上位计算机与PLC的串行通讯.doc

油田集散控制系统中上位计算机与PLC的串行通讯郭明金 姜德生 周登科 魏仁选 摘要：本文介绍了油田集散控制系统的总体结构及其通讯网络结构,并且结合OMRON C200Ha系列可编程控制器的特点，详细阐述了下位机PLC的串行通讯机制以及其与上位机通讯程序的设计方法。关键词：可编程控制器；上位机；串行通讯；OMRON C200Ha。中图分类号：TP273，TN919.1 文献标识码：A 文章编号：1006-883X(2002)12-0019-04一、引言PLC以其结构小巧、运行速度高、抗干扰能力强、通用性好、价格低廉以及多种集成功能等优点在工业控制领域内应用十分广泛1。在油田集散控制系统中，用一台高档计算机（上位机）去监控下位机PLC，既能保证系统的性能，又能使系统操作简便，实现生产现场的状态监测、报警显示、报表打印。系统总体结构图如图1。PLC与微机之间通讯的可靠与否直接关系到数据的准确和生产的安全，因此，解决好PLC与微机之间的互联通讯技术，是该系统的关键。二、通讯网络结构上位连接系统是以一台高档计算机作上位机，数台OMRON C200Ha系列可编程控制器作下位机，通过HOST LINK单元及串行总线互连而成的监控系统。上位链接系统根据通讯信道是电缆还是光缆可分为：光缆上位连接系统、RS 232总线上位连接系统和RS 422上位连接系统，同时按结构可分为菊花链结构、适配器结构和多级树状结构2。本系统中三相分离控制站IPC与三台PLC的通讯采用了RS 422型适配器结构，如图2所示。由于1:3的通讯方式，需要设置地址，因此下位机只能采用RS 422标准，而不能采用RS 232标准，并且三相分离器PLC1、PLC2和稳定塔PLC 上都安装了一块C200H-LK202-V1 HOST LINK 模块，各个PLC通过三端口RS 422适配器3G2A9 AL001相连，然后经过RS 232适配器3G2A9 AL004转换后，连接至工控机的串口。原油外输IPC与外输PLC的通讯，由于只有一台PLC，可采用点对点的RS232通讯方式，用一根电缆将工控机与PLC 的CPU单元上的自带的RS232口相连即可。三、PLC与上位机的通讯1、PLC参数的设置上位链接单元C200H-LK202-V1的面板上有4个参数设置开关SW1、SW2、SW3、SW4。SW1和SW2 用于设置该上位链接单元的设备号，SW1表示十位，SW2表示个位。设备号又称站号，取值范围0031。本系统中三相分离PLC1站号为00，三相分离PLC2站号为01，稳定塔PLC站号为02，外输PLC站号为03。开关SW3用来选择通信波特率，其对应关系如表1所示。四台PLC 的SW3均设为5，即9600bps。SW4用来设置命令级和奇偶校验格式。四台PLC将SW4全设置为0，即命令级1、偶校验、异步数据格式、ASCII码、1位启动位、7位数据位、1位偶校验位、2位停止位。表1 开关SW3与波特率的对应关系SW3设置0123456波特率(bps)3006001200240048009600192002、通讯原理上位连接系统是一种主从式工业局域网，它以上位机作为主站，其它所有连入该网的PLC均为从站。主站采用轮询方式，按一定的顺序逐个与各从站通讯，所有的数据交换只能在主站和从站之间进行，从站之间不能直接交换数据，如果从站之间需要交换数据，必须通过主站中转。当上位机采用轮询方式分配总线的使用权，建立起主站和某一从站的联系后，再采用应答方式通讯。主站向从站发送数据，或从从站中读取数据都是主站主动以命令帧的形式发出，对于主站发来的命令帧，从站以响应帧响应，如果命令帧很长，要分成几帧发送。主站与某一从站交换命令帧和响应帧的过程如图3所示。只有顺利完成命令帧和响应帧的应答，要交换的数据才能顺利到达对方3。3、通讯协议要使上位机与上位连接单元之间正确地交换数据，必须确保以下几点：(1)波特率一致；(2)数据格式一致；(3)上位机严格按OMRON的专用协议编写通讯程序，只有这样PLC才能理解上位机发来的命令帧，同时上位机也才能理解PLC发回的响应帧。响应帧在PLC 的上位连接单元中自动生成，而无需用户在PLC中编写；(4)用户在上位机中编写程序时只能使用上位连接单元设置的命令级中的命令。OMRON专用通讯协议是三层协议，即物理层、数据链路层和应用层。由于编写程序是基于应用层，因此用户只须了解命令帧和响应帧的格式，只要用户编写的通讯程序发出的命令帧的格式完全符合OMRON的专用协议，PLC就一定能理解。下面分别介绍两种通讯方式。点对点（1:1）通讯系统的命令帧和响应帧的格式原油外输 IPC与外输PLC的通讯属于这种方式，命令帧和响应帧的格式如图4所示。由于点对点的通讯只有一台上位机与一台PLC通讯，信道专用，在帧的格式中不需要设备号，可靠性相对较高，因此在帧的格式中无需帧一级的校验段，提高了通讯的工作效率。 多点（1:N）通讯系统命令帧和响应帧的格式三相分离控制站IPC与三台PLC的通讯为多点通讯方式（1:3），命令帧和响应帧的格式如图5所示。该方式中信道公用，是一种主从式总线，主站依靠对各从站寻址来建立通讯，因此在命令帧中必须要有主站所寻找的目标地址，而在响应帧中也必须带上相应的设备号，以告诉主站已与哪个从站建立了联系。另外，在帧一级的校验中设置了FCS异或校验码，通过差错校验以提高信号的可靠性。PLC的FCS校验码为异或码，即发送方把所有待发送的ASCII码按位作异或运算，被校验段的所有字符从头到尾进行异或，把结果作为FCS校验码发出。而接收方把所接收到的所有ASCII码与接收到的FCS从头到尾按位作异或运算。若异或结果为0，则通讯正确，否则通讯错误，进行出错处理。同时PLC接收到上位机发来的命令帧后，经上位连接单元处理后返回一个响应帧。响应帧中包含一个响应码。若报头由两个英文字母组成，它表示通信命令，命令级分为三级共有43条命令。PLC正确执行了上位机下达的命令，则响应码为00。若发生了错误，响应码为非0，这时需要相应的出错处理。四、通讯程序的设计1、通讯口初始化本系统中通讯程序的编写采用Visual Basic，利用Visual Basic的MSComm通讯控件，并在程序中解读响应帧，然后通过动态数据交换（DDE）技术将VB中的数据传送到组态软件Kingview5.1中，实现过程参数的动画显示。使用MSComm通讯控件的第一步是建立与串行口的连接。通过设置Commport 、Settings 、PortOpen、InputMode和Output等属性来打开串行端口45。Commport 属性用于设定通讯控制及与串行口连接。格式为MSComm.Commport=PortNumber, PortNumber可以设置成从1到16的任何数（缺省值为1）。但要注意每个使用的MSComm控件对应着一个串行端口。如果应用程序要访问多个串行端口，例如应用程序需要和多个下位机PLC通讯，必须使用多个MSComm控件。Settings的属性以字符串的形式或返回串行通讯协议，该属性由四个设置值组成，形式如下“BBBB，P，D，S”，BBBB为波特率，其可选值为110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800。P为奇偶校验，N表示不校验，E表示偶校验，O表示奇校验，S表示空格校验，M表示符号校验。D为数据位数，其可选值为4, 5, 6, 7, 8。S为停止位数。其可选值为1, 1.5, 2。Settings属性值设置应根据下位机PLC来设定。本系统中通讯参数为：“9600, E, 7, 2。PortOpen的属性用于设置并返回通讯端口的状态。将PortOpen属性设置为True则打开端口，将PortOpen属性设置为False则关闭端口。InputMode的属性设置应注意设备支持不同的通讯格式，有的采用字符串格式进行通讯，有的采用字节格式进行通讯。当InputMode=ComInputModeBinary后即可采用内置Input 和Output函数在主控站与外输、内输之间进行通讯。2、通讯程序的设计本通讯系统中，用户只需编写上位机的通讯程序，不需要在PLC中编写通讯程序。PLC的上位链接单元会自动根据上位机发来的命令帧自动响应生成响应帧反送上位机，通讯程序如图6所示。五、结束语本文详细阐述了PC与PLC的通讯应用程序的设计方法，系统运行表明，该实时通讯软件运行良好，工作稳定，很好地满足了油田控制系统中实时监控的应用要求，达到了预期设计的目的，同时有效地提高了油田的自动化水平和生产效率。参考文献1. 金学波，王先忧. 基于Windows 95的PC与PLC串行通讯口程序设计J. 电气传动自动化，2001，（4）.2. 徐世许. 可编程序控制器原理应用网络M. 合肥：中国科学技术大学出版社，2000.3. 邱公伟，可编程序控制器网络通讯及应用M，清华大学出版社，2000.4. 谈士力，沈俊杰等. VB平台上PLC与微机间通讯程序设计及其应用J. 机床与液压，2001，（1）.5. 何文俊等. Visual Basic 6.0 编程实例精解M. 北京：北京希望电子出版社，2000.The Serial Communication between the Host Computer and PLC in the Oilfield Distributed ControlAbstract: This paper describes the whole structure and the communication network of Oilfield Distributed Control System. The serial communication mechanism of PLC and the design method for the communication program between PLC and PC are elaborated , referring to the characteristics of PLC architecture and programming on the OMRON C200Ha