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自动化与仪器仪表 2 01 2年第 1期 总第 1 5 9期 基于R S 4 8 5 总线的分布式P L C 监控系统通信设计 陈久松 , 朱政, 尹卫平, 李鸣 扬 州电力设备修造厂 江苏扬 州, 2 2 5 0 0 3 摘要结合西门子S 7 2 0 0系列P L C的特点, 介绍了由P L C 和 算机构成的分布式监控系统, 分析了R S 2 3 2 和 R S 4 8 5的通信方式及通信原理, 着重 阐述了系统 的硬件连接 、 通信协议和利用V B实现计算机与P L C的通信方法, 并 给 出了详细的程序 设计过程 。 该系统对于用计算机对 P L C实现数据集 中采集、 监控提供 了可靠的手段 。 关键词 R S 4 8 5 ; P L C ; 通信; V B Ab s t r a c t Co mb i n a t i o n o f S i e me n s S 7 2 0 0 s e rie s o f P LC c h a r a c t e r i s t i c s . I n t r o d u c e d b y PL C a n d a c o mp u t e r d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m, An a l y s i s o f RS 2 3 2 an d RS 4 8 5 c o mmu n i c a t i o n me tho d a n d co mmu n i c a t i o n t h e o r y. ’0 c u s e s o n t h e s y s t e m h a r d wa r e c o n n e c t i o n , commu n i c a ti o np r o t oc o l s a n dr e a l i z a t i o nb yVB c o mp u t e r an dP L C c o mmu n i c a ti o nme tho d , a n dg i v e sad e t a il e dp r o g r a m d i g np r o c e s s . T h e s y s t e m f o r the c o mp u t e r t oPL C imp l e me n t a t i o n o f c ent r a l i z e d d a t a a c q u i s i ti o n , mo n i torin gp r o v i d e s a r e l i a b l e me a n s o f . Ke ywo r d s R S4 8 5; P L C; Co mmu n i c a t i o n ; VB 中图分类号T P 1 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 9 2 2 7 2 0 1 2 0 1 0 0 5 卜0 4 0 引言 随着计算机与通信技术 的发展 , P L C各种模块的多样 化和信息化,由P L C作为基本控制单元 的分布式控制系统 在 自动化 领域 中广泛应用, 迫切需要⋯种总线能适合远距 离的数宁通信 。 在R S 4 2 2标准的基础上, E I A研究出了一 一种 支持多节点、 远距 离和接收高灵敏度的 R S 4 8 5总线标准 。 E I A曾经在它所有标准前面加上R S前缀 英文R C o m m e n d e S t a n d a r d 的缩写 , 因此许多工程师一直沿用这种名称, 因 为R S 4 8 5 的远距离 1 2 0 0 m 、 多节点 3 2 以及传输线成本低 的特性, 使得E I A的R S 4 8 5 成为工业应用数据传输的首选 标准 。 我厂 1 8条 电动执行机 构调试线 ,分布在三个 厂房 的 若下区域, 每个调试线由 一台P L C与H M I 控制, 为了将调试 数据归 口管理 , 并判断调试结果的正确性, 对调试线进行 监控, 1 8 台P L C 通过 R S 4 8 5 总线与计算机连接起来, 构成一 个分布式监控 系统, 通过数据通信使计算机和 P L C实现数 据共享 , 完成对调试过程 的集 中管理和分散控制。 计算机 与 P L C各个 子站的的通信是系统的重要环节 , 本文详细论 述 了基于R S 4 8 5 总线, 利用V B开发了上位机通信系统, 编 写 了P L C自由口的通讯协议的设计与实际应用方案。可以 借鉴为各种上位机、 P L C 、 H M I 等通信系统设计的应用范例, 同时可作为检测技术、自动化设计等课程 的工程项 目训练 与教 学的平 台。 1 R S 4 8 5 网络构成 R S 4 8 5 标准采用有平衡式发送, 差分式接收的数据收 发器来驱动总线, 与R S 4 2 2一样 , 可以将多个 最多为 3 2 个 R S 4 8 5 接 口互连 , 而其连接更简单, 只需将各个接 口的 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 8 作 者 简介 陈久松 1 9 7 4 一 , 江苏扬 州人 ,高级工程师, 硕士, 主 要从事 自动化研究与工程方面- 7 - . 作。 基金项 目 国家 自 然科学基金 6 0 8 7 4 0 7 5 ;江苏省教育厅自 然科 学基金 0 7 K J B 5 2 0 1 3 9 “ ” 端和“ ” 端相连 、 “ ” 端和 “ 一” 端相连 , 连接的两根线 就是R S 4 8 5的“ 物理总线” 。 这些相互连接的R s 4 8 5 接口的 物理地位完全平等, 在逻辑上取 一 个为主导地位, 其他为 从属地位 。 在通信 时, 同样采用主呼 叫, 从应答的方式 。 控制系统 的硬件构成如 图 1所示 , 上位机为计算机 , 下位机采用西门子公司S7 2 0 0系列P L C, 各P L C通过通信 口0 直接挂在R S 4 8 5 总线上, 上位机通过 R S 2 3 2 / 4 8 5 转换器 与 R s 4 8 5 总线相连, 形成 1 N通信方式。 控制系统中, 上位 机 的主要任务是获取调试线上的数据信息,完成对调试过 程 的监控 。 下位机 的主要任 务是对调试 过程进行 自动控 制 , 将调试数据发送给 上位 机 , 并按上位机命令执行 。 R S 4 8 5总线 l Ej l P L C1 调试线 1 【 鲁 搴1 PL C2 调试线 2 【 日E丑 【 P L C 2 调试线 l 8 图l 肛 司 络 图 2 计算机与P L C 的通信 上位机与P L C的通信实际上是计算机与 P L C的通信模 块之间交换命令和 响应 , 下位机 具有初始传送优先权 , 将 所有调试数据发送给 上位机, 上位机根据收到的数据判断 哪个调试线发 出的数据 , 对数据分析后响应回传数据与命 令 , 下位机 只接收发送 给 自己的数据 。 通信 以“ 帧 ” 为单 位进行 , 帧分为数据帧和 响应帧两种。 数据帧 由P L C发送 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于R S 4 8 5 总线的分布式P L C 监控系统通信设计 陈久松, 等 给上何机;响应帧为上何机接到数据帧后 白动 向P L C发出 的命令 与判断信号所有 的指令码 、 宁符和 数据均 以十六进 制码 发送 和接受 。 s 7 2 0 0 系列P L C 通信模式有两种 一种是点对点 P P I 通信协议, 用于 P L C与其编程器或两门了公司的人机接 口 产 品之间的通信; 种是对用广 J 完伞开放 的 自由口模式 f r e e p o r t m o d e , 由用, , 白行规定通信的协议。 P P I 模式 能在 P L C 停 I l 方式 S T O P 下通信, 而 自由口模式 能在 P L C 运行方式 R u n 下通信 , 我们采用 自由口通信方式在进行 通信之前, 应先对 串口初始化 。 对S 7 2 0 0 P L C的初始化是 通过设置特殊标志位s M B 3 0 来实现的。 2 . 1 P L C 的发 送指令 发送S 7 2 0 O系列P L C有专门的发送指令用于发送数据, 格式 为 X M T T A B L E P O R T T A B L E为发送数据的字节数即数据长度, 最大为2 5 5。 而要发送的数据必须存储在T A B L E的后面。 如T A B L E的存储 域为V B 6 0 0 , 要发送“ M E S S A G E ” 的数据存储形式如图2 所 。POR T指定通信 口, 本项 目设为0。当止在发送数据时, P L C 特殊标志6 7 - S M 4 . 5 为0 ; 发送完后, S M 4 . 5 为1 。 冈此可通 过判断 S M 4. 5的状态来进行发送后处理 。 VB6 OO VB 60I V B602 VB6 03 VB6 04 VB 605 VBS0 6 VB6 07 图2 P L C 发送信息 如 果有一 个 中断服 务程序连 接到 发送结束 痔件上 , 在发送完缓冲 中的最后 一 个字符时, 则会产生 一 ‘ 个中断 对端 口0为中断事件 9 , 对端口l 为中断事件2 6 。 2 . 2 P L C 接 q 旨 令 接收指令的格式为R C V T A B L E P O R T 接 收指令使您能够接收 个 字节 或多个 7节 的缓冲 区, 最多为2 5 5个 。 图3给 出了接收缓冲区的格式。 如果有 ‘个 中断服务程序连接到接收信息完成事件上, 在接收完 缓冲 中的最后 个宁符时, S 7 2 O O 会产生‘ 个中断 对 端 口0为中断书件2 3, 对端口1为中断事件2 4。 也可以/ 1 使用中断, 通过 视S M B 8 6 端口0 或者S M B 1 8 6 端 口1 来接收信息 。当接收指令未被激活或者已经被 中止时,这 ‘ 字节不为0;当接收 在进行 时, 这‘ 字节 为0。 图3 接收信 息 2 . 3 特殊寄存器及相关的位 S M B 3 0 控制 自由端口0的通讯方式 , S M B 1 3 0 控制 自由 端口1 的通讯方式。 您町以对S M B 3 0 和S M B 1 3 0 进行写和读。 如表 1所爪, 这些 字节设置 自由端 口通讯 的操作方式 , 并 提供 自由端 口或者系统所支持 的协议之 问的选择 。 通信接收字符缓冲器S M B 2 S M B 2 是 一个暂态 寄存器, 用于存放存 自由口通信方式下接 收到的当前字符, 用, ’ 存 52 下 一步应从这 取走其中的内容,通过编程控制将接收到 的字符 个 个由SM B 2移入接收缓冲 。 通信校验结果标志位S M B 3 . 0 P L C 按S M B 3 0 规定的奇偶 校验方式对所接收到的数据作校验 。 如果校验有错 , P L c 自动将S M B 3 . 0咒1 , S M 3 . 0 0农 奇偶校验 【 确。 根据这个 标志 ,可 决定对 当前信息 的取舍 ,还 町以存 出错 的情 况 下 , 将此错误何 发送 给对方,以便要求它重 发。 作方式标志位S M O . 7 5 7 - 2 0 0系列P L C 有处于运行 R U N 方式时才能进行 自由口模式通信, 而在停 I t S T 6 P 方式时只能以P PI 模式通信。 当P L C处于R U N方式时S M 0. 7 1 , 否则S M O . 7 0, 冈此町通过判断S M O . 7的状态来打 或 关 闭 自由口通信 。 发送器 标志SM 4.5及收发指令当 发送数据信息 时, 特殊存储器位 S M 4 . 5 0 ,当发送完成后, S M 4 . 5 1 ,因此 可通过判断S M 4 . 5的状态来进行发送后处理, 也叮直接用 发送 中断来处理 。 表1 特殊存储器字节S M B 3 0 端H 0 端I 捕述 S M B 3 0 的 格式 S M B I 3 0 的格』 M S B I S B 7 0 P P d h b b m m S M 3 0 .0 和S M3 0 . I S MI 3 0 0 和S M1 3 0l P P / 从站模式 0 1 1 It 【 _】 议 1 O P l / 1 . 站模式 I l 佴 . 缺省足P P I/ 从 站模式 S M 3 0 2 和S M 3 0 4 S M 1 3 0 .2 和S Ml 如4 b b b f Ⅲ 】 波 特书 0 0 0 3 8 ,4 0 0 波特1 0 0 2 , 4 0 0 波 特 0 0 1 1 9 , 2 0 0 波特1 0 1 1 , 2 0 0 波 特 O l 0 q ,6 0 0 波特 I 1 0 1 1 5 2 0 0 波特 叭1 4 8 0 0 波特I I I 5 7 ,6 0 0 波特 S M 3 O . 5 S Ml 3 0 .5 d 每个字符的数据位0 - 8 位 , 字符 1 7 位 / 字符 S M 3 0 6 和S M3 0 .7 S MI 3 0 .6 和S MI 3 0 .7 p p 校验选择o 0 不校验l 0 不校验 0 1 偶校骑 I 1 奇校验 3 上位机程序设计 在W i n d O W S 环境下, 实现上位机与P L C的数据通讯, 有 多种软件开发平台叫’ 以使用, Vi s u a 1 B a S i c 编写通信软件 十分方便 , 编程 ] 作量小 , 可视化程度 高, 尤其 是提 供 了 通信控件M S C O m m, 可方便地实现与多台P L C问的通信。 M SC O m m拧件有很多重要属性,其中最重要的几个是 1 C o m m P o r t 设置并返回通信口号; 2 S e t t i n g s 以字符串的形式设置并返【 口 J 波特率、 校 验方式 、数据位和停 L 【 何; 3 P o r t O p e n 设 并返【 口 J 通信端口的状态 打开或关 闭‘ 个通信 口 ; 4 I n B u f f e r C o u 13 t 返【 口 l 接收缓冲区收到的字节数; 5 I n p u t 属性 从接收缓冲区读取数据; 6 O u t p u t 属性向传送缓冲 写‘ 个字符串。 计算机与PLC的通信过程流程图如 图5所 , 下面 为 讨‘ 算机与 5 号站P L C的土要通信程序。 3 . 1 初始化 通信 口 P ri v a t e S u b F o r m L o a d 0 M S C o m m 1 . C o m m P o r t l / / 使用串行 口1 M S C O 『 Il m 1 . S e t t i n g s - 9 6 0 0 , e , 7 , 1 / / 9 6 0 0 波特率, 偶校 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表 2 0 l 2年第 l期 总第 l 5 9 期 验,7位 数据位 , 1位停止位 M S C o m m 1 . I n B u f f e r C o u n t 0 / / 清除接收缓冲区 M S C o m m 1 . I n p u t L e n O / / 输入时, 读取缓冲区的全部内 容 M S C o m m 1 . P o r t 0 p e n T r u e / / 扣 ‘ 开通信口 3 . 2 发送控制命令 P r i v a t e S u b S e n d C 1 i c k 0 H D 5 F F W W 十 A M O I O 0 O 1 D a t a / / 发给 5 号P L C站 W r i t e C h r 5 H D S u m C h k H D C h r 1 3 C h r 1 O / / 形 成控制命令字, 其中D a t a W为要 / / 写入的数据, S u m C h k R D 为和校验函数 M S C o m m 1 . O u t p u t W r i t e / /向5 号站P L C 发送控制命令 D O X Y M S C o m m 1 . I n p u t / / 接收P L C 响应 R D d a t e R D d a t e X Y L o o p U n t i 1 R i g h t R D_d a t e , 2 C h r 1 3 C h r 1 O R d L e f t R D d a t e , 5 / / 取应答字符串的前5 位 I f R d C h r 6 0 2 F F T h e n M s g B o x 控制命令已接收 E 1 s e M s g B o x 通信错误 E n d I f E nd S u b 3 . 3 读取调试线状态信息 P r i v a t e S u b D _A 0 R D 0 5 F F W R A D O 0 0 0 0 0 1 R e a d C h r 5 R D S u m C h k R D C h r 1 3 C h r 1 0 M S C o m m 1 . 0 u t p u t R e a d / / 发送读5 号站P L C 数据命令 D O c h M S C o m m 1 . I n p u t / / 接收P L C 响应 R _ A ns w e r R _ A n s w e r c h L o o p U n t i l R i g h t R _ A n s w e r , 2 C h r 1 3 C h r 1 O R A L e f t R A n s w e r , 5 / / 取P L C 应答字符串的前 5 位 I f R A C h r 2 0 2 F F T h e n / / 判断读取是否正确 M S C o m m 1 . O u t p u t C h r 6 0 2 F F / /正确, 向P L C发送 确 认信号 D a t a R M i d R A n s w e r , 6 , 4 / / 取出数据 D a t a R V a l H D a t a R / / 据转换位十进制数 E 1 s e M s g B o x 读取数据错误 E n d I f E n d S u b 4 P L C 程序设计 P L C通过程序对调试线 的控制, 产 生的调试结果存放 在以V B 1 O 0为首的2 5 5 个字节中, 本文主要叙述的通讯, 并 也存在数据的翻译过程, 例如调试 的力矩值放在V W 2 0 0中, 则要求将V B 2 0 0 乘 以2 5 6再 J fl V B 2 0 1 。 若是浮点数的翻译方 式还 了复杂些 , 在此就 一 一 叙述 。 主要是将 一串调试数 据发送 给上位机 , 并得到上位机 的对试验结果的判 断与命 令。 下面结合通讯相关 的P L C程序, 对通讯进行相应 的说 明。 4 . 1 主程序 L D 1 0 . 1 / / 发送控制 E U C A L L 发送 S B R 1 / / 将调试好的数据存储在表中, 准 备调用子程 序发送 4 . 2 接收子程序 S B R L D S MO . 0 M O V B 9 , S M B 3 0 / / 初始化端口0 M O V B 1 6 F O , S M B 8 7 / / 初始化R C V 信息控制字节, R C V 使 能 / / 检测信息结束字符, 检测 空 闲线 信息条 件 M O V B 1 6 0 5 , S M B 8 8 / / 只接收发给本站的数据 以5 号站 为例 M O V B 1 6 O A , S M B 8 9 / / 接收回车键, 接收的结束数据 M O V B 5 , S M B 9 0 / / 设置空闲线超时为5 m s M O V B l O , S M B 9 4 / / 设置最大字符数为 1 0 A T C H I N T 0 I N T O , 2 3 / / 接收完成, 执行中断0 E N I / / 启用用户中断 R C V V B 6 0 0 , 0 1 1 通过端 口0 , 接收数据, 存储在以 V B 6 0 0为首的字节中 4 . 3 发送子程序 S B R1 L D S M O . 0 M O V B 2 0 1 l O l O O l , S M B 3 0 / / 初始化端 口0 , 9 6 0 0 波 特, 7个数据位 , 偶校验 M O V B 2 5 5 , V B I O 0 0 / / 发送的总数据位 A T C H I N T 一1 I N T 1 , 9 / / 发送完成执行 中断 1 E N I / / 启用用户中断 X M T V B l O 0 , 0 / / 通过端 口0 , 发送数据, 发送以V B I O 0 为首 的字节 中 4 . 4 中断子程序 中断予程序I N T O L D S M O. 0 M O V B V B 6 0 2 , O B O / / 响应已接收到命令 中断子程序I N T h L D S M O . 0 C A L L 接收 S B R O / / 使P L C 处于接收状态 5 结束语 该系统经实际运行情况表 明, 采用 R s 一 4 8 5总线构建 的分布式监控系统 , 硬 件连接简单 , 编程快捷 , 可方便地 实现计算机和多台P L C间的联网通信 , 与用现场 总线模块 下转第5 6 页 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于G S M R 的列车位置监测平台设计 冯晶咩 B T S 接着把数据沿着B S C 、 S G S N 、 G G S N 模块, 通过G P R S归属 服务器接入G S M R 数据网, 然后通过M P L S V P N网络把多条线 路数据汇 集到数据处理终端 。 3 数据处理显示 在数据 处理终端 部分 ,使用铁路地 理信息系 统对位 置信 息进行矫 并 示在终端上 面。 铁路地 理信息 系统 R a l l w a y G e o g r a p h i e I n f o r m a t i o n S y s t e m 是一 一 个为铁 路规划 、 管理、 决策及应用服务的 , 以计算机和 络为载 体、 G I S为软件半台的应用型技术系统。 国外地理信息系统 G I S 在铁路上的应用主要分布在 欧洲 、 北美和亚洲的H本等发达 国家, 用于铁路 础设施管 理、l 务、 电务、 信号、 运行调度、 勘测设计、 铁路客货运 电 了 商务、 模拟 训练器 、 客车及车站旅 客实时信息服务等领 域服务 。 其中尼 以铁路基础设施管理系统廊用最 为广泛 。 2 . 3 轨旁z I G B e e 无线传感器网络布放 C C 2 4 3 1 是基于R S S I R e e e i v e d S i g n a 1 S t I ’ e n g t h I n d i e a t 0 r 的定位引擎 , 能根据接受信号强度与已知 c c 2 4 3 0参考节点何置计算出有关节点位 ,然后将位置信 息通过G P R S模块发送 出去 。 相对于集 L } J 型的定位系统, R S SI功能降低了网络流量与通信延迟,存典型应用中可实 现3 ~5 n l 的精度。 存C C 2 4 3 1 / z i g B e e 无线网络定位系统中主要包括二类 节点 协调器节点、定位节点 Bl i n d n o d e 、 参考节点 R e f e r e n e e n o d e 。 定位节点是 类可移动的节点, 可在 参考节点包闭的区域 内任意移动。它通过接受定位 区域内 所有参考节点的 R S S I值后, 经过定位算法来计算其坐标 位置。 定位节点必须 由C C 2 4 3 1 芯片实现。 参考节点是‘ 种 已知静态节点, 其坐标何置 X、 Y值 是 定的, 并且不参 与定位计算, _口 丁 由C C 2 4 3 0 或C C 2 4 3 1 甚至可以用C C 2 4 2 0 与 M I C r o c o n t r o ] l e r 单片机 芯片实现。 Z i g B e e 无线传感器网 络沿铁 路采用 带状布 放 ,树型 网络 结构 。节 点类型有二 种协调器节点、 定何节点 B l i n d n o d e、 参考节点 R e f e r e n e e n o d e , 全都使用全功能设备 F F D 。 调器节点由C c 2 4 3 0芯片担当, 主要功能有 与G s M R例络通信 选择网络所使用的频率通道 建立 络并允许 其它节点加入删络 提供信息路 由, 安全管理和其它的服 务。 在 建了 络并完成了整个 网络的初始化后 , 即使关闭 协调器节点 ,网络仍然 町以J l 常 作 。 参考节点使用C C 2 4 3 0 芯片实现, 是Z i g B e e I c4 络中的 路由器。参考节点是‘ 个知道 自己坐标的静态节点 ,这个 节点必须正确地被配置在定位区域 中的坐标。它的任务是 提供‘ 个包含 自己位置x、 Y坐标和RS S工值的信息包给定 位节点。 定何节点使用C C 2 4 31 定何引擎, 是Z i g B e e网络中 的路 由器 。定位节 点能够与离 自己最近的参考节点通 信, 收集这些节点的x、 Y坐标和R SS I值, 根据这些信息和输入 参数一 起 计算 自l己坐标 信息 。 2 . 4 列车移动节点G P R s 附着流程 为了使列车移动节点上的G P R S终端模块无须为每次 业务请求进行拨号、 建立连接 , 可以通过使用 G P R S附着使 终端,G P R S网络始终保持联系, 方便S G S N 对M S 、 以及H L R 对服务于M S的S G S N的跟踪。 具体G P R S附着流程如下 1 G P R S 终端模块上电, 通过C C C H 发送 I M S I 4 6 0 0 0 1 4 9 X X X X X X X 到B S C 2 B S C确定这是‘ 个G P RS附着请求, 将此请求发往 S G S N ; 3 S G S N收到请求后对 M S I 做信令分析, 找到所属 的H L R, 然后向H L R发送信息请求 ; 4 H L R 将 自己数据库中的数据发送给S G S N 。 S G S N 存储 这些数据; 5 S G S N对G P R S终端模块进行鉴权 , 通过后告诉 H L R G P R S 终端模块已成功附着。 2 . 5 基于G S M R 的解决方案 传 感器节 点沿着 铁路线布 放 , 同时存协 调器节 点加 装G P R S接收芯片, 实现发送和接受数据 以及外部时f H J 同 步消息功能 。 数据流经过节点的G P R S 模块到达荩站B T S 基站‘ 般 通过有线方式将数据传到 站控制器 B S C 站控制器根 据数据流的性质选择送往 M S C 还是S G S N 模块, 如果是G P R S 业务则走S G S N 模块, 其他业务走 M S C S G S N 模块接着把数据 送往G G S N 模块 最后通过G P R S 归属服务器与G S M ‘ R 数据嘲 络接通 。 3 结论 本论文在充分了解 G S M R嘲络、 Zi g B e e无线传感器 络和列车定位的摹础上 , 研究和设计 了荩于G S M R的列牟 位 置监测平台, 主要介绍了传感器 网络的主要技术以及 十G S M R的列车监视系统解决方案。由于时f u J 和能力有 限, 设计方案还有许多需要改进和完善的地方 , 望能在 H后的 工作中得到完善 。 参考文 献 [ 1 ] 夸 哗. 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