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。 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 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的一套專門用于高壓晶閘管閥溫升檢測試驗的測控裝置。考慮到PLC及其網絡已被公認為現代測控裝置開發的幾大支柱之一，而且從近幾年的統計數字來看，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，同時也為實現系統控制功能的二次開發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。 測控裝置的物理結構分為兩部分：操作控制臺和試區控制箱。其中，試區控制箱即PLC控制箱被安裝在試驗區的隔離開關框內。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、發送完成中斷、發送指令（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。可以在發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 發送指令XMT（Transmit）用于啟動自由端口模式下數據緩沖區（TBL）數據的發送，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（TBL）中的信息發送。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指令可以方便地發送1～255個字符，如果有中斷程序連接到發送結束事件上，在發送完緩沖區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。可以監視發送完成狀態位SM4.5和SM4.6的變化，而不是用中斷進行發送。數據緩沖區中的起始字符和結束字符是可選項，第一個字節的“字符數”是要發送的字節數，它本身并不發送出去。 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（TBL）中。數據緩沖區中的第一個字節用來累計接收到的字節數，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，它們為0。 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SM86～SM94（用于端口0）和SM186～SM194（用于端口1）。 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環境下的PC機通信程序 在Windows環境下，操作系統通過驅動程序控制各硬件資源，不允許用戶像在DOS環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。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（接收緩沖區的字節數）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。編程的細節這里不再詳述。 隨著工業PC機的推出，個人計算機在工業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、便于二次開發的技術特點。