《面向?qū)ο蟮臏y(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)》課件第9章

第9章可編程序控制器的通信和網(wǎng)絡(luò)9.1PLC的基本結(jié)構(gòu)

9.2西門子PLC工業(yè)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)體系

9.3S7系列PLC與其他計(jì)算機(jī)的通信9.4計(jì)算機(jī)與PLC串行通信的軟件實(shí)現(xiàn)9.5Prodave通信軟件在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中的應(yīng)用

9.1PLC的基本結(jié)構(gòu)

9.1.1PLC的基本概念

可編程序控制器(ProgrammableLogicController)簡(jiǎn)稱PLC，是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種通用自動(dòng)控制裝置。PLC控制技術(shù)的最終目標(biāo)是應(yīng)用于實(shí)踐，提高生產(chǎn)力。

PLC是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。9.1.2模塊式PLC的基本結(jié)構(gòu)

模塊式PLC主要由機(jī)架、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊組成，如圖9-1所示。各個(gè)模塊功能是獨(dú)立的，外形尺寸是統(tǒng)一的，安裝時(shí)將這些模塊插在框架上或基板上即可。它們由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行尋址連接。插入什么模塊可根據(jù)需要進(jìn)行配置。大、中型PLC多采用模塊式結(jié)構(gòu)形式。

PLC的特殊功能模塊用來(lái)完成某些特殊的任務(wù)。圖9-1PLC控制系統(tǒng)示意圖

1．CPU模塊

CPU模塊主要由微處理器(CPU芯片)和存儲(chǔ)器組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。

2．I/O模塊

I/O模塊是系統(tǒng)聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁。開關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開關(guān)、壓力繼電器等來(lái)的開關(guān)量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。開關(guān)量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。在I/O模塊中，用光耦合器、光控晶閘管、小型繼電器等器件來(lái)隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的I/O電路。I/O模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。

3．編程器

編程器用來(lái)生成用戶程序，并用它進(jìn)行編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，很不方便，現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是用編程軟件取代手持式編程器。使用編程軟件可以在計(jì)算機(jī)屏幕上直接生成和編輯梯形圖或指令表程序，并且可以實(shí)現(xiàn)不同編程語(yǔ)言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。例如西門子PLC的S7-200的編程軟件STEP7。

4．電源

PLC一般使用AC200V電源或DC24V電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同電壓等級(jí)的直流電源。小型PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器(例如接近開關(guān))提供

DC24V電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。

PLC的模塊式基本結(jié)構(gòu)，使其組成靈活，適用于多種規(guī)模的控制。其I/O模塊和I/O點(diǎn)數(shù)可調(diào)整，用戶可以充分地利用硬件提供的這種功能特點(diǎn)，在故障發(fā)生時(shí)，將故障部件及其對(duì)應(yīng)I/O模塊立即隔離，而不影響整個(gè)控制系統(tǒng)的工作。PLC的這種模塊式結(jié)構(gòu)，也利于插件的擴(kuò)充，形成功能較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以能夠適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制。

PLC通常有以下特點(diǎn)：

(1)編程方法簡(jiǎn)單、易學(xué)。

(2)功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高。

(3)硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。

(4)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

(5)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小。

(6)維修工作量小，維修方便。

(7)體積小，能耗低。如今的PLC通常向兩個(gè)方向發(fā)展：一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)、價(jià)格更低的方向發(fā)展，使PLC的使用范圍不斷擴(kuò)大；二是向大型化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能方向發(fā)展，功能不斷提高，以便與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)相連接，組建大型的控制系統(tǒng)。9.1.3PLC的應(yīng)用領(lǐng)域

在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家，PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)部門，隨著其性能價(jià)格比的不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1．?dāng)?shù)字量邏輯控制

PLC用“與”、“或”、“非”等邏輯指令實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)和電路的串、并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制、定時(shí)控制與順序邏輯控制。數(shù)字量邏輯控制可以用于單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)生產(chǎn)線，其應(yīng)用領(lǐng)域已遍及各行各業(yè)，甚至深入到家庭。

2．運(yùn)動(dòng)控制

PLC使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制。運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛用于各種機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)械、裝配機(jī)械、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。

3．閉環(huán)過(guò)程控制

閉環(huán)過(guò)程控制指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。其PID閉環(huán)控制功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料擠壓成形機(jī)、加熱爐、熱處理爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力、建材等行業(yè)。

4．?dāng)?shù)據(jù)處理

現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，這些數(shù)據(jù)可以與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的參考值比較，也可以用通信功能送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。

5．通信聯(lián)網(wǎng)

PLC的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程I/O之間的通信、多臺(tái)PLC之間的通信、PLC與其他智能控制設(shè)備(例如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置)之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。

9.2西門子PLC工業(yè)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)體系

9.2.1工業(yè)以太網(wǎng)

SIMATICNET的頂層為工業(yè)以太網(wǎng)，如圖9-2所示。它是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3的開放式網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)管理—控制網(wǎng)絡(luò)的一體化，可以集成到互聯(lián)網(wǎng)，為全球聯(lián)網(wǎng)提供了條件。以太網(wǎng)在局域網(wǎng)(LAN)領(lǐng)域中的市場(chǎng)占有率高達(dá)80％，通過(guò)廣域網(wǎng)(例如ISDN或Internet)可以實(shí)現(xiàn)全球性的遠(yuǎn)程通信。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可達(dá)1024站，距離可達(dá)1.5km(電氣網(wǎng)絡(luò))或200km(光纖網(wǎng)絡(luò))。符合IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)的100Mb/s的高速以太網(wǎng)發(fā)送信息顯著加快，占用總線的時(shí)間極短。圖9-2西門子的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)將控制網(wǎng)絡(luò)集成到信息技術(shù)(IT)中；可以與使用TCP/IP協(xié)議的計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)；使用E-mail和Web技術(shù)，允許用戶在工業(yè)以太網(wǎng)的Socket接口上編制自己的協(xié)議；可以在網(wǎng)絡(luò)中的任何一點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)和故障檢查；使用冗余網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成冗余系統(tǒng)。

西門子提供以太網(wǎng)通信模塊或通信處理器。遠(yuǎn)程訪問(wèn)路由器用于在廣域網(wǎng)連接的兩個(gè)以太網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。9.2.2現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS

西門子通信網(wǎng)絡(luò)的中間層為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS。它是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。它的傳輸速率最大為12Mb/s，響應(yīng)時(shí)間的典型值為1ms，使用屏蔽雙絞線電纜(最長(zhǎng)9.6km)或光纜(最長(zhǎng)90km)，最多可以接127個(gè)從站。

PROFIBUS是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線，各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備均可通過(guò)同樣的接口交換信息。它是目前最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，得到了廣泛的應(yīng)用。代表全世界1200多家會(huì)員公司的PROFIBUS國(guó)際組織宣布，截止2003年底，工廠自動(dòng)化和流程自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)所安裝的PROFIBUS節(jié)點(diǎn)設(shè)備已突破了1000萬(wàn)個(gè)。PROFIBUS已被納入現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158和EN50170，并于2001年被定為我國(guó)機(jī)械行業(yè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(JB/T10308.3—2001)。

SIMATICS7通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的系統(tǒng)，是一個(gè)很好的工廠自動(dòng)化解決方案。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：PLC、I/O模塊、智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)連接；I/O模塊能安裝在傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的附近；過(guò)程信號(hào)能就地處理；編程仍舊采用傳統(tǒng)的組態(tài)方式。

PROFIBUS由3部分組成，即PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification，現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范)、PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery，分布式外部設(shè)備)和PROFIBUS-PA(ProcessAutomation，過(guò)程自動(dòng)化)。

1．PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS定義了主站與主站之間的通信模型，它使用OSI7層模型的第1層、第2層和第7層。應(yīng)用層(第7層)包括現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范FMS和低層接口LLI(LowerLayerInterface)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系，并提供不依賴于設(shè)備的第2層訪問(wèn)接口。第2層(總線數(shù)據(jù)鏈路層)提供總線存取控制和保證數(shù)據(jù)的可靠性。

PROFIBUS-FMS主要用于系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的不同供應(yīng)商的自動(dòng)化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸及處理單元級(jí)(PLC和PC)的多主站數(shù)據(jù)通信。它為解決復(fù)雜的通信任務(wù)提供了很大的靈

活性。

2．PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式I/O的通信。使用它可代替4～20mA的模擬信號(hào)傳輸。

PROFIBUS-DP使用第1層、第2層和用戶接口層，第3～7層未使用，這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保了高速數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像(DDLM)程序提供對(duì)第2層的訪問(wèn)。用戶接口規(guī)定了設(shè)備的應(yīng)用功能、PROFIBUS-DP系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS的協(xié)議結(jié)構(gòu)見圖9-3。這兩種結(jié)構(gòu)采用相同的介質(zhì)存取協(xié)議(第2層)和傳輸技術(shù)(第1層)。圖9-3PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS的物理層(第1層)按照EIARS485標(biāo)準(zhǔn)制定。它使用雙絞線，屏蔽可選擇。電纜和連接器的插腳定義見圖9-4。圖9-4PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS的接線

PROFIBUS的數(shù)據(jù)鏈路層(第2層)提供了介質(zhì)存取控制功能、數(shù)據(jù)的完整性檢查以及傳輸執(zhí)行的協(xié)議，即現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層(FDL)。介質(zhì)存取控制(MAC)控制數(shù)據(jù)的傳輸。MAC必須保證在任一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

PROFIBUS協(xié)議中有兩種基本的介質(zhì)存取控制：

(1)主站之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于站點(diǎn)擁有相同的總線控制權(quán)，因此必須保證在事先定義的時(shí)間間隔中任何一個(gè)點(diǎn)都有充足的時(shí)間完成通信任務(wù)。

(2)主站與從站之間的交換數(shù)據(jù)。要求盡可能快并且簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

PROFIBUS介質(zhì)存取協(xié)議包括主站之間的令牌環(huán)方式和主站從站之間的主-從方式。兩種混合的系統(tǒng)稱為混合介質(zhì)存取，如圖9-5所示。圖9-5PROFIBUS混合介質(zhì)存取控制令牌方式使得得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)得到總線控制權(quán)。令牌是一條特殊的報(bào)文，它在主站之間傳遞總線控制權(quán)。令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間是事先規(guī)定的。在PROFIBUS中，令牌僅在主站之間按地址升序傳遞。

主-從方式允許主站在得到總線控制權(quán)時(shí)可以與從站通信。每一個(gè)主站均可向從站發(fā)送及索取信息。利用PROFIBUS的混合介質(zhì)存取方式可以實(shí)現(xiàn)：純主-從系統(tǒng)(單主站)、純主站系統(tǒng)(多主站)和混合系統(tǒng)(多主-多從)。圖9-5即為一個(gè)由三個(gè)主站和七個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。三個(gè)主站構(gòu)成邏輯令牌環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌后，允許這個(gè)主站在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。它可依照從站的關(guān)系表與所有的從站通信，也可以依照主站的關(guān)系表與所有的主站通信。令牌環(huán)的意思是所有的主站按照它們的地址構(gòu)成邏輯環(huán)，在這個(gè)環(huán)中，令牌即總線控制權(quán)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照地址的升序在主站中依次傳遞。在總線系統(tǒng)建立初期，主站MAC的任務(wù)是決定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。MAC其他的功能是：檢測(cè)傳輸截止及收發(fā)器是否損壞，檢查站點(diǎn)地址是否出錯(cuò)(如地址相同)以及令牌錯(cuò)誤(如多個(gè)令牌或令牌丟失)。第2層的另一個(gè)重要的作用是保證數(shù)據(jù)的完整性。它按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC870-5-1制定的使用特殊起始和結(jié)束定界符、無(wú)間距的字節(jié)異步傳輸以及每個(gè)字節(jié)的奇偶校驗(yàn)來(lái)保證。

PROFIBUS第2層按照非連接的模式操作，它提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及多點(diǎn)通信功能(廣播及有選擇地廣播)。廣播的意思是主站向所有的站點(diǎn)(主站和從站)發(fā)送信息，不要求回答，有選擇地廣播的意思是主站向一組站點(diǎn)(主站和從站)發(fā)送信息，不要求回答。

3．PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA用于過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸。使用擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議可描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA行規(guī)。由于PROFIBUS-PA在傳輸技術(shù)上采用了IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，因此可以用于防爆區(qū)域的傳感器和執(zhí)行器與中央控制器系統(tǒng)的通信。使用分段式耦合器可以將PROFIBUS-PA設(shè)備很方便地集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中。

PROFIBUS-PA使用屏蔽雙絞線電纜，由總線提供電源。在危險(xiǎn)區(qū)域，每個(gè)DP/PA鏈路可以連接15個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；在非危險(xiǎn)區(qū)域，每個(gè)DP/PA鏈路可以連接31個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

此外，基于PROFIBUS，還推出了用于運(yùn)動(dòng)控制的總線驅(qū)動(dòng)技術(shù)PROFI-Drive和故障安全通信技術(shù)PROFI-Safe。

4．PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP的混合操作

FMS和DP能在同一條線路上混合操作是PROFIBUS的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。它用于對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。在同一臺(tái)設(shè)備中同時(shí)執(zhí)行FMS和DP的操作是可能的，這一類設(shè)備稱為合成設(shè)備。這樣的設(shè)備無(wú)論是對(duì)用戶還是對(duì)廠家，其優(yōu)點(diǎn)都是明顯的，因?yàn)樗芡瑫r(shí)使用DP的高速循環(huán)發(fā)送功能及FMS多種多樣的通信服務(wù)。例如，用戶可以用FMS來(lái)完成系統(tǒng)的初始化，用DP進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速傳輸。9.2.3AS-i接口和EIB

西門子通信網(wǎng)絡(luò)的底層包括AS-i和EIB。EIB是樓宇安裝總線系統(tǒng)，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CENTC247。

As-i是執(zhí)行器-傳感器接口(ActuatorSensor-Interface)的簡(jiǎn)稱，是傳感器和執(zhí)行器通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(EN50295和IEC62026-2)，響應(yīng)時(shí)間小于5ms，使用未屏蔽的雙絞線，由總線提供電源，最長(zhǎng)通信距離為300m，最多接62個(gè)從站。

As-i接口用兩芯電纜連接現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和執(zhí)行器。當(dāng)前世界上主要的傳感器和執(zhí)行器生產(chǎn)廠家都支持As-i接口，其電氣和技術(shù)規(guī)范對(duì)所有感興趣的公司公開。As-i接口是單主站系統(tǒng)，西門子的SIMATIC系統(tǒng)提供通信處理器作為主站，控制過(guò)程或現(xiàn)場(chǎng)通信。采用DP/As-i鏈接模塊可將As-i作為PROFIBUS-DP的子網(wǎng)。9.2.4用西門子PLC構(gòu)成DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1．PROFIBUS-DP的技術(shù)特性

PROFIBUS-DP用于傳感器及驅(qū)動(dòng)器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送。在這一級(jí)，控制器如PLC通過(guò)高速串行線與分散的外設(shè)交換數(shù)據(jù)。同這些分散的外設(shè)的數(shù)據(jù)交換是周期性的。中央控制器(主站)讀取設(shè)備的輸入信息并發(fā)回輸出信息。保證總線循環(huán)時(shí)間大約為10ms。

PROFIBUS-DP的技術(shù)特性見表9-1。表9-1PROFIBUS-DP的技術(shù)特性對(duì)于一個(gè)成功的現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)說(shuō)，僅僅提供一個(gè)高的數(shù)據(jù)傳輸能力是不夠的。安裝和維護(hù)的簡(jiǎn)易性、良好的診斷能力和無(wú)差錯(cuò)的傳輸，都是用戶所要求的。PROFIBUS-DP為滿足這些需要提供了一個(gè)優(yōu)化的方式。

在一個(gè)總線系統(tǒng)中，各個(gè)站共享傳輸媒體，通道訪問(wèn)控制決定了站點(diǎn)什么時(shí)候接收訪問(wèn)傳輸媒體；PROFIBUS-DP使用了復(fù)合的訪問(wèn)方法，令牌環(huán)傳遞輔以更低級(jí)別的主從協(xié)議，響應(yīng)方法可以區(qū)別主站和從站；當(dāng)一個(gè)主站接收到令牌環(huán)時(shí)，就獲得了對(duì)系統(tǒng)的控制權(quán)，在規(guī)定的時(shí)間過(guò)后，它把令牌環(huán)傳遞到網(wǎng)絡(luò)的下一個(gè)主站；如果該主站不希望發(fā)送信息，就立刻傳遞令牌環(huán)到相鄰的主站模塊。從站不接收令牌，它們通過(guò)主站模塊進(jìn)行所安排地址的設(shè)定。

2．系統(tǒng)配置

PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站和多主站系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有多種組態(tài)方式。同一總線上可連接最多126個(gè)站點(diǎn)(主站或從站)。

每個(gè)PROFIBUS-DP系統(tǒng)都包括不同類型的設(shè)備，這些設(shè)備按照不同的應(yīng)用主要分為以下三種：

(1)?DP主站(DPM1)：指中心控制器，它在預(yù)定的周期內(nèi)與從站交換信息。典型的設(shè)備是PLC、CNC、RC。

(2)DP主站(DPM2)：指能對(duì)系統(tǒng)編程、組態(tài)或進(jìn)行診斷的設(shè)備。在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)用它進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。西門子PLC系列中能夠連接到PROFIBUS-DP中的主站有：

①使用內(nèi)置的PROFIBUS-DP接口，或采用IF964或CP342-5DP接口模塊的S7-300/400、M7-300/400的自動(dòng)化系統(tǒng)，最大波特率為1.5Mb/s。

②使用IM308-C或降低了響應(yīng)時(shí)間的CP5430/5431的S5-115U/H、S5-135U、S5-155U/H可編程序控制器和S5-95U/DP主站機(jī)，最大波特率為1.5Mb/s。

③帶有主機(jī)模塊或接口的其他廠商的可編程序控制器。④帶有內(nèi)置接口的編程裝置，如PG720/PG740/PG760，波特率為1.5Mb/s。

⑤使用CP5411/5412(A2)的PG730/PG740/PG750/PG760/PG770編程裝置，最大波特率為12Mb/s。

⑥使用了CP5412(A2)的個(gè)人計(jì)算機(jī)，最大波特率為12Mb/s。

(3)?DP從站：指那些進(jìn)行輸入或輸出的外圍設(shè)備(傳感器或執(zhí)行器)。典型的DP從站包括開關(guān)量輸入設(shè)備、24V或230V電壓輸出設(shè)備、模擬量輸入設(shè)備、模擬量輸出設(shè)備、計(jì)時(shí)器等。目前大多數(shù)DP從站只有32Byte的輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)量的限制只是出于設(shè)計(jì)的原因)。西門子PLC系列中能夠連接到PROFIBUS-DP中的從站有：

①分布式I/O系統(tǒng)中的ET200M/ET200L/ET200B/

ET200C/ET200U。

②使用IM308-C的S5-115U/S5-155U的可編程序控制器。

③從機(jī)S5-95U/DP，最大波特率為1.5Mb/s。

④?DP/AS-i收發(fā)器。

⑤人機(jī)接口MMI。

⑥現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如其他制造廠商生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器、閥門、過(guò)程控制器、數(shù)控機(jī)床控制器等。在一個(gè)單主站系統(tǒng)中只有一個(gè)主站，這種組態(tài)提供了最短的總線周期。

在多主站組態(tài)當(dāng)中，總線上有幾個(gè)活動(dòng)主站，它們或是與各自的從站構(gòu)成相互獨(dú)立的系統(tǒng)，或是作為網(wǎng)上附加的組態(tài)或診斷設(shè)備，如圖9-6所示。任何一個(gè)主站均可讀取輸入和輸出的映像，只有一個(gè)主站允許對(duì)DP從站寫入輸出數(shù)據(jù)，這個(gè)主站在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)被指定。多主站系統(tǒng)的總線周期比單主站系統(tǒng)的要長(zhǎng)一些。圖9-6PROFIBUS-DP多主站系統(tǒng)表9-2給出了能連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)上的西門子PLC系列的主機(jī)模塊，以及它們所需的接口模塊或通信模塊，同時(shí)給出了配置和編程該模塊所需要的軟件。表9-2可以連接到PROFIBUS-DP上的西門子主機(jī)模塊西門子PLC系列S5/S7產(chǎn)品組成的PROFIBUS2-DP網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)可進(jìn)行集中和分布系統(tǒng)的編程。SIMATICS7/M7都用STEP7編程，在編程時(shí)不用考慮硬件配置。

(2)集中和分布的全系統(tǒng)性能。SIMATICS7/M7提供了有效的系統(tǒng)支持，包括軟件參數(shù)化I/O，功能模塊易于連接等。

(3)通過(guò)PROFIBUS-DP編程來(lái)測(cè)試啟動(dòng)。分布式的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)便于分散進(jìn)行系統(tǒng)的安裝、使用和維修；使用STEP7進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)集中控制編程、診斷、測(cè)試就像采用集中處理單元的集中編程接口時(shí)一樣。

(4)集成的DP接口。DP主機(jī)接口已經(jīng)集成在許多CPU中，為用戶節(jié)省了一定量的槽位，并能對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化。

(5)為系統(tǒng)操作者提供控制和監(jiān)視。在配置和實(shí)際操作中，SIMATICS7/M7和COROS操作盤可以相互配合使用；在網(wǎng)絡(luò)中，站節(jié)點(diǎn)是連在集中編程接口(MPI)還是PROFIBUS-DP上并不重要。

圖9-7給出了包括S7-300/400、S5、ET200的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的示意圖。圖9-7采用光纜和雙絞線的PROFIBUS-DPLAN網(wǎng)絡(luò)

9.3S7系列PLC與其他計(jì)算機(jī)的通信

9.3.1CP340的工作原理

CP340通信處理器模塊有一個(gè)RS232C串行通信接口，它使S7-300PLC能與通信伙伴以點(diǎn)到點(diǎn)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。任何具有RS232C接口的設(shè)備都可以成為通信伙伴，這里一般地稱為計(jì)算機(jī)。

CP340是PLC與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁和紐帶，如圖9-8所示。一方面，CP340的RS232C接口與計(jì)算機(jī)相連；另一方面，CP340通過(guò)背板總線與PLC的CPU相連。為減小通信時(shí)CPU模塊的負(fù)擔(dān)，CP340被設(shè)計(jì)成智能型的CP340模塊上的處理器，既受控制又有自主性，它根據(jù)CPU模塊的命令自主管理串行口的收發(fā)工作。圖9-8CP340的連接

1．CPU模塊與CP340

CP340模塊上有接收緩沖存儲(chǔ)器和發(fā)送緩沖存儲(chǔ)器。依靠接收和發(fā)送緩沖存儲(chǔ)器(緩沖區(qū))可建立起CPU模塊與CP340的聯(lián)系。發(fā)送時(shí)，CPU模塊只需要把發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，然后，由CP340把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)逐個(gè)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。CP340還負(fù)責(zé)從計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)。CPU模塊以查詢方式讀接收緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)不空，則CPU得到接收數(shù)據(jù)。讀寫CP340上的緩沖區(qū)需要在用戶程序中調(diào)用專用的功能塊。寫緩沖區(qū)的功能塊稱為發(fā)送功能塊，讀緩沖區(qū)的功能塊稱為接收功能塊。CPU要發(fā)送的數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊中，調(diào)用發(fā)送功能塊可把數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)。調(diào)用接收功能塊可把接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)塊中。

2．CP340與計(jì)算機(jī)

CP340與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)RS232C進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換根據(jù)雙方約定的規(guī)則進(jìn)行，這個(gè)規(guī)則稱為通信協(xié)議。通信協(xié)議的要點(diǎn)包括波特率、字符格式、字符間隔、開始傳輸?shù)臈l件以及如何保證傳輸信息完整等內(nèi)容。

CP340上固化有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，它們是3964(R)和ASCII(本節(jié)只討論ASCII協(xié)議)。用STEP7中的專用組態(tài)工具可選擇通信協(xié)議并確定協(xié)議的具體內(nèi)容，組態(tài)數(shù)據(jù)存入CPU模塊的系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊(SDB)中，該內(nèi)容隨PLC的其他組態(tài)數(shù)據(jù)被下載。當(dāng)PLC啟動(dòng)時(shí)，有關(guān)的組態(tài)數(shù)據(jù)傳入CP340，然后，CP340按照選定的通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。一般情況下，實(shí)施通信協(xié)議不需S7CPU參與。

CP340中的ASCII協(xié)議僅實(shí)現(xiàn)了OSI參考模型的第1層(物理層)，而3964(R)還實(shí)現(xiàn)了第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)。

3．CP340的啟動(dòng)及工作特性

CP340是智能模塊，上電后其啟動(dòng)過(guò)程由上電初始化和參數(shù)設(shè)置兩個(gè)階段組成。CP340一旦上電就進(jìn)行初始化，這時(shí)，CP340以出廠時(shí)的參數(shù)設(shè)置串行接口。然后，CP340以3964(R)協(xié)議默認(rèn)參數(shù)自動(dòng)啟動(dòng)。CPU由STOP轉(zhuǎn)為RUN時(shí)，進(jìn)行參數(shù)重置，CP340的默認(rèn)參數(shù)被用戶設(shè)置的參數(shù)覆蓋后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

CP340有停止、重置和運(yùn)行三種工作狀態(tài)。如果發(fā)生故障，CP340就進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。若故障消除，則停止?fàn)顟B(tài)自動(dòng)撤消。只有在運(yùn)行狀態(tài)下，CP340才能接收或發(fā)送信息幀。

在CP340的前面板有三個(gè)發(fā)光二極管(LED)：紅色為故障LED(SF)、綠色為發(fā)送LED(TxD)和接收LED(RxD)。串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，由TxD或RxD發(fā)光二極管分別發(fā)光顯示。SF在CP340故障和停止?fàn)顟B(tài)時(shí)發(fā)光，在啟動(dòng)階段SF也發(fā)光顯示。故障原因有硬件故障、固化的軟件錯(cuò)誤、參數(shù)非法和接收線斷裂。接收線斷裂時(shí)，SF和RxD都發(fā)光。通過(guò)設(shè)置診斷報(bào)警參數(shù)，可在CP340有嚴(yán)重故障時(shí)向CPU報(bào)警并觸發(fā)中斷請(qǐng)求，以便采取相應(yīng)措施。如果故障發(fā)生，CP340通過(guò)背板總線向CPU提供診斷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被寫入CPU的診斷緩沖區(qū)。為中斷請(qǐng)求服務(wù)的是組織塊OB82，OB82的變量給出了診斷數(shù)據(jù)，用戶程序可根據(jù)變量數(shù)值采取應(yīng)急措施。另外，診斷數(shù)據(jù)也可通過(guò)編程器查找。CP340能診斷出的嚴(yán)重故障有斷線、參數(shù)非法、RAM故障、ROM故障和系統(tǒng)故障。9.3.2字符的串行傳輸

在串行通信中，每個(gè)字節(jié)被逐位按一定順序發(fā)出。對(duì)于異步串行通信，為保證收發(fā)雙方同步，不僅應(yīng)使收發(fā)雙方傳輸速率(波特率)相同，還要在每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的前后附加一些輔助位：起始位、校驗(yàn)位和停止位。其中，校驗(yàn)位用于判斷字符傳輸錯(cuò)誤。

字符格式由數(shù)據(jù)字節(jié)(數(shù)據(jù)位，Databit)和輔助位組成。CP340中的字符格式如表9-3所示。表9-3CP340中的字符格式形成字符格式或從字符格式中分解出數(shù)據(jù)由CP340完成。

由許多字符組成的信息幀中的字符被逐個(gè)連續(xù)發(fā)出，正常情況下，字符與字符的發(fā)送時(shí)間間隔很小，如果發(fā)現(xiàn)字符間隔超出允許值，可認(rèn)為信息幀結(jié)束或傳輸異常。9.3.3ASCII通信協(xié)議

1．信息幀格式與字符透明性

為了適應(yīng)不同的應(yīng)用情況，ASCII協(xié)議有三種類型的信息幀格式供選擇，即有結(jié)束標(biāo)志的信息幀格式、定長(zhǎng)度信息幀格式和自由信息幀格式。有結(jié)束標(biāo)志的信息幀用一個(gè)或兩個(gè)特定字符作為判斷信息幀結(jié)束的依據(jù)。對(duì)于定長(zhǎng)信息幀接收方收到約定個(gè)數(shù)的字符即認(rèn)為信息幀結(jié)束。自由信息幀格式既無(wú)特定結(jié)束標(biāo)志又無(wú)確定長(zhǎng)度，接收方以在約定的時(shí)間(字符間隔時(shí)間)內(nèi)收不到新字符作為信息幀結(jié)束依據(jù)(超時(shí)結(jié)束)。三種格式的信息幀長(zhǎng)度均不能超過(guò)1024Byte。對(duì)于有結(jié)束標(biāo)志的信息幀格式，不允許在正文中出現(xiàn)與結(jié)束標(biāo)志相同的字符，以避免接收方錯(cuò)誤認(rèn)為信息幀結(jié)束。定長(zhǎng)信息幀和自由信息幀是完全透明的，任何字符都可用在信息幀中。

2．CP340為發(fā)送方

以ASCII協(xié)議發(fā)送時(shí)，CP340把CPU模塊寫入發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)逐個(gè)發(fā)出。發(fā)送字符個(gè)數(shù)由發(fā)送功能塊中的長(zhǎng)度參數(shù)決定。CP340發(fā)送信息幀長(zhǎng)度可與CP340接收長(zhǎng)度不同。當(dāng)兩個(gè)自由信息幀連續(xù)發(fā)送時(shí)，CP340會(huì)在兩個(gè)信息幀之間插入延時(shí)時(shí)間，該時(shí)間大于允許字符間隔時(shí)間。也就是說(shuō)，CP340允許CPU模塊隨時(shí)提出發(fā)送請(qǐng)求，但請(qǐng)求不一定能立即得到響應(yīng)。

3．CP340為接收方

當(dāng)CP340為接收方時(shí)，它邊接收邊監(jiān)測(cè)信息幀是否結(jié)束。如果在接收過(guò)程中發(fā)現(xiàn)字符校驗(yàn)錯(cuò)等錯(cuò)誤，則CP340將繼續(xù)接收直到信息幀結(jié)束。如果接收的是定長(zhǎng)信息幀或者結(jié)束標(biāo)志信息幀，且發(fā)生了字符間隔超時(shí)錯(cuò)誤，則本次信息傳輸結(jié)束。

4．握手序列與流控制

握手序列控制通信雙方之間的數(shù)據(jù)流，避免數(shù)據(jù)傳輸時(shí)丟失。握手序列分硬握手和軟握手兩類，用信號(hào)線(如TES/CTS)的電平變化實(shí)現(xiàn)的稱為硬握手，通過(guò)向?qū)Ψ桨l(fā)送特定字符(如XON/XOFF)實(shí)現(xiàn)的是軟握手。一旦CP340在允許流控制方式下，就自動(dòng)向?qū)Ψ桨l(fā)出字符XON(或使輸出信號(hào)RTS為邏輯“1”)，表示可以接收數(shù)據(jù)。如果信息幀收完或接收緩沖區(qū)(1024Byte)距溢出差50Byte，CP340發(fā)出字符XOFF(或使RTS為邏輯“0”)，則表示不能接收數(shù)據(jù)。如果發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送造成緩沖區(qū)溢出，則生成出錯(cuò)信息并丟掉后面信息幀的接收數(shù)據(jù)。一旦CPU模塊取走信息幀或接收緩沖區(qū)可用，CP340又發(fā)XON(或使RTS為邏輯“1”)，就表示可以接收數(shù)據(jù)。

CP340收到XON(或輸入信號(hào)CTS為邏輯“1”)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送過(guò)程中，若收到XOFF(或CTS變?yōu)檫壿嫛?”)，CP340就暫時(shí)停止發(fā)送。如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)收不到XON(或CTS始終為邏輯“0”)，CP340就終止發(fā)送狀態(tài)并產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)的錯(cuò)誤信息。

選擇軟握手控制數(shù)據(jù)流時(shí)，不允許在信息幀中出現(xiàn)字符XON和XOFF。使用硬握手信號(hào)時(shí)，應(yīng)將RTS/CTS信號(hào)與對(duì)方接通。使用控制數(shù)據(jù)流有助于信息幀的完整，在實(shí)際中可根據(jù)具體情況選擇使用或不使用。

5．CP340的接收緩沖區(qū)

CP340的接收緩沖區(qū)為1024Byte，可以把它分成最多250塊的環(huán)形隊(duì)列，這樣接收緩沖區(qū)就能同時(shí)存放先后收到的250個(gè)信息幀。CPU模塊從緩沖區(qū)取信息幀時(shí)，取走的總是最先收到的信息幀。

如果實(shí)際情況要求CPU模塊讀取最新的信息幀，就只能把緩沖區(qū)塊數(shù)設(shè)置為1，并且允許新信息幀覆蓋(重寫)先收到的信息幀。

6．參數(shù)設(shè)置

表9-4給出了ASCII通信協(xié)議的主要設(shè)置參數(shù)，由于有三種信息幀格式以及數(shù)據(jù)流控制等內(nèi)容，因此，ASCII協(xié)議的參數(shù)較多。這些參數(shù)與分類相關(guān)，不用某功能，則相關(guān)參數(shù)不必設(shè)置。例如，不使用數(shù)據(jù)流控制，則與流控制相關(guān)的參數(shù)就不必設(shè)置。表9-4ASCII通信協(xié)議的主要參數(shù)續(xù)表9.3.4通信功能塊

專用通信功能塊是CPU模塊與CP340的軟接口，它們建立及控制CPU和CP340的數(shù)據(jù)交換。專用通信功能塊有四個(gè)：發(fā)送功能塊FB3(P_SEND)、接收功能塊FB2(P_RCV)、讀RS232C接口信號(hào)狀態(tài)功能塊FC5(V24_STAT)和接口信號(hào)狀態(tài)設(shè)置功能塊FC6(V24_SET)。

這些功能塊與CP340的組態(tài)工具等需要專門安裝。安裝完成后，功能塊在STEP7的CP340庫(kù)(Library)中，使用時(shí)，需要將用到的功能塊拷貝到用戶程序中。

1．發(fā)送功能塊FB3

發(fā)送功能塊FB3有兩個(gè)功能：一是將數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)寫入CP340的發(fā)送緩沖區(qū)；二是監(jiān)測(cè)CP340發(fā)送并返回CP340的發(fā)送情況。FB3的運(yùn)行特性類似于定時(shí)器指令，完成一次發(fā)送需要多個(gè)掃描周期(調(diào)用多次)。因此，必須連續(xù)在每個(gè)掃描周期中調(diào)用FB3，使其在每個(gè)循環(huán)周期得到掃描，以避免一個(gè)信息幀的發(fā)送過(guò)程中斷。

表9-5給出了發(fā)送功能塊FB3的用法及參數(shù)說(shuō)明，表中P_SEND為FB3的符號(hào)名，F(xiàn)B3需要大小為40Byte的背景數(shù)據(jù)塊，I_SEND是背景數(shù)據(jù)塊符號(hào)名。表9-5發(fā)送功能塊FB3的用法及參數(shù)說(shuō)明續(xù)表

FB3P_SEND只能將數(shù)據(jù)塊中連續(xù)存放的數(shù)據(jù)傳給CP340，為此，需要在傳送時(shí)說(shuō)明數(shù)據(jù)塊號(hào)(DB_NO)、數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)塊中的起始字節(jié)號(hào)(DBB_NO)和數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度(LEN)。圖9-9是FB3P_SEND的時(shí)序圖。圖9-9FB3P_SEND的時(shí)序圖

FB3P_SEND有閑置和發(fā)送兩種狀態(tài)。如果輸入REQ有上升沿，F(xiàn)B3P_SEND就由閑置轉(zhuǎn)入發(fā)送，開始向CP340傳送數(shù)據(jù)，并由CP340將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方。數(shù)據(jù)量和通信線路(CP340與計(jì)算機(jī)間的線路)的質(zhì)量決定發(fā)送的持續(xù)時(shí)間。在發(fā)送期間，REQ不必始終為“1”。

CP340發(fā)送過(guò)程結(jié)束后，F(xiàn)B3P_SEND從發(fā)送轉(zhuǎn)為閑置狀態(tài)。通過(guò)FB3P_SEND輸出信號(hào)可得到發(fā)送完成情況。完成情況分正確完成和錯(cuò)誤完成兩種。正確完成時(shí)，輸出DONE為“1”，輸出STATUS的值為“0”；否則，輸出ERROR為“1”，輸出STATUS的值表示錯(cuò)誤細(xì)節(jié)。在發(fā)送期間，如果輸入R為“1”，則放棄發(fā)送并且將FB3P_SEND置為初始狀態(tài)(復(fù)位)。但是，已經(jīng)傳入CP340的數(shù)據(jù)將繼續(xù)發(fā)送。無(wú)錯(cuò)發(fā)完，輸出DONE返回“1”；有錯(cuò)發(fā)完，輸出ERROR返回“1”。

2．接收功能塊FB2

接收功能塊FB2有兩個(gè)功能：一是將CP340接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀回存入數(shù)據(jù)塊；二是返回CP340的接收情況。FB2的運(yùn)行特性類似于FB3，完成讀數(shù)也需要多個(gè)掃描周期(調(diào)用多次)。

表9-6給出了接收功能塊FB2的用法及參數(shù)說(shuō)明，表中P_RCV為FB2的符號(hào)名，F(xiàn)B2需要40Byte的背景數(shù)據(jù)塊，I_RCV是背景數(shù)據(jù)塊符號(hào)名。

FB2P_RCV將CP340接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)塊中，為此，需要說(shuō)明數(shù)據(jù)塊號(hào)(DB_NO)、數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)塊中的起始字節(jié)號(hào)(DBB_NO)。圖9-10是FB2P_RCV的時(shí)序圖。

FB2P_RCV有閑置、查詢和接收三種狀態(tài)。如果輸入EN_R為“1”，就由閑置轉(zhuǎn)入查詢，查詢CP340接收緩沖區(qū)。如果緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)量就決定接收持續(xù)時(shí)間。讀完CP340的接收緩沖區(qū)后，F(xiàn)B2P_RCV從接收轉(zhuǎn)為查詢狀態(tài)。通過(guò)FB2P_RCV輸出信號(hào)可得知讀回的數(shù)據(jù)是否完整，如果數(shù)據(jù)完整，輸出NDR為“1”，輸出LEN的數(shù)值表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，輸出STATUS的值表示錯(cuò)誤細(xì)節(jié)。在查詢和接收期間，EN_R必須始終為“1”。EN_R為“0”將使FB_RCV轉(zhuǎn)為閑置狀態(tài)。若EN_R變“0”時(shí)中斷了正在進(jìn)行的接收，則ERROR為“1”并由STATUS給出錯(cuò)誤細(xì)節(jié)。表9-6接收功能塊FB2的用法及參數(shù)說(shuō)明續(xù)表圖9-10FB2P_RCV的時(shí)序圖若輸入R為“1”，則將FB2P_RCV置為初始狀態(tài)(復(fù)位)，接收請(qǐng)求被終止。若R重新變?yōu)椤?”，則從頭開始接收。

3．讀取和控制RS232C信號(hào)狀態(tài)

在用戶程序中需要用到RS232C信號(hào)狀態(tài)，可通過(guò)調(diào)用功能FC5(符號(hào)名V24_STAT)讀取。這些信號(hào)與功能FC5參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表9-7。表9-7FC5V24_STAT參數(shù)及RS232C信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)調(diào)用功能FC6(符號(hào)名V24_SET)，可在用戶程序中置位或復(fù)位RS232C的輸出信號(hào)RTS/DTR。

4．通信錯(cuò)誤信息

通過(guò)發(fā)送/接收功能塊的STATUS參數(shù)，可以得到通信錯(cuò)誤的細(xì)節(jié)。通信錯(cuò)誤也稱為通信異常事件，CP340將診斷出的異常事件分類編號(hào)。STATUS參數(shù)由16位二進(jìn)制數(shù)組成，其中，位8到位12表示異常事件類型，位0到位7表示異常事件號(hào)，位13到位15不用(通常為0)。表9-8給出了事件號(hào)與異常事件的對(duì)應(yīng)關(guān)系及排除方法。表9-8事件號(hào)與異常事件的對(duì)應(yīng)關(guān)系及排除方法

續(xù)表

9.4計(jì)算機(jī)與PLC串行通信的軟件實(shí)現(xiàn)

9.4.1通信方式與通信原理

如圖9-11所示，通過(guò)PC/PPI電纜可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與S7-200PLC之間的單主站通信。在該通信網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)為單一主站，S7-200PLC作為從站。圖9-11系統(tǒng)硬件連接

PC/PPI電纜支持的波特率為9.6kb/s、19.2kb/s、187.5kb/s，支持的協(xié)議為PPI協(xié)議，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議。PPI協(xié)議是一個(gè)主從協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算機(jī)作為主站，PLC作為從站。S7-200CPU通信端口采用RS485信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的連接接口，PC/PPI電纜將S7-200PLC與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，通過(guò)使用接收中斷、發(fā)送中斷和字符中斷等指令，自由端口通信可以控制S7-200PLC通信端口的操作模式。本實(shí)例采用自由端口模式，允許在CPU處于RUN模式時(shí)，通信端口0使用自由端口模式，通過(guò)設(shè)定SMB30的值選擇波特率、奇偶校驗(yàn)、每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位和協(xié)議。CPU處于STOP時(shí)，停止自由端口通信，通信端口強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成PPI協(xié)議模式，此時(shí)，就可以向CPU中輸入PLC程序，實(shí)現(xiàn)編程軟件對(duì)PLC的編程和控制功能。9.4.2自由端口模式

通過(guò)編程，用戶可以選擇自由端口模式來(lái)控制S7-200的串行通信口。當(dāng)選擇了自由端口模式時(shí)，用戶程序通過(guò)使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令和接收指令來(lái)控制通信端口的操作。當(dāng)處于自由端口模式時(shí)，通信協(xié)議完全由梯形圖程序控制。SMB30(對(duì)應(yīng)于端口0)和SMB130(對(duì)應(yīng)于端口1)被用于選擇波特率和檢驗(yàn)類型。通過(guò)將SMB30或SMB130的協(xié)議選擇域(mm，見表9-9)置1，可以將通信端口設(shè)置為自由端口模式。處于該模式時(shí)，不能與編程設(shè)備通信。表9-9特殊存儲(chǔ)器SMB30和SMB130說(shuō)明9.4.3通信程序設(shè)計(jì)實(shí)例

本實(shí)例采用主從通信方式，計(jì)算機(jī)為主機(jī)，可主動(dòng)向PLC發(fā)出報(bào)文，PLC接收到該報(bào)文后進(jìn)行異或校驗(yàn)。若校驗(yàn)正確，返回收到的數(shù)據(jù)；若校驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)有傳送錯(cuò)誤，將校驗(yàn)錯(cuò)誤指示位Q1.0置位。

1．PLC下位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

本程序使用RCV指令和接收完成中斷程序接收數(shù)據(jù)，報(bào)文格式如表9-10所示，CPU在接收時(shí)檢測(cè)起始字符和結(jié)束字符。程序占用PLC寄存器的VB100～VB190，VB90存放CPU計(jì)算出的異或校驗(yàn)結(jié)果，VB91和VB99分別存放計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的校驗(yàn)碼和數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)。表9-10接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)//主程序

LDSM0.7 //若轉(zhuǎn)換到RUN模式

EU

OSM0.1 //或首次掃描

CALLSBR_0

//調(diào)用初始化子程序，進(jìn)入自由端口模式LDNSM0.7 //若轉(zhuǎn)換到TERM模式

EU

RSM30.0,1 //設(shè)置為PPI協(xié)議(SM30.0=0)

DTCH23 //禁止各中斷

DTCH9

DTCH10//初始化子程序SBR_0

LDSM0.0 //該位始終為1

MOVB5,SMB30

//19200b/s，8位數(shù)據(jù)，無(wú)校驗(yàn)，1位停止位

MOVB16#EC,SMB87

//允許接收，檢測(cè)起始字符和結(jié)束字符，超時(shí)檢測(cè)

MOVB0,SMB88//送報(bào)文起始字符0

MOVB16#FF,SMB89

//送報(bào)文結(jié)束字符十六進(jìn)制數(shù)16#FF

MOVW+1000,SMW92//接收超時(shí)時(shí)間為1sMOVB100,SMB94//接收的最大字符數(shù)為100

ATCHINT_0,23

//接收完成事件連接到中斷程序0

ATCHINT_1,9//發(fā)送完成事件連接到中斷程序1

ENI//允許用戶中斷

RCVVB100,0

//端口0的接收緩沖區(qū)指針指向VB100//求異或校驗(yàn)碼的子程序FCS

LDSM0.0

MOVB0,#XORC//異或值清0

BTI#NUMB,#NUMI//輸入的字節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)

FOR#TEMP1,+1,#NUMILDSM0.0

XORB*#PNT,#XORC //異或運(yùn)算

INCD#PNT //指針值加1

NEXT//接收完成中斷程序INT_0

LDB<>SMB86,16#20//若是非正常接收結(jié)束

JMP1 //跳轉(zhuǎn)到LBL1處

NOT //若接收到結(jié)束字符

MOVBVB102,VB99

//將接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)存放在VD96的最低字節(jié)

RV96.0,24 //?VD96高位3字節(jié)清零MOVD&VB103,VD92

//接收?qǐng)?bào)文數(shù)據(jù)區(qū)首地址送給指針VD92

+DVD96,VD92

//求校驗(yàn)碼地址，VD96中為報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)

MOVB*VD92,VB91//接收到的校驗(yàn)碼送VB91

INCBVB99 //得到需要異或的字節(jié)數(shù)

CALLFCS,&VB102,VB99,VB90

//調(diào)用子程序FCS,計(jì)算校驗(yàn)碼，結(jié)果送VB90LDB=VB90,VB91//如果校驗(yàn)正確

RQ1.0,1 //復(fù)位校驗(yàn)錯(cuò)誤指示位

MOVB5,SMB34

//定時(shí)5ms以提供PPI電纜接收/發(fā)送模式切換時(shí)間

ATCHINT_2,10//啟動(dòng)定時(shí)中斷

CRETI //中斷返回

NOT //如果有校驗(yàn)錯(cuò)誤

SQ1.0,1 //將校驗(yàn)錯(cuò)誤指示位置1LBL1 //非正常接收結(jié)束時(shí)跳轉(zhuǎn)到此處

LDSM0.0

RCVVB100,0 //啟動(dòng)新的接收

//發(fā)送完成中斷程序INT_1

LDSM0.0

RCVVB100,0 //啟動(dòng)新的接收

//定時(shí)中斷程序INT_2

LDSM0.0

DTCH10 //斷開定時(shí)器中斷

XMTVB100,0

//在端口0向計(jì)算機(jī)回送接收到的報(bào)文

用PC/PPI電纜連接計(jì)算機(jī)與PLC，將上面的程序下載至PLC中，將PLC置于RUN狀態(tài)?？梢允褂肰isualBasic編制上位機(jī)程序，計(jì)算機(jī)應(yīng)接收到PLC返回的相同的數(shù)據(jù)。

2．基于VisualBasic的上位計(jì)算機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

由于VisualBasic語(yǔ)言簡(jiǎn)單實(shí)用，下面將介紹使用VisualBasic實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間的串行通信的方法。

MSComm控件的屬性集和使用方法在第8章中已經(jīng)介紹過(guò)，這里只討論通過(guò)MSComm控件具體實(shí)現(xiàn)這個(gè)通信程序代碼的編寫問(wèn)題。前面已提到過(guò)MSComm控件提供的兩種處理接收信息方式：

(1)事件驅(qū)動(dòng)方式：RThreshold屬性非0時(shí)，收到字符或傳輸線發(fā)生變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生串口事件OnComm。通過(guò)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(guò)查詢InBufferCount(接收緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù))屬性值，處理接收到的信息。

由于查詢方式占用CPU的時(shí)間太多，下面采用事件驅(qū)動(dòng)方式。通信的界面如圖9-12所示，采用主從方式通信，計(jì)算機(jī)作主機(jī)，PLC作從機(jī)。點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕，計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)組Array中的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)接收到PLC返回的數(shù)據(jù)后存放在數(shù)組rev中。圖9-12通信的界面

1)串口及通信參數(shù)初始化

Dimrevlenth

‘定義模塊級(jí)變量——接收字符的數(shù)組下標(biāo)

Dimrev()AsByte’定義接收字符的動(dòng)態(tài)數(shù)組

PrivateSubForm_Load()

WithMSComm1

.CommPort=1

‘根據(jù)用戶具體情況選擇串口，在此使用串口1

.Settings=“19200,n,8,1”

’19.2kb/s，無(wú)校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位

.InputMode=comInputModeBinary

'以二進(jìn)制格式讀取接收緩沖區(qū).RThreshold=1

'接收到的字符數(shù)大于等于1就會(huì)產(chǎn)生接收事件

.InputLen=0'讀出接收緩沖區(qū)中的所有內(nèi)容

.OutBufferCount=0'清空發(fā)送緩沖區(qū)

.InBufferCount=0'清空接收緩沖區(qū)

EndWith

IfNotMSComm1.PortOpenThen'打開串口

MSComm1.PortOpen=True

EndIf

EndSub

2)發(fā)送程序

要發(fā)送的報(bào)文的格式為：約定起始字符為0，結(jié)束字符為十六進(jìn)制數(shù)&HFF。校驗(yàn)碼為報(bào)文中第二個(gè)字節(jié)與數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)各字節(jié)的異或和。下面是發(fā)送程序的代碼。PrivateSubSend_Click()‘發(fā)送數(shù)據(jù)

revlenth=-1’置接收字符的數(shù)組下標(biāo)初值

sdata=Array(1,2,3)

‘待發(fā)送數(shù)據(jù)1、2、3，可以修改其個(gè)數(shù)和內(nèi)容

DimnByte()AsByte

ReDimnByte(UBound(sdata)+4)AsByte

'定義發(fā)送報(bào)文的數(shù)組

nByte(0)=0 '送起始字符

nByte(1)=UBound(sdata)+1'送數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)

fcs=nByte(1) '校驗(yàn)碼初始化

Fori=2ToUBound(sdata)+2

nByte(i)=sdata(i-2)

'待發(fā)送數(shù)據(jù)送報(bào)文數(shù)組的數(shù)據(jù)區(qū)

fcs=fcsXornByte(i) '異或運(yùn)算，求校驗(yàn)碼

Next

nByte(i)=fcs '送校驗(yàn)碼

nByte(i+1)=&HFF '送結(jié)束字節(jié)

MSComm1.Output=nByte'發(fā)送報(bào)文

EndSub

3)接收數(shù)據(jù)

PLC只有在接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的信息后，才發(fā)送數(shù)據(jù)，故可以將發(fā)送完成后接收到的第一個(gè)字節(jié)作為接收?qǐng)?bào)文的開始，直到串口無(wú)接收事件時(shí)認(rèn)為報(bào)文結(jié)束。

下面是接收程序的代碼。PrivateSubMSComm1_OnComm()‘OnComm事件

Dimrevtemp()AsByte

’定義存放每次接收的數(shù)據(jù)的暫存數(shù)組

ReDimPreserverev(100)AsByte

‘預(yù)設(shè)接收字符的數(shù)組rev(最大101字節(jié))

Text1.Text=“”’清除文本框

SelectCaseMSComm1.CommEvent

CasecomEvReceive‘如果接收到字符

revtemp=MSComm1.Input

’將接收緩沖區(qū)的內(nèi)容放入暫存數(shù)組revtemp

Fori=LBound(revtemp)ToUBound(revtemp)

revlenth=revlenth+1

rev(revlenth)=revtemp(i)

‘將接收到的各字節(jié)放入接收字節(jié)數(shù)組rev

Nexti

ReDimPreserverev(revlenth)AsByte

’得到接收字節(jié)數(shù)組的實(shí)際大小

EndSelect

Fori=LBound(rev)ToUBound(rev)

Text1.Text=Text1.Text&Str$(rev(i))

‘在文本框Text1中顯示接收到的數(shù)據(jù)

Nexti

EndSub運(yùn)行程序，計(jì)算機(jī)就能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能了。程序設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)改變發(fā)送程序中函數(shù)Array的參數(shù)列表(即改變數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)和數(shù)值)來(lái)改變發(fā)送內(nèi)容。編程者還可根據(jù)實(shí)際需要改變報(bào)文的輸入和顯示方式，制作更友好的用戶通信界面，還可以在接收程序中檢測(cè)報(bào)文的起始符和結(jié)束符，并對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行異或校驗(yàn)。

9.5Prodave通信軟件在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

通信中的應(yīng)用

9.5.1Prodave簡(jiǎn)介

PLC具有很高的可靠性，一般用來(lái)執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)的控制任務(wù)，但是它的人機(jī)接口功能較差。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，PC機(jī)與PLC之間的通信是最常見和最重要的通信之一。Prodave可以很好地解決以上不足。

Prodave是“ProcessDataTraffic”的縮寫，它是用于PC與S7系列PLC之間的數(shù)據(jù)鏈接通信的工具箱。通過(guò)下列硬件，用戶可以很方便地實(shí)現(xiàn)PLC與PC之間的數(shù)據(jù)通信。

(1)用于PC的MPI通信處理器，例如CP5511、CP5611和CP5612，通信速率可以達(dá)到12Mb/s；

(2)用于S7-300/400的PC/MPI適配器(PC-Adaptor)；

(3)用于S7-200的PC/PPI編程電纜。

Prodave的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)提供了大量的基于Windows操作系統(tǒng)的DLL函數(shù)供用戶解決PLC與PC之間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理問(wèn)題?？梢栽赩isualBasic中調(diào)用這些函數(shù)。Prodave的函數(shù)分為基本函數(shù)、數(shù)據(jù)處理函數(shù)和電話服務(wù)函數(shù)(TelServiceFunctions)。其中：基本函數(shù)用于建立、斷開和激活PC與PLC之間的連接，以及讀、寫PLC中的各種數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理函數(shù)用于PC中用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理，與PC和PLC之間的通信沒(méi)有直接的關(guān)系；電話服務(wù)函數(shù)用于PC通過(guò)電話線與PLC建立連接。9.5.2PC機(jī)與PLC之間的建立與斷開連接

通信之前，用戶必須首先調(diào)用load_tool函數(shù)和unload_tool函數(shù)。load_tool函數(shù)主要用于建立PC機(jī)與PLC之間的連接，unload_tool函數(shù)主要用于在通信結(jié)束時(shí)斷開PC與PLC的連接，否則會(huì)造成PC系統(tǒng)的異常狀況。

VisualBasic在調(diào)用DLL函數(shù)之前，需要用Declare語(yǔ)句聲明要使用的DLL函數(shù)，其聲明必須放在模塊級(jí)。聲明DLL函數(shù)的主要作用是指明該函數(shù)所在的DLL庫(kù)名及路徑，以及該函數(shù)的參數(shù)說(shuō)明，以便Windows能找到該函數(shù)，并正確地執(zhí)行該函數(shù)。

在聲明unload_tool函數(shù)之前，應(yīng)首先聲明它使用的用戶自定義的數(shù)據(jù)類型plcadr：Typeplcadrtype

ADDRESSAsByte '站地址,默認(rèn)值為2

SEGMENTIDAsByte '段標(biāo)志符,固定為0

SLOTNOAsByte '槽的編號(hào),默認(rèn)值為2

RACKNOAsByte '機(jī)架號(hào),固定為0

EndType然后聲明程序中使用的函數(shù)：

DeclareFunctionload_toolLib“w95_s7.dll”(ByValnrAsByte,ByValdevAsString,adrAsplcadrtype)

‘AsLongnr是PC要激活的連接的個(gè)數(shù)(1～32個(gè))，dev是用戶驅(qū)動(dòng)設(shè)備的名稱，對(duì)于?MPI

'驅(qū)動(dòng)器，dev為"S7ONLINE"，adr是連接的地址列表

DeclareFunctionunload_toolLib"w95_s7.dll"()AsLong9.5.3數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)

數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間的數(shù)據(jù)通信和傳輸。它包括以下幾個(gè)函數(shù)：

1．讀PLC字節(jié)的函數(shù)

DeclareFunctionX_field_readLib"w95_s7.dll"(ByValnoAsLong,ByValamountAsLong,valueAsByte)AsLong

X_field_read函數(shù)用于讀取PLC的X地址區(qū)中從地址no開始的amount個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并將其存放在PC的數(shù)組變量value中。其中的X可取e(輸入I)、a(輸出Q)和m(位存儲(chǔ)

器M)。

2．寫PLC字節(jié)的函數(shù)

DeclareFunctionX_field_writeLib"w95_s7.dll"(ByValnoAsLong,ByValamountAsLong,valueAsByte)AsLong

X_field_write函數(shù)用于將存放在PC的數(shù)組變量value中的數(shù)據(jù)寫入PLC的X地址區(qū)從地址no開始的amount個(gè)字節(jié)中，X可取a和m。

3．讀/寫數(shù)據(jù)塊中的字節(jié)的函數(shù)

DeclareFunctiond_field_readLib“w95_s7.dll”(ByValdbAsLong,ByValnoAsLong,ByValamountAsLong,valueAsByte)AsLong

DeclareFunctiond_field_writeLib“w95_s7.dll”(ByValdbAsLong,ByValnoAsLong,ByValamountAsLong,valueAsByte)AsLong

d_field_read函數(shù)用于讀取PLC的db數(shù)據(jù)塊中從地址no開始的amount個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并將其存放在PC的變量value中。d_field_write函數(shù)用于將存放在PC的數(shù)組變量Value中的amount個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入PLC的db數(shù)據(jù)塊中從地址no開始的區(qū)域。

4．讀定時(shí)器/計(jì)數(shù)器字的函數(shù)

DeclareFunctionX_field_readLib"w95_s7.dll"(ByValnoAsLong,ByValamountAsLong,valueAsByte)AsLong

X_field_read函數(shù)用于讀取從PLC的地址no開始的amount個(gè)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，并將其存放在PC的數(shù)組變量value中。X可取t(定時(shí)器)和z(計(jì)數(shù)器)。

5．寫計(jì)數(shù)器字的函數(shù)

DeclareFunctionX_field_writeLib"w95_s7.dll"(ByValnoAsLong,ByValamountAsLong,valueAsByte)AsLong

X_field_write函數(shù)用于將存放在PC的數(shù)組變量value中的amount個(gè)字的數(shù)據(jù)寫入PLC從地址no開始的計(jì)數(shù)器區(qū)，改寫的是計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。

6．讀/寫數(shù)據(jù)塊中的字的函數(shù)

DeclareFunctiondb_readLib“w95_s7.dll”(ByValdbAsLong