摘 要：详细说明了西门子S7-200PLC在自由口模式下与上位机通信的实现，主要包括该系统的硬件构成，自由口通信协议的标准，以及上位机软件流程和主控PLC软件设计。通过自由口通信可实现对ITER导体穿缆测力测长系统的监控， 将PLC数据传送至上位机，实现对数据的处理以及现场数据的实时显示和远程控制等功能。
关键词：PLC；通信协议；自由口模式；ITER导体穿缆测力测长系统；上位机
西门子公司的SIMATIC S7-200系列PLC是广泛适用于中小型设备控制的工业可编程控制器，以其可靠性高、丰富的指令和内置功能、通信能力强、性价比较高等特点，在工业控制领域中得到越来越广泛的应用[1]。在本文的控制系统中，PLC作为下位机完成现场各种信号和数据的采集、运算和控制[2-4]。工控PC机作为上位机可提供人机交互界面，实现数据的处理以及现场数据的实时显示等监视和远程控制等功能。S7-200系列的PLC可以在四种通信模式下工作：PPI模式、MPI模式、PROFIBUS-DP模式和自由口通信模式。其中，PPI和MPI是西门子专门开发的通信协议。PPI协议用于点对点接口，是一个主/从协议。MPI协议适用于多点接口，可以是主/主协议或主/从协议。PROFIBUS-DP是西门子支持的现场总线网络[5]。而大多数用户则是选用对用户完全开放的自由口通信模式。在自由口通信模式下，通信协议是由用户定义的。用户可以用梯形图程序调用接收中断、发送中断、发送指令(XMT)、接收指令(RCV)来控制通信操作。本设计采用自由口方式，重点介绍工控PC机与主控PLC的通信原理与实现。
1 硬件组成
ITER导体穿缆测力测长控制系统的框图如图1所示。将测力传感器和测长编码器通过信号线与PLC相连，这样穿缆过程中的拉力数据和行程数据就能够实时写入PLC的寄存器中。PLC通过通信电缆与PC机的串行通信口相连，在PC机中设置VB的MSCOMM控件来实现串口通信，这样PC机就能读取PLC寄存器中的拉力和行程数据，对穿缆过程进行实时监控。
2 工控PC机与主控PLC的自由口通信协议
工控PC机标准的串口为RS232C，S7-200系列提供的串口为RS485，利用西门子公司提供的PC/PPI电缆，可以方便地实现S7-200系列PLC与PC之间硬件连接[1]。
上位机向PLC发送指令(即指令帧)，指令帧格式如图2所示，由起始字符、指令类型、目标PLC站地址、目标寄存器地址、读/写字节数、待写入的数据(当从PLC读数据时，具体数据部分为空)、校验码和结束字符组成。
例如写VB100开始的两个字节的指令帧如下：83H，06H，08H，00H，00H，64H，30H，32H，31H，32H，33H，34H，35H，36H，115H。下面按顺序说明每段字节的含义：
83H为字符"S"的ASCII码，表示指令的开始，在本设计中是固定的。
06H表示指令的类型，为写操作。在本文中定义05H代表读操作，06H代表写操作。
08H，00H表示要写PLC中V存储区的内容。
00H，64H表示要从VB100开始写。
30H，32H表示要写两个字节。
31H，32H，33H，34H表示VB100写入12H，VB101写入34H。
35H，36H是校验和。
115H为字符"s"的ASCII码，是结束字符，表示指令的结束，在本设计中是固定的。
一条指令除包含数据外，还包含必要的控制字(如起始字符、结束字符、指令类型等)。如果指令中的数据直接以其原本的形式传输，则不可避免地会与指令中的控制字发生混淆。为了避免这种情况的发生，可以用文本来传送二进制数据。通过16进制ASCII码的格式来描述数据，每个二进制的字节都可以表示成一对ASCII编码，这对编码表示这个字节的两个16进制字符。这种格式可以表示任何的数值，仅仅使用ASCII代码的30H~39H(表示0~9)和41H~46H(表示A~F)。ASCII码的其余部分可以用作控制字。这样就避免PLC因接收到数据中错误的标志位而停止接收的错误。
在PLC接到上位机指令后，会向上位机发送一个反馈消息，即反馈帧，反馈帧格式如图3所示。其组成与指令帧基本相同，但它是由PLC发出的，所以具体数据段不同，在向PLC写数据时，反馈帧的具体数据部分为空，而在从PLC读数据时，具体数据部分不能为空。
例如，PLC接收到写VB100开始两个字节后的发送反馈帧如下：83H，02H，08H，00H，00H，64H，30H，32H，35H，36H，115H。下面按顺序说明每段字节的含义：
83H为字符"S"的ASCII码，与指令帧相同。
02H为状态信息，表示接收到上位机指令后PLC的执行状态。在本文中02H表示写入正确，相应地规定01H表示读取正确，03H表示BCC校验码错误，04H表示指令不合法。
08H，00H表示要写入PLC中V存储区的内容，与指令帧相同。
00H，64H表示要从VB100开始写，与指令帧相同。
30H，32H表示要写两个字节，与指令帧相同。需注意的是，此时具体数据段为空。
35H，36H是校验和，因无数据段，与指令帧可能不同。
115H为字符"s"的ASCII码，表示此帧结束，与指令帧相同。
3 工控PC机软件设计
工控PC机端通信程序流程图如图4所示。发送指令帧后，注意查询反馈帧，如一定时间内没有接收到，应再次发送，两次无响应，则要提示通信故障或PLC不存在。
在工控PC机中可采用VB来实现上位机监控程序，通过MSCOMM控件就可控制串口通信[6]，主要参数设置代码如下：
MSComm1.Settings="9600，N，8，1"
//串口通信参数设置
MSComm1.CommPort=1
MSComm1.PortOpen=True
MSComm1.InputLen=0
4 主控PLC软件设计
CPU224XP自由口通信模式的初始化是通过对特殊存储字节SMB30(PORT0)写入通信控制字来设置通信的波特率、奇偶校验、停止位和数据位数[7]。SMB30中的内容如下：
PP：奇偶选择。00为无奇偶校验；01为偶校验；10为奇校验；11为保留。
D：每个字符的数据位。0为每个字符8位；1为每个字符7位。
BBB：自由端口波特率。本设计为010，表示波特率为9 600 b/s。
MM：协议选择。00为点到点接口协议的PPI从站模式；01为自由端口协议；10为PPI主站模式；11为保留。缺省设置为00，即PPI从站模式。
本文中传输速率固定为9 600 b/s，数据格式由1位起始位、8位数据位、无校验位、1位停止位组成。
配置自由口通信模式后，就可以进行数据的收发了。PLC通信程序框图如图5所示。接收数据指令RCV的命令格式为RCV TABLE，Port0，RCV指令可以接收一个或多个字符，一次最多接收255个字符。发送数据指令XMT的命令格式为XMT TABLE，Port0，激活发送缓冲区TABLE中的数据。数据缓冲区的第一个数据指明了要发送的字节数，最多有255个字符的缓冲区。
通信程序的设计需遵循一定的规则，例如，中断通信处理程序要短小精悍，要避免XMT与RCV指令在一个端口同时执行[8]。本设计采用主从方式通信，PC设为主机，PLC设置为从机。只有PLC接收到指令帧后，才可能根据接收数据情况发送反馈帧。为简化程序设计，PC机只发出读指令和写指令两种指令帧。若为读指令，PLC准备好发送数据后执行XMT指令；若为写指令，PLC先把数据写入指定存储区，准备好应答数据后同样执行XMT命令；若接收到错误帧(如校验错误及不能识别的命令)，PLC准备相应标志数据执行XMT指令。
主要代码如下：
LD SM0.0
MOVB 9，SMB30//设置端口0为：9 600，N，8，1
LD SM0.0//RCV指令初始化
MOVB 16#EC，SMB87
//允许接收信息，使用SMB88，SMB89。
MOVB 83，SMB88//设置起始字符为"S"
MOVB 115，SMB89//设置结束字符为"s"
MOVB +1000，SMW92//接收信息时间不能超过1 ms
MOVB 30，SMB94//接收的最大字符数，这里设置为30
R SMB87.2，1//复位SMB87.2，使其为0，忽略SMW92
LD SM0.0
ATCH RCVOVER，23
//将0口接收完成中断事件连接到RCVOVER上
LD SM0.0
ATCH XMTOVER，9、
//将0口发送完成中断事件连接到XMTOVER上
LD SM0.0
ENI//允许中断
S7-200自由口通信方式使用户可以自己定义PLC指令通信协议，与任何公开通信协议(如RS-422或RS-232C)接口设备进行通信，使通信范围大大增加，控制系统配制更加灵活。本通信程序用于ITER导体穿缆测力测长监控系统，PLC完成数据采集及现场控制，工控PC机实时显示导体穿缆的速度及行程，同时以梯形图和通信控件显示动作过程，便于监控及故障诊断，得到用户好评。本文设计的通信协议也可用于其他控制系统的监控。
参考文献
[1] SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册[M]. http：//www2.ad.siemens.com.cn/download/Upload/AS/manual/1109582. pdf， 2008-08-01.
[2] 吉顺平.西门子PLC与工业网络技术[M].北京：机械工业出版社，2008.
[3] 刘杰，阳林，陈超丽.三菱FX2N系列PLC与PC通讯的简易实现[J].制造业自动化，2006(1)：65-67.
[4] 陈明意.基于VC6.0的PC与FX2NPLC通信的实现[J].武汉工业学院学报，2005，24(4)：14-16.
[5] 丁莉君，李宏燕.自由口模下S7-200 PLC与上位机的通信[J].机床电器，2009(1)：26-28.
[6] 汤光华，吴青.自由口模式下S7-200 PLC与上位机的通信[J].微计算机信息，2008(24)：62-64.
[7] 刘红兵.S7-200自由口通讯的实现及应用[J].PLC&FA，2009(2)：58-62.
[8] 李绍民，潘登.S7-200 PLC与上位机的通信[J].大连民族学院学报，2009，11(3)：209-211.