基于Siemems S7-200 PLC的遠(yuǎn)程測控

李金堂，任雪鴻

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710014）

隨著中國工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，PLC在中小型自動化設(shè)備的日益普及應(yīng)用，對于設(shè)備制造廠商或生產(chǎn)技術(shù)管理部門來說，如何以最快捷的方式響應(yīng)現(xiàn)場設(shè)備維護方面的需求，迅速檢測生產(chǎn)現(xiàn)場運行設(shè)備的狀態(tài)，及時解決生產(chǎn)現(xiàn)場反映的問題，已是多數(shù)上位技術(shù)管理者的切實需求[1-2]。如何采用經(jīng)濟實用的方式來實施遠(yuǎn)程PLC設(shè)備數(shù)據(jù)采集或測控，這也是探索解決此問題的初衷。

1 系統(tǒng)組成概述

系統(tǒng)硬件主要由上位計算機、TC35i[3-4]GSM MODEM無線通訊模塊和遠(yuǎn)程Siemens S7-200 PLC 3部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)軟件分為上位PC和下位PLC兩部分，上位PC部分提供人機交互操作界面和相應(yīng)的數(shù)據(jù)選擇、處理等；下位PLC則通過自由口通訊，以中斷方式快速響應(yīng)上位機對PLC變量存儲器數(shù)據(jù)的讀寫操作或?qū)/O口讀寫操作需求。由于上位計算機與遠(yuǎn)程PLC的通訊載體是通過TC35i建立在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，從而打破了地域的限制，即便遠(yuǎn)端PLC設(shè)備在千里之遙，實施數(shù)據(jù)采集、測控的如同咫尺。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 TC35i無線通訊模塊

系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要是TC5i無線通訊模塊的應(yīng)用。TC35i是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM 模塊，TC35i雙頻工作（EGSM900/GSMl800），電源范圍在3.3～4.8 V，發(fā)送功率分別為2 W （Class4 EGSM900）和1 W（Class1 GSM1800 MHz），TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU-T RS-232接口電路標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗位，可以在300～115 kb/s的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8～115 kb/s，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，且易于升級為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口[5]，為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計。TC35i有40個引腳，通過ZIF連接器引出。這些引腳可劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。TC35i內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 TC35i內(nèi)部電路

ZIF40PIN的引腳 1～14為電源部分，其中引腳l～5為電源電壓輸入端VBATT+，引腳 6～10為電源地GND，引腳11～12為充電端，引腳13為對外輸出電壓 （供外部電路使用），引腳14 ACCU/TEMP接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻；引腳24～29為SIM卡連接端；引腳33～40為語音接口用來接電話手柄。引腳15、30、31和32為控制部分，引腳15為啟動線IGT（Ignition）。當(dāng)TC35i通電后必須給IGT一個大于100 mV的低電平，模塊才能啟動。引腳30為RTC back up；引腳31為掉電控制；引腳32為SYNC，引腳16～23為數(shù)據(jù)輸入/輸出端。TC5i無線通訊模塊的主要外圍電路的連接如圖3所示。數(shù)據(jù)通信電路以MAX232為核心實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信。

2.2 系統(tǒng)硬件連接

系統(tǒng)硬件的連接可參考圖1可知，上位計算機的串口輸出與由TC35i構(gòu)成的GSM MODEM中的9芯RS232口直接連接；遠(yuǎn)程的GSM MODEM與PLC連接時則必須通過RS232到RS485的轉(zhuǎn)換，這是Siemens PLC的通訊口數(shù)據(jù)和PPI編程電纜連接的必要條件。另一方面必須注意的是，在與遠(yuǎn)程GSM MODEM的RS-232串口連接時，還必須將RS232串口中的RXD和TXD對換連接，否則將不能正常通訊。

2.3 遠(yuǎn)程PLC的選型

該系統(tǒng)選用西門子S7-200 PLC，在西門子PLC中SIMATIC S7-200是一個系列，其中包括多種型號的CPU，這里選用CPU-222，由于CPU不提供模擬量的輸入輸出，為檢測對模擬量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程讀寫，因此在遠(yuǎn)程PLC系統(tǒng)中擴展一型號為EM-235的4輸入1輸出模擬量模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)上位計算機人機界面

系統(tǒng)上位的人機界面是用VB編程[6]，提供人機交互操作界面及數(shù)據(jù)選擇和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理等功能。系統(tǒng)上位的操作界面如圖4所示。在操作界面的左上部是通訊鏈接控制框，這里只需要正確選擇PC的串口并輸入遠(yuǎn)程PLC所連接的電話號碼后即可撥號鏈接，遠(yuǎn)程的無線GSM MODEM模塊摘機響應(yīng)一般設(shè)置為鈴響后自動摘機，通訊鏈接建立后，當(dāng)上位PC檢測到串口端的數(shù)據(jù)載波DCD信號后，通訊鏈接控制框中的"鏈接狀態(tài)"指示燈由紅變綠，表示通訊鏈路已成功建立。撥號或掛機的操作均是通過對GSM MODEM模塊發(fā)送AT指令執(zhí)行的。

圖3 TC35i主要外圍電路

圖4 上位PC操作界面

對PLC數(shù)據(jù)的讀寫操作如操作界面的右上部所示，在相應(yīng)文本框內(nèi)填寫好數(shù)據(jù)的類型、地址、數(shù)值和操作方式后點擊"發(fā)送"即可執(zhí)行對PLC的讀或?qū)懖僮鳌＝缑娴南掳氩糠诛@示的是PC串口發(fā)送和接收的代碼以及當(dāng)前操作的結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)上位計算機的串口設(shè)置

在上位PC的人機界面中，串口的設(shè)置是通過下拉選擇框選擇出所連接的串口后由程序自動讀取。在使用GSM MODEM無線模塊時，上位PC對遠(yuǎn)程PLC鏈接呼叫時采用的是AT指令。程序語句為：MSComm1.Output="ATDT"&Trim （Text1.Text）&vbCrLf//Text1文本框內(nèi)為欲連接的電話號碼。掛機的AT指令為：MSComm1.Output="ATDT"&"+++"&vbCrLf。串口數(shù)據(jù)格式的設(shè)定語句為：MSComm1.Settings="9600，N，8，1"，與 TC35i GSM MODEM 無線通訊模塊和遠(yuǎn)程PLC自由口的串行數(shù)據(jù)通訊格式一致。

3.3 通訊數(shù)據(jù)格式的約定

由于遠(yuǎn)程PLC采用的是自由口用戶通訊方式，這里對每次收發(fā)數(shù)據(jù)字節(jié)暫約定為18個字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)的多少可根據(jù)實際需要而酌情約定。本系統(tǒng)中18個字節(jié)的約定：Byte1為數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)；Byte2為數(shù)據(jù)開始特征字；Byte3為數(shù)據(jù)讀或?qū)懱卣髯郑籅yte4為數(shù)據(jù)類型特征字；Byte5～Byte8為PLC數(shù)據(jù)地址；Byte9～Byte16為 PLC數(shù)據(jù)的數(shù)值；Byte17為收發(fā)數(shù)據(jù)的校驗碼；Byte18為數(shù)據(jù)結(jié)束特征字。串口數(shù)據(jù)的傳輸除數(shù)據(jù)地址字節(jié)和數(shù)據(jù)數(shù)值字節(jié)用ASCII碼表示外，其他均以十六進制方式表示。因而在上位PC的編程中需涉及大量的進制轉(zhuǎn)換操作。特別要注意的是由于PLC中的實數(shù)采用32位單精度數(shù)表示，并按照ANSI/IEEE 745 1985標(biāo)準(zhǔn)格式以雙字長度來存取，所以無論是上位的PC或是下位的PLC在編程時對實數(shù)數(shù)據(jù)的處理均需嚴(yán)格遵循ANSI/IEEE 745 1985標(biāo)準(zhǔn)格式的規(guī)定，否則將不可能讀到正確的數(shù)據(jù)。

通訊數(shù)據(jù)的校驗方式采用BCC塊進行XOR校驗，即約定為從每次數(shù)據(jù)包的Byte2到Byte16的字節(jié)進行校驗，Byte17存放校驗結(jié)果。上位或下位在接收數(shù)據(jù)時，首先對所接收的數(shù)據(jù)進行校驗并將計算結(jié)果與Byte17所存放的數(shù)值進行比較，如不一致時則按約定要求重發(fā)，以保障每次傳輸數(shù)據(jù)的正確性。

3.4 遠(yuǎn)程PLC自由口通訊初始化編程

由于遠(yuǎn)程PLC采用的是自由口用戶通訊協(xié)議，所以對PLC的自由口通訊必須做如下初始化設(shè)置[7]：

遠(yuǎn)程PLC經(jīng)上述設(shè)置后，在其運行期間每當(dāng)接收到一組數(shù)據(jù)后便自動產(chǎn)生中斷請求，在中斷服務(wù)的子程序中，設(shè)定一標(biāo)志位（如M0.0）置位，用來表示允許進入中斷服務(wù)，在主程序中通過檢測M0.0的狀態(tài)來確定是否轉(zhuǎn)入讀數(shù)據(jù)操作的子程序，讀數(shù)據(jù)操作完畢后及時將接收數(shù)據(jù)標(biāo)志M0.0復(fù)位，從而完成一次讀數(shù)據(jù)過程。PLC數(shù)據(jù)的上傳則是根據(jù)所讀數(shù)據(jù)的內(nèi)容來響應(yīng)上位的請求，上傳數(shù)據(jù)的編碼和字節(jié)均依照約定的格式寫入，每次的讀寫操作僅在PLC一個掃描周期內(nèi)（數(shù)毫秒）完成，系統(tǒng)的響應(yīng)是實時的。

3.5 遠(yuǎn)程PLC數(shù)據(jù)的讀寫操作

PLC數(shù)據(jù)的讀寫是依據(jù)約定的數(shù)據(jù)類型實施操作的。對于字節(jié)、字、雙字、實數(shù)及I/O端口各自有約定的數(shù)據(jù)類型特征字，在下位PLC程序中通過對數(shù)據(jù)類型特征字的解析后來確定讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。對I/O端口的讀寫操作則是根據(jù)約定的地址編碼直接讀寫出相應(yīng)的狀態(tài)信息。每組收發(fā)數(shù)據(jù)的存儲單元從VB100到VB117共18個字節(jié)。由前述的數(shù)據(jù)發(fā)送量的約定可知，每組數(shù)據(jù)的Byte5～Byte8表示PLC數(shù)據(jù)的地址，由于每次讀寫的地址是不同的，所以Byte5～Byte8字節(jié)給定的就是地址指針，在PLC編程中就要以此指針采用間接尋址的方式，假設(shè) Byte5～Byte8存放在PLC的VB104～VB107單元，其間址指令則為：

MOVD&VB104，AC1讀取該地址內(nèi)容時則根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同而有所區(qū)別，假如讀寫字節(jié)時指令為：MOVB*AC1，VB160；則讀寫字的指令為：MOVW*AC1，VW160；讀寫雙字的指令為：MOVD *AC1，VD160；讀寫實數(shù)的指令則為：MOVR*AC1，VD160。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)經(jīng)實際測試基本達到了預(yù)期效果。遠(yuǎn)程PLC在省際間距離的測控響應(yīng)與在本市區(qū)地域的測控響應(yīng)基本相同，通過對PLC I/O的讀寫、模擬量數(shù)據(jù)的讀寫、單字節(jié)、雙字節(jié)及實數(shù)的讀寫，均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯現(xiàn)象，遠(yuǎn)程的響應(yīng)速度基本上是對上位的指令立即響應(yīng)，操作人基本感覺不出時間的延時。在PLC中，由于本遠(yuǎn)程測控程序字節(jié)量較少，完全可以嵌入在PLC的過程控制程序中運行，由于在自由口通訊中，對上位PC讀寫的響應(yīng)采用的是中斷方式快速響應(yīng)，所以對PLC的過程控制程序的實時性基本無影響。

[1]李斯春，李楊，唐國俠.基于GPRS的自動抄表系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2007（10）：97-100.

[2]安軍強.基于PLC數(shù)傳電臺和工控機的無線監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化博覽，2006（6）：76-77.

[3]Siemens.TC35i AT command set[EB/OL].（2003-01-10）[2010-01-29].http：//member.ic37.com/sell/pdf.asp?keyword=TC35I&type=pdf.

[4]Siemens.TC35i hardware interface description[EB/OL]（2003-01-22）[2010-01-29].http：//download.pudn.com/downloads115/doc/comm/31767660TC35I.rar.

[5]陳堅，孫志月.MODENM通訊編程技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[6]范逸之，陳立元.Visual Basic與RS-232串行通訊控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[7]Siemens.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[EB/OL]（2008-08）[2010-01-29].http：//www2.ad.siemens.com.cn/download/Upload/AS/manual/1109582[1].pdf.