PC与PLC的通信系统（下位机）设计 毕业设计.doc

东华理工大学长江学院毕业设计（论文）中文题目 PC与PLC的通信系统（下位机）英文题目 PC and PLC communications system (lower position machine) 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 摘要PC与PLC的通信系统（下位机）摘 要计算机技术在其发展过程中形成两个重要分支：通用计算机领域，现在以PC机为代表，着重发展海量高速数值运算技术，而其控制能力是有限的；嵌入式计算机领域，现在以PLC为代表，着重发展计算机的控制技术，而其计算机速度是有限的。在目前的许多实时工业控制和数据采集系统中，常常采用PC机做上位机和多个PLC做下位机的主从式系统。在主从分布式控制系统中，PLC主要完成实时数据采集，被采集数据经初步处理后通过串口传送给主机。主机将从机发送来的数据进行处理后随时向用户提供各种统计报表和整个控制过程的具体数据。主机同时根据从从机接收的过程参数进行判断处理并给从机(PLC)发送各种控制命令。它既利用了PLC的价格低、功能强、抗干扰能力强、温限宽和面向控制等优点，又利用PC机操作系统的高级用户界面、多任务、自动内存管理等特点。PLC与微机的串行通信可以弥补PLC在数据处理方面的不足和PC机在控制方面的欠缺。本文论述了其中一个分支:嵌入式计算机即PLC,分析PLC通信方式,对PLC通信系统进行设计开发，且详细介绍了PLC的结构特点、通信接口的功能,PLC自由口通信的原理及过程。 关键词自由口通信； PC； PLC 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTThe abstract computer technology forms two important branches in its developing process: The general-purpose calculator domain, now take PC machine as representative, develops the magnanimous high speed value operation technology emphatically, but its control is limited; The embedded computer domain, now take PLC as representative, develops the computer control technology emphatically, but its computer speed is limited.In the present many real-time industry control and in the data acquisition system, uses PC machine to make the position machine frequently and many PLC is the lower position machine host from the type system.In the host from the distributional control system, the monolithic integrated circuit mainly completes real-time data gathering, is gathered the data to transmit after preliminary processing through the serial port for the main engine.The main engine will carry on processing after machine the transmission data as necessary to provide each kind of statistical report form and the entire controlled process concrete data to the user.At the same time the main engine acts according to the high machine receive the process parameter to carry on judgment processing and for transmits each kind of control command from machine (PLC).It both used the PLC price lowly, the function strong, antijamming ability strong, warm has limited affable face merits and so on control, and used PC machine characteristics and so on operating system high-quality user interface, multi-duties, automatic memory management.PLC and the microcomputer serial communication may make up PLC in the data processing aspect insufficiency with PC machine in control aspect being short of. This article elaborated branch: The embedded computer is PLC, analyzes the PLC mailing address, carries on the design development to the PLC communications system, also introduced the PLC unique feature, the correspondence connection function in detail, the PLC free mouth correspondence principle and the process. Key wordsfree mouth correspondence; PC; PLC 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 目录目 录0. 绪论10.1 课题背景10.2 课题现状10.3设计任务11. PC与PLC的通信系统总体设计方案211 设计方案21.2 PLC的通信原理31.2.1 PC与PLC实现通信的方法31.2.2 PLC与PC的通信方式41.2.3 PC机与PLC通信的接口42. PC与PLC的通信系统下位机硬件设计82.1 PLC硬件介绍82.1.1 中央处理单元（CPU）92.1.2 存储器102.1.3 输入/输出单元102.1.4 通信接口132.1.5 智能接口模块142.1.6 编程装置142.1.7 电源152.1.8 其它外部设备152.2 PLC的选型163. PC与PLC的通信系统下位机软件系统设计173.1 PLC的软件组成173.2 PLC与PC机之间的通信协议193.3 PLC自由口通信及通信指令223.4 PLC通信程序设计233.4.1 PLC程序执行过程233.4.2 PLC寄存器地址分配243.4.2 主程序283.4.3 Read子程序293.4.4Write子程序313.4.5Verify子程序333.4.6Initialize子程序343.4.7RCVcomplete中断程序363.4.8XMTcomplete中断程序36总结38致 谢39附录41东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 绪论1东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 绪论0. 绪论0.1 课题背景为了便于对工业设备的运作进行进行统一监控，生产上经常需要通过一台PC与多台PLC进行数据交换，特别是通过PLC将现场设备的一些关键参数传输到PC上并显示出来，为了迎合顾客的这个需求，各大PLC生产厂家都花大力气开发出了一系列以各类协议为基准的功能强大的管理监控软件，譬如西门子公司开发的WINCC应用软件，其功能就令人眼花缭乱。但是同时应该指出的是，这些软件大都价格高昂，而且其繁多的功能在许多小规模的生产场合或是教学使用上也并不十分必要，种种实际因素的限制使得该买这些软件对很大一部分用户来说是不合算的，在这样的背景下，开发一个简单实用的通信系统就体现出一定的价值。0.2 课题现状现代化集中管理需要对现场数据进行统计、分析、制表、打印、绘图、报警等，同时，又要求对现场装置进行实时控制，完成各种规定操作，达到集中管理的目的。加之PLC难以进行复杂的数据处理，因此在功能比较复杂的数据处理。因此在功能比较复杂的控制系统中，通常以PC机为上位机，PLC为下位机，由PLC完成数据的采集及对装置的控制，而由上位机完成各种复杂的数据处理及对PLC的控制。0.3设计任务设计主要包括2个方面的内容：如何实现PLC和PC机的串口连接；如何编写PLC和PC端的数据收发程序。针对以上内容，设计的功能模块分为以下2个方面：上位机（即PC机）下位机（即PLC）：本文设计的下位机要实现根据上位机的指令进行数据发送和接收。46 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） PC与PLC的通信系统总体设计方案1. PC与PLC的通信系统总体设计方案11 设计方案在工业控制系统中,各种数据的采集和执行机构的控制都是由下位机或探测站来完成。由于PLC积小、价格低廉、可应用于恶劣工业环境的特点,在分布式控制系统中大多采用PLC下位机来进行数据采集和现场控制。在这些应用中,PLC控对象底层。而对采集到的数据进行进一步分析和处理的工作是由功能强大的主控PC机来完成的。因此,PC机和PLC有着大量的数据交换。8PC与PLC连接方式(1) 点对点结构的连接方式,称为1:1HOST Link通信方式1:1 HOST Link通信时，上位机发出指令信息给PLC，PLC返回响应信息给上位机。这时，上位机可以监视PL还可以在线修改PLC的某些设定值和当前值，改写PLC的用户程序等。C的工作状态，例如可跟踪监测、进行故障报警、采集PLC控制系统中的某些数据等。(2) 多点结构的连接方式，称为1:N HOST Link通信方式，一台上位机最多可以连接32台PLC。利用1:N HOST Link通信方式，可以用一台上位机监控多台PLC的工作状态，实现集散控制。本系统使用的就式多点结构的连接方式,如图1-1.1键盘PC机CRTRS-232接口电路PLC#1PLC#3PLC#2RS-485RS-485RS-485图1-1 PLC与PC机通信原理框图由于RS-232和RS485无法直接连接,我们采用PC/PPI电缆实现,当数据从RS-232传送到RS-485口时,PC/PPI电缆时发送模式;当数据从RS-485传送到RS-232口时,到RS-232的发送线有PC/PPI电缆时接收模式。当检测字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。当RS-232发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式。1.2 PLC的通信原理PLC通信的任务就是将工控机、各现场设备，通过通信介质连接起来，按照我们自己规定的通信协议，以特定的通信方式完成数据的传送、交换和处理。其通信过程简单，可操作性强，下面就其通信原理作一说明1.2.1 PC与PLC实现通信的方法把PC连入PLC应用系统,提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术等多种功能，为PLC应用系统提供良好、物美价廉的人机界面。为了实现PC与PLC的通信，如图1-2我们做了如下工作： （1）判别PC上配置的通信口是否与要连入的PLC匹配。（2）定义自由端口协议（3）选择Windows操作系统提供的软件平台，利用VB编制与PLC交换的数据编制用户要求的画面2工业控制计算机VB MSComm控件可编程序控制器RCVXMT PORTCOM口PORT 0图1-2 PC与PLC通信方法1.2.2 PLC与PC的通信方式（1）串行通信S7-200 PLC与工控机的通信方式是属于串行通信，以二进制的位（bit）为单位进行数据传输方式，每次只传送一位，除了地线外，在一个数据传输方向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作为通信联络控制线，数据和联络信号在这根线上按位进行传送。串行通信需要的信号线少，最少的只需要两三根线，适用于距离较远的场合。工控机和PLC都备有通用的串行通信接口，工业控制中一般使用串行通信。串行通信多用于PLC与工控机之间、多台PLC之间的数据通信。 （2） 半双工通信S7-200 PLC与工控机通信的时候，只用同一根线或同一组线接收和发送数据，通信的双方在同一时刻只能发送数据或接收数据，即半双工方式。（3） 异步通信在S7-200 PLC与工控机串行通信中，通信的速率与时钟脉冲有关，接收方和发送方的传送速率应相同，但是实际的发送速率与接收速率之间总是有一些微小的差别，如果不采取一定的措施，在连续传送大量的信息时，将会因积累误差造成错位，使接收方收到错误的信息。为了解决这一问题，需要使发送和接收同步。尽管同步通信方式不需要在每个数据字符中加起始位、停止位和奇偶校验位，只需要在数据块（往往很长）之前加一两个同步字符，传输效率高，对硬件的要求较高，一般用于高速通信。异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输效率较低，但是对硬件的要求较低符合S7-200 PLC与工控机的实际需要。1.2.3 PC机与PLC通信的接口在串行通信时，要求通信双方都采用以个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。在设计通信接口时一般都采用标准口以提高其通用性。本系统中，上、下位机进行通信首先面临的问题就是通信标准选择问题。(1)PC通信接口PC拥有并行通信口和串行通信口，与PLC通信的串行通信口接口标准为RS-232。RS-232C接口标准是目前工控机和PLC中最常用的一种串行通信接口。RS232C标准规定了在串行通信时，数据终端设备和数据通信设备之间的接口信号。其中常用信号的名称、引脚号以及功能如表1-1所示。3表1-1 RS-232C常用信号定义引脚号信号名称简称信号功能说明2发送数据TxDDTE向DCE发送串行数据3接收数据RxDDTE向DCE接收串行数据4请求发送RTS请求通信设备切换到发送方向5清除发送CTS响应DTE请求，提示DSE开始发送6数据设备就绪DSRDSE通信设备就绪7信号地SG整个电路的公共信号地8数据载波检测DCDDCE收到载波20数据终端就绪DTRDTE终端设备就绪22振铃RI通信线路上由振铃RS-232的电气特性：RS-232采用的时负逻辑工作，即逻辑“1”用负电压（315V）表示，逻辑“0”用正电压（315V）表示。介于3V和3V之间以及低于15V或者高于15V的电压没有意义。实际工作时，应保证电平在（515）V之间。由于RS232C时用正负电压来表示逻辑状态，与以高低电平表示逻辑状态的TTL不同。为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，比寻进行电平和逻辑状态关系的转换目前使用较为广泛的时集成电路转换器件，如MC1488和MC1489。(2)PLC通信接口PLC通信采用串行异步通信，其串行通信接口标准为RS-485。RS-485是RS-422的变形，RS-422A是全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收，所以采用RS422接口通信时最少需要4根线。RS-485为半双工，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收，最少只需二根连线。如图1-3所示使用RS-485通信接口和双绞线可组成串行通信网络，构成分布式系统，系统最多可连接128个站。图1-3 采用RS-485的网络RS-485的逻辑“1”以两线间的电压差为+（26）V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。由于RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性、高传输速率（10Mbps）、长的传输距离（1200m）和多站能力（最多128站）等优点，所以在工业控制中广泛应用。RS485接口一般采用使用9针的D型连接器。普通微机一般不配备RS-422和RS-485接口，但工业控制微机基本上都有配置。如图1-4所示RS232C/RS422转换器的电路原理图。图1-4 RS232C/RS422转换器的电路原理图本系统中，PC为RS232C接口,S7-200系列PLC为RS485,因此PC的RS232接口必须先通过RS232/RS485转换器，再与PLC通信端口相连接，连接媒质可以是双绞线或电缆线。西门子公司提供的IPC/PPI电缆带有RS232/RS485转换器，可直接采用PC/PPI电缆，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC的连接，如图1-5所示。也可实现多点连接。PCRS232接口RS232/ RS485转换器S7-200 PLCRS485接口图1-5 IPC与S7-200系列PLC的连接东华理工大学长江学院毕业设计（论文） PC与PLC的通信系统下位机硬件设计2. PC与PLC的通信系统下位机硬件设计2.1 PLC硬件介绍PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图2-1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2-2所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。4图2-1 整体式PLC组成框图图2-2 模块式PLC组成框图尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。2.1.1 中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8 个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：1）接收从编程器输入的用户程序和数据。2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。2.1.2 存储器存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC 的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。 工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。2.1.3 输入/输出单元 输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图2-3所示。图2-3开关量输入接口a）直流输入 b）交流输入 c）交/直流输入常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图2-4所示。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。a）继电器输出 b）晶体管输出 c）晶闸管输出图2-4 开关量输出接口PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/ 输出（I/O）点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。2.1.4 通信接口 PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。 与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。2.1.5 智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等2.1.6 编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序。智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。2.1.7 电源 PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15% 的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。 PLC中的电源一般有三类： 1、+5V、15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源；3、锂电池及其充电电源。考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常根据其I/O点的数量将 PLC分为三大类：小型机：256点以下（无模拟量）；中型机：256 2048点（64 128路模拟量）；大型机：2048点以上（128 512路模拟量）。具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份。2.1.8 其它外部设备除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好用户程序不易丢失，经常用EPROM写入器将PLC内RAM保存到EPROM中。PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器作成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其它智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。人/机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型CRT人/机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为独立的节点接入PLC网络。2.2 PLC的选型近年来，自动化网络的应运得到了迅速的发展，相当多的自动化系统已经在大量地使用PLC，工控机与PLC的网络通信广泛运用于工业自动化领域。将不同设备连在一个网络上，相互之间进行数据通信，进行集中管理，实现高度自动化的同时降低运营成本，已经是设计系统时必须考虑的问题。现高度自动化，我们采用试验系统的工控机与PLC通讯，上位机实现监视控制作用，PLC控制现场的目的。试验系统的通信方式我们采用了比较方便的自由端口模式。上位机和下位机分别编制了相应的通信软件后，只用接PC/PPI电缆连接便可实现通信。我们研究的PLC和PC的通信系统要求总线上所挂结点大于100个,所以根据表2-1我们选用CPU 226可以达到我们的需求。5 表2-1 S7-200 CPU选型数据CPU型号CPU 221CPU 222CPU 224CPU 224XPCPU 226技术数据本机数字量I/O点数6入/4出8入/6出14入/10出14入/10出24入/16出本机模拟量I/O点数-2入/1出-扩展模块数量-2777RS-485通信端口11122东华理工大学长江学院毕业设计（论文） PC与PLC的通信系统下位机软件系统设计 PC与PLC的通信系统下位机软件系统设计3.1 PLC的软件组成PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式编程语言，如梯形图等。6以下简要介绍几种常见的PLC编程语言。（1）梯形图语言梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。如图3-1所示是传统的电器控制线路图和PLC梯形图。a） 电器控制线路图 b）PLC梯形图图3-1 电器控制线路图与梯形图从图中可看出，两种图基本表示思想是一致的，具体表达方式有一定区别。PLC的梯形图使用的是内部继电器，定时计数器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原电器控制线路硬接线无法比拟的。（2）语句表语言这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。在PLC应用中，经常采用简易编程器，而这种编程器中没有CRT屏幕显示，或没有较大的液晶屏幕显示。因此，就用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述出来，再通过简易编程器输入到PLC中。虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同，但基本功能相差无几。以下是与表2中梯形图对应的语句表程序。10表3-1语句表程序 步序号指令数据 0LDX1 1ORY02ANIX2 3OUTY0 4LDX3 5OUTY1可以看出，语句是语句表程序的基本单元，每个语句和微机一样也由地址（步序号）、操作码（指令）和操作数（数据）三部分组成。 （3）逻辑图语言逻辑图是一种类似于数字逻辑电路结构的编程语言，由与门、或门、非门、定时器、计数器、触发器等逻辑符号组成。有数字电路基础的电气技术人员较容易掌握，如图3-2 所示。图3-2 逻辑图语言编程 （4）功能表图语言功能表图语言（SFC语言）是一种较新的编程方法，又称状态转移图语言。它将一个完整的控制过程分为若干阶段，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。是用功能表图的方式来表达一个控制过程，对于顺序控制系统特别适用。（5）高级语言随着PLC技术的发展，为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言无法很好地满足要求。近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高级语言，如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。采用高级语言后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC，使PLC的各种功能得到更好的发挥。3.2 PLC与PC机之间的通信协议本系统采用的PLC是德国SIEMENS公司生产的S7-200系列，主模块采用CPU226，扩展模块采用数字量扩展模块EM222和模拟量扩展模块EM235。7S7-200系列CPU具有强大的通信能力。主要支持以下几种协议：1PI(Point-to-Point)协议,即点到点接口协议。PPI是一个主/从协议，主站(其它CPU或SIMATIC编程器)给从站发送申请，从站进行响应。从站不初始化信息，只响应主站的申请或查询。如果在用户程序中允许PPI主站模式，S7-200 CPU在RUN模式下可以作为主站，还可以利用网络读(NETR)和网络写(NETW)指令读写其他CPU，同时也能够作为从站响应来自其它主站的申请。采用PPI协议的网络中最多只能有32个主站。该协议主要是用来编程、PPI组网等2MPI(Multi-Point)协议,即多点接口协议。MPI可以是主/主协议或主/从协议，协议如何操作依赖于设备类型（设备是S7-200系列CPU时建立主/从连接）。MPI总在两个相互通信的设备之间建立连接，其它主站不能干涉两个设备之间已建立的连接。由于S7-200的连接是非公用的，并且需要CPU中的资源，每个S7-200 CPU只能支持4个连接，每个EM277模块支持6个连接。在使用时，每个S7-200 CPU和EM277模块保留两个连接，分别用于连接SIMATIC编程器（或计算机）以及操作面板。这些保留连接不能被其它类型的主站使用。3ROFIBUS协议。PROFIBUS协议设计用于分布式I/O设备(远程I/O)的高速通信。PROFIBUS网络通常有一个主站和几个I/O从站，主站配置成知道所连接的I/O从站的型号和地址。主站初始化网络并核对网络上的从站设备和配置中的是否匹配。主站连续的把输出数据写到从站并从它们读取输入数据。4户自定义协议(自由口协议)。自由口协议可以由用户定义通讯协议，通过用户程序控制S7-200通信口的操作模式，将CPU与任意通讯协议公开的设备联网，如上位计算机、打印机、变频器等。用户程序通过使用接收中断、发送中断、发送指令(XMT)和接收指令(RCV)来控制通信口的操作。在自由口模式下，通信协议完全由用户程序控制。用户程序通过设置SMB30(0口)允许自由口模式，而且只有在CPU处于RUN模式时才能允许。当CPU处于STOP模式时，自由口通信停止，通信口转换成正常的PPI协议操作。PC/PPI电缆支持波特率设置，利用PC/PPI电缆盒上的DIP开关可以配置所需的波特率。波特率和开关位置的对应关系如表3-2所示：11表3-2 波特率开关位置对应表波特率38400192009600480024001200600300开关（1上）000001010011100101110111当数据从RS-232传送到RS-485口时，PC与PPI电缆使发送模式。当数据从RS-485传送到RS-232口时，PC/PPI电缆使接收模式。当检测到RS-232的发送线有字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。当RS-232发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式。这个时间与电缆上的DIP开关设定的波特率选择有关，如表3-3所示表3-3 PC与PP电缆转换时间（发送模式到接收模式）波特率38400192009600480024001200600转换时间（ms）0.512471428在使用自由口的系统中使用PC/PPI电缆时，必须在PLC CPU的用户程序中包含转换时间。PLC CPU在接收到RS-232设备的申请信息后，PLC CPU的发送信息响应必须延迟超过或等于电缆的切换时间。RS-232设备在接收到RS-232设备的申请信息后，PLC CPU的下一次申请信息的发出必须延迟超过或等于电缆的切换时间。在以上两种情况中，需要通过延迟使PC/PPI电缆有足够的时间从发送模式切换到接收模式，以便于数据从RS-485口传送到RS-232口。PLC在接到上位机指令后，将发送一个21字节长反馈信息（1）起始字符 起始字符标志着反馈信息的开始，在本例中被定义为ASCII码的g，不同的PLC从站可以定义不同的起始字符，这样上位机可以根据信息的起始字符来判断反馈信息的来源。 （2）状态信息 该字节包含指令执行的状态信息，在本例中 01H 代表 读取正确 02H 代表 写入正确 03H 代表 BCC校验码错误 04H 代表 指令不合法（3）数据区 反馈信息的B3到B18为读指令所要读取的数据，以十六进制ASCII码表示。 （4）BCC校验码 与上位机指令中的BCC校验码类似，它是反馈信息B3到B18的异或和。 （5）结束字符 结束字符标志着反馈信息的结束，在本例中被定义为26H。起始字符状态信息数据区BCC校验结束字符图 3-3 PLC反馈指令格式表 3-4 下位机反馈信息Byte0起始字符Byte1状态信息Byte2数据区（十六进制ASCII码）Byte3Byte4Byte5Byte6Byte7Byte8Byte9Byte10Byte11Byte12Byte13Byte14Byte15Byte16Byte17Byte18BCC校验码（十六进制ASCII码）Byte19Byte20结束字符3.3 PLC自由口通信及通信指令在该通信方式下，通信端口完全由用户程序所控制，通信协议也由用户设定。PC机与PLC之间是主从关系，IPC机始终处于主导地位。PLC的通信编程首先是对串口初始化，对S7-200PLC的初始化是通过对特殊标志位SMB30（端口0）、SMB130（端口1）写入通信控制字，设置通信的波特率，奇偶校验位、停止位和字符长度。显然，这些设定必须与PC的设定相一致。SMB30和SMB130的各位及含义如图3-4：PPDBBBMM校验方式 字符长度 波特率 通信协议图3-4 通信控制字的定义其中，校验方式：00和11均为无校验、01为偶校验、10为奇校验；字符长度：0为传送字符有效数据是8位、1为有效数据是7位；波特率：000为38400baud、001为19200baud、010为9600baud、011为4800baud、100为2400baud、101为1200baud、110为600baud、111为300baud；通信协议：00为PPI协议从站模式、01为自由口协议、10为PPI协议主站模式、11为保留，缺省设置为PPI协议从站模式。XMT及RCV命令分别用于PLC向外界发送与接收数据。当PLC处于RUN状态下时，通信