站方式。在運行Windows或Windows NT操作操作的個人計算機(PC機)上安裝STEP 7-Micro/WIN32編程軟件后，PC機就可作為通信中的主站。它可與一個或多個從站相連，STEP 7-Micro/WIN 32每次和一個S7-200 CPU通信，但可以訪問網絡上的所有CPU。該通信方式的硬件配置為PLC到PC機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DIP開關設置波特率和其它配置項。它支持的波特率為9.6kbps或19,2kbps，支持的協議為PPI協議。這里并沒有使用PPI協議，而是使用PC/PPI電纜和自由端口通信功能來實現S7-200 CPU與PC機間的通信。自由端口模式是計算機或其它帶有串行通信接口的設備與S7-200 CPU之間通信的一種廉價和靈活的方法。它以用戶定義的通信協議為基礎，通過使用相關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，實現與多種智能設備的連接。
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，通信協議完全由用戶程序控制。 CPU處于STOP模式時，自由通信端口模式被禁止，CPU重新建立使用其它協議的通信，例如與編程設備的通信。只有當CPU處于RUN模式時，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的協議選擇域(mm)置1可以將通信端口設置為自由端口模式，處于該模式時不能與編程設備通信。 可以用反映CPU模塊上的工作方式開關當前位置的特殊存儲器位SM0.7來控制自由端口模式的進入。當SM0.7為1時，工作方式開關處于RUN位置，可選擇自由端口模式;當SM0.7為0時，工作方式開關處于TEM位置，應選擇PC/PPI協議模式，以便用于編程設備監(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 計算機與可編程控制器通信時，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，即計算機為主機，可編程控制器為從機;只有主機才有權主動發(fā)送請求報文，從機收到后返回響應報文。下面主要談一談編程過程中應注意的幾個問題。 首先是電纜切換時間的處理。因為使用了PC/PPI電纜，所以在S7-200 CPU的用戶程序中應考慮電纜的切換時間。S7-200 CPU接收到RS232設備的請求報文到它發(fā)送響應報文的延遲時間必須大于等于電纜的切換時間。波特率為9600bps和19200bps，電纜的切換時間分別為2ms和1ms。在梯形圖程序中可用定時中斷實現切換延時。 其次就是通信可靠性的處理，校驗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，即將每一幀中的第一個字符(不包括起始字符)到該幀中正文的最后一個字符作異或運算，并將異或的結果(展品或校驗碼)作為報文的一部分發(fā)送到接收端。接收方接收到數據后計算出所接收到的數據的展品或校驗碼，再與發(fā)送方傳過來的校驗碼比較，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、結束字符與數據字符的混淆。因為報文的起始字符和結束字符只有8位，接收到的報文數據區(qū)內出現與起始字符或結束字符相同的數據字符的機率很大，這可能會引起字符混淆?？梢栽诎l(fā)送前對數據作某種處理，例如選擇起始字符和結束字符為某些特殊的值，而將數字字符轉化為BCD碼或 ASCII碼后再發(fā)送，這樣可以避免出現上述的情況，但是會增加編程的工作量和數據傳 送的時間。 2.3 通信程序中關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據緩沖區(qū)(TBL)數據的發(fā)送，指令格式如圖1所示。通過指定的通信端口(PORT)，將存儲在數據緩沖區(qū)(TBL)中的信息發(fā)送。使ENO=0的錯誤條件：SM4.3(運行時間)，0006(間接尋址)，009(在端口0同時 XMT/RCV)，000B(在端口1同時XMT/RCV)。 XMT指令可以方便地發(fā)送1～255個字符，如果有中斷程序連接到發(fā)送結束事件上，在發(fā)送完緩沖區(qū)中的最后一個字符時，端口0會產生中斷事件9，端口1會產生中斷事件26?？梢员O(jiān)視發(fā)送完成狀態(tài)位SM4.5和SM4.6的變化，而不是用中斷進行發(fā)送。數據緩沖區(qū)中的起始字符和結束字符是可選項，第一個字節(jié)的“字符數”是要發(fā)送的字節(jié)數，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或多個字符，最多可接收255個字符。通過指令的通信端口(PORT)，將接收信息存儲在數據緩沖區(qū)(TBL)中。數據緩沖區(qū)中的第一個字節(jié)用來累計接收到的字節(jié)數，它本身不能接收到，起始字符和結束字符是可選項。如果有中斷程序連接到接收結束事件上，在接收完最后一個字符時，端口0產生中斷事件23，端口1產生中斷事件24。 使ENO=0的錯誤條件：SM86.6和SM186.6(RCV參數錯誤)，SM4.3(運行時間)，0006(音接尋址)，009(在端口0同時 XMT/RCV)，000B(在端口1同時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，而不是用中斷進行報文接收。SM86.6或SM186.6為非零時，RCV指令未被激活或接收已經結束。正在接收報文時，它們?yōu)?。 當超時或校驗錯誤時，要自動中止報文接收功能。必須為報文接收功能定義一個啟動條件和一個結束條件。 RCV指令允許通過參數設定選擇報文開始條件和報文結束條件，即設定特殊存儲器字節(jié)SM86～SM94(用于端口0)和SM186～SM194(用于端口 1)。 圖2 另外兩個比較重要的指令是獲取與設置通信口地址指令。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，并將數值放入ADDR指定的地址中。設置通信口地址指令(SET ADDR指令)用來將通信口(PORT)站地址設置為ADDR指定的數值。設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據的通信程序流程圖。 3 計算機通信程序的設計與實現 3.1 Windows環(huán)境下的PC機通信程序 在Windows環(huán)境下，操作系統(tǒng)通過驅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行底層的操作。為此，Visual Basic提供了一個串行通信控件：MSComm控件。程序員只需設置和監(jiān)視MSComm控件的屬性和事件，就可以勁易而易舉地實現串行通信。 3.2 MSComm控件的屬性 MSComm控件主要屬性如下：(1)Comm Port:設置并返回通信端口號。(2)Settings:以字符的形式設置并返回波特率、奇偶校驗位、數據位和停止位。其中字符n、o、e分別代表無校驗、奇校驗、偶校驗。(3)Port Open：設置并返回通信端口狀態(tài)。設置為Ture時，打開端口;設置為Flase時，關閉端口。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)事件驅動方式：RTHreshold屬性非0時，收到字符或傳輸線發(fā)生變化時就會產生串口事件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)屬性值，處理接收到的信息。本裝置中采用事件驅動方式。 用Visual Basic語言設計串行通信程序簡單實用，關鍵是如何形成一個友好的用戶界面。編程的細節(jié)這里不再詳述。 隨著工業(yè)PC機的推出，個人計算機在工業(yè)現場支行的可靠性問題也得到了解決。因此在各類測控設備中實現PLC和PC機間的串行通信有著重大的意義。這樣一方面有助于將個人計算機開發(fā)成簡易工作站或者工作終端，實現集中顯示、集中報警功能;另一方面也可把個人計算機開發(fā)成PLC編程終端，通過編程器接口接入 PLC網絡，進行編程、調試及監(jiān)控，并最終達到PLC測控設備結構簡單、運行可靠、維護容易、便于二次開發(fā)的技術特點。
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