基于虛擬儀器的PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
    在過(guò)程控制中，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非常分散，I／O點(diǎn)數(shù)眾多，各種儀表的工作環(huán)境非常惡劣，采用數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制顯然不可取?？紤]到過(guò)程控制中的過(guò)程參數(shù)變化不是很快，而PLC恰恰可以克服數(shù)據(jù)采集卡在過(guò)程控制中的不足，并且
具有較高的性價(jià)比，因而采取以PLC為下位機(jī)，以裝有LabVIEW軟件的工控機(jī)為上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)RS-232和RS-485串口與PLC通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析。本文根據(jù)這個(gè)思想設(shè)計(jì)了一個(gè)工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)采用西門(mén)子PLC S7-200。介紹了一種在LabVIEW 8．6平臺(tái)上開(kāi)發(fā)PC機(jī)和PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控的軟件的編程方法，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于PLC的主從式虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與自由口通信模式
1．1 PC與PLC的通信方式
    S7-200 CPU上的通信口是與RS-485兼容的9針D型連接器。PLC還提供了實(shí)現(xiàn)RS-485與PC機(jī)上RS-232相連接的PC／PPI電纜，可以方便地實(shí)現(xiàn)S7系列PLC與PC之間的硬件連接。圖1是PC與PLC通信的示意圖，利用主機(jī)上的232串口，通過(guò)RS232-RS485轉(zhuǎn)換模塊與PLC相連。系統(tǒng)中如果應(yīng)用多個(gè)PLC模塊或其他具有RS485串行通信能力的設(shè)備，亦可方便地聯(lián)網(wǎng)或構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)。

1．2 PC與PLC的通信協(xié)議
    西門(mén)子S7-200系列的PLC可以在四種通信模式下工作：PPI、MPI、PROFIBUS-DP和自由口通信模式。自由口通信模式是由用戶程序來(lái)控制CPU的串口通信。用戶可以利用發(fā)送／接收中斷、發(fā)送／接收指令來(lái)控制通信的操作，實(shí)現(xiàn)與打印機(jī)、條形碼閱讀器等設(shè)備的通信。
    本文主機(jī)與PLC之間串行通信采用的是自由通信協(xié)議。該協(xié)議采用主從結(jié)構(gòu)的通信方式，傳輸模式是RTU，適用于半雙工的RS485總線。協(xié)議規(guī)定總線上有一個(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)，每個(gè)從機(jī)分配惟一的地址。工作時(shí)可以采用命令應(yīng)答的通信方式，每一種命令幀對(duì)應(yīng)著一種應(yīng)答幀。主機(jī)向要訪問(wèn)的從機(jī)發(fā)出命令幀，地址匹配的從機(jī)做出響應(yīng)，向主機(jī)發(fā)出命令幀對(duì)應(yīng)的應(yīng)答幀。自由通信協(xié)議中，為命令幀定義了許多功能碼，不同的功能碼要求從機(jī)進(jìn)行不同的響應(yīng)。PLC在將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)后將其存儲(chǔ)在變量存儲(chǔ)區(qū)的固定區(qū)域。此時(shí)PLC的串口一直處于接收狀態(tài)，直到接收到來(lái)自上位機(jī)的讀命令后，轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，將變量存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)?？紤]到收發(fā)切換有一定的時(shí)間間隔，所以必須延遲一段時(shí)間再轉(zhuǎn)為發(fā)送數(shù)據(jù)。
1．3 自由口模式的注意事項(xiàng)
    自由口模式通信要注意以下問(wèn)題：
    (1)CPU通信口工作在自由口模式時(shí)，通信口就不支持其它通信協(xié)議。CPU停止時(shí)，自由口不能工作，編程軟件就可以與CPU通信。
    (2)此通信模式下，發(fā)送和接收指令是程序的核心指令，用戶程序不能直接控制通訊芯片而必須通過(guò)操作系統(tǒng)。
    (3)用戶程序中應(yīng)考慮電纜的切換時(shí)間。CPU接收到RS-232設(shè)備的請(qǐng)求到它發(fā)送響應(yīng)的延遲時(shí)間必須大于等于電纜的切換時(shí)間，可用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)切換延時(shí)。
    (4)在自由口模式下，通信雙方的通信參數(shù)是由用戶自行設(shè)定的，通信雙方的波特率一定要設(shè)置相同。另外，在PLC網(wǎng)絡(luò)中主站個(gè)數(shù)越少，通信速度越快：波特率越大，通信速度也越快，但抗干擾能力降低。因此對(duì)于本系統(tǒng)這種單主站的網(wǎng)絡(luò)，要注意波特率不宜設(shè)置得過(guò)大。

2 虛擬儀器程序設(shè)計(jì)
    LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，功能強(qiáng)大、靈活，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域。
    在LabVIEW編程語(yǔ)言中串口通信采用虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)VISA (Virtual Instrument Software Architecture)標(biāo)準(zhǔn)編程。VISA是儀器驅(qū)動(dòng)的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部是一個(gè)面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)使得VISA和在它之前的I／O控制軟件相比，在接口無(wú)關(guān)性、可擴(kuò)展性方面都有很大提高。VISA標(biāo)準(zhǔn)的推出，統(tǒng)一了儀器工業(yè)的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，使得儀器驅(qū)動(dòng)程序兼容性強(qiáng)并且可適應(yīng)未來(lái)軟硬件的發(fā)展需要。
2．1 LabVIEW中的串口通信函數(shù)
    (1)VISA配置串口。該函數(shù)主要用于串口的初始化。主要參數(shù)如圖2所示。

    其中“VISA資源名稱”指定要打開(kāi)的資源。該控件也可指定會(huì)話句柄和類(lèi)。“波特率”是傳輸速率，默認(rèn)值為9600。“數(shù)據(jù)比特”是輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)，默認(rèn)值為8。“奇偶”指定要傳輸或接收的每一幀所使用的奇偶校驗(yàn)。“停止位”指定用于表示幀結(jié)束的停止位的數(shù)量。“流控制”設(shè)置傳輸機(jī)制使用的控制類(lèi)型。“VISA資源名稱輸出”是由VISA函數(shù)返回的VISA資源名稱的副本。
    (2)VISA讀取函數(shù)。該函數(shù)為串口讀取子程序，從串行設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供條件。主要參數(shù)如圖3。

    其中“字節(jié)總數(shù)”是要讀取的字節(jié)數(shù)量。“讀取緩沖區(qū)”包含從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)。“返回?cái)?shù)”包含實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。
    (3)VISA寫(xiě)入函數(shù)。該函數(shù)為串口寫(xiě)子程序，用于對(duì)串口設(shè)備進(jìn)行寫(xiě)操作。主要參數(shù)如圖4所示。

    其中“寫(xiě)入緩沖區(qū)”包含要寫(xiě)入設(shè)備的數(shù)據(jù)。“返回?cái)?shù)”包含實(shí)際寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)。
    此外，LabVIEW中與串口通信有關(guān)的還有VISA關(guān)閉函數(shù)與VISA串口字節(jié)數(shù)函數(shù)，分別用于關(guān)閉串行設(shè)備的任務(wù)或事件和計(jì)算進(jìn)入串口緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。
2．2 LabVIEW與PLC串口通信實(shí)現(xiàn)
    按照通信協(xié)議使用專用的九芯插頭和PC／PPI電纜，將PC機(jī)的COM1口與S7-200的自由通信口直接連接。由于電纜上帶有RS-232／RS485電平轉(zhuǎn)換器，連接十分方便。LabVIEW進(jìn)行串口通信的基本步驟為：
    (1)初始化端口。利用VISA配置串口函數(shù)設(shè)定進(jìn)行串口通信的端口號(hào)、波特率、停止位、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位。
    (2)讀寫(xiě)端口。利用VISA讀串口函數(shù)和VISA寫(xiě)串口函數(shù)從串口中讀入或輸出數(shù)據(jù)。由于LabVIEW的串行通信子程序只允許對(duì)字符串的讀寫(xiě)，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須進(jìn)行字符串與數(shù)字之間的正確轉(zhuǎn)換。
    (3)關(guān)閉端口。當(dāng)對(duì)串口操作完成后，需要關(guān)閉串口，以釋放硬件資源。

3 串口通信實(shí)現(xiàn)
    按照上述過(guò)程，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)程序，程序框圖與前面板分別如圖5、圖6所示。

    其中PC機(jī)與PLC串口通信程序結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分：
    (1)串口初始化。根據(jù)通信協(xié)議設(shè)定，通信端口：COM1，波特率：9600bps，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，無(wú)軟件握手協(xié)議。
    (2)發(fā)送命令和讀取響應(yīng)將命令通過(guò)串口COM1發(fā)給PLC，并接收來(lái)自PLC的響應(yīng)信息，如果響應(yīng)正常(狀態(tài)信息為O1或02)，就將所得數(shù)據(jù)做顯示、計(jì)算分析、存儲(chǔ)等后續(xù)處理，以便用于設(shè)備實(shí)時(shí)控制和在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)；如果響應(yīng)不正常則退出程序(03或04)，用戶重新輸入命令開(kāi)始工作。
    (3)關(guān)閉串口。調(diào)用LabVIEW提供的VISA關(guān)閉串口函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口資源的釋放。
    當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，LabVIEW首先向PLC發(fā)出一個(gè)讀請(qǐng)求，然后檢測(cè)輸入緩存中的字節(jié)數(shù)；當(dāng)達(dá)到預(yù)定字節(jié)數(shù)時(shí)，LabVIEW利用讀串口函數(shù)將輸入緩存中的字節(jié)一次性讀出，然后繼續(xù)發(fā)出一個(gè)讀請(qǐng)求到PLC。如此循環(huán)，直至結(jié)束。本程序還采用了狀態(tài)機(jī)的方法進(jìn)行狀態(tài)的判斷和選擇。

4 結(jié)論
    PLC自由口通信方式具有與外圍設(shè)備通信方便、自由，易于微機(jī)控制等特點(diǎn)，這一通信方式被越來(lái)越多的監(jiān)控系統(tǒng)所采用。利用PC機(jī)或工控機(jī)的串口，按照自由通信協(xié)議，結(jié)合地址映射技術(shù)在LabVIEW平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出串行通信模塊，可以很方便地實(shí)現(xiàn)主機(jī)與PLC的串行通信，對(duì)PLC的內(nèi)存單元進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的監(jiān)控。本文所提出的設(shè)計(jì)能夠方便地應(yīng)用于基于PLC的工業(yè)監(jiān)控，具有開(kāi)發(fā)方便、擴(kuò)展靈活的優(yōu)點(diǎn)。