引言

      可編程控制器（plc）由于其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、編程簡單、指令強大、靈活性強、能適用于比較惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應用?，F(xiàn)普遍采用觸摸屏加plc的方法來監(jiān)控設(shè)備，但觸摸屏視角窄，不適應惡劣環(huán)境，且數(shù)據(jù)存儲容量有限，不易實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡互聯(lián)。因此我們采用plc與計算機通訊的方式實現(xiàn)實時監(jiān)控，克服了觸摸屏的缺點。

2  s7-200 cpu自由口通訊方式的應用

      世界知名品牌的plc很多，如西門子、歐姆龍、松下、三菱等等，本人僅以西門子s7-200小型可編程控制器的cpu22×系列為例，介紹plc在計算機網(wǎng)絡中與計算機通訊的功能。

      s7-200 cpu支持多樣的通訊功能，根據(jù)所使用的s7-200 cpu，其網(wǎng)絡可以支持一個或多個以下協(xié)議:

      點到點（point-to-point）接口（ppi）

      多點接口（multi-point）（mpi）

      profibus

      用戶定義協(xié)議（自由口）

      自由口通訊是通過用戶程序可以控制s7-200 cpu通訊口的操作模式。利用自由口模式，可以實現(xiàn)用戶定義的通訊協(xié)議連接多種智能設(shè)備。通過使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令和接收指令，用戶程序控制通訊口操作。在自由口通訊模式下，通訊協(xié)議完全由用戶程序控制。通過smb30（口0）允許自由口模式，而且只有在cpu處于run模式時才能允許。當cpu出于stop模式時，自由口通訊停止，通訊口轉(zhuǎn)換成正常的ppi協(xié)議操作。

      近年來，隨著我國鐵路運輸環(huán)境的改善，列車速度越來越高，勢必對鐵道車輛提出較高的要求，其表現(xiàn)在對列車的舒適性和運行可靠性、安全性的要求提高，因此車輛上設(shè)備的自動化程度越來越高。自動化程度的提高，帶動了網(wǎng)絡技術(shù)在列車控制和監(jiān)控上的應用。車輛網(wǎng)絡控制、監(jiān)控簡圖如圖1所示。

      整列車設(shè)有車輛級計算機，每個車廂設(shè)有本車計算機，車輛級計算機與各個本車計算機組成車輛的主網(wǎng)，本車計算機與本車廂內(nèi)的各個設(shè)備間組成子網(wǎng)。plc由于其自身的優(yōu)點，作為控制核心在車輛上的多種設(shè)備中得以應用，例如列車自動門的控制、列車空調(diào)機的控制等，使其可以作為整個列車網(wǎng)絡系統(tǒng)中的一個節(jié)點。

3  通訊協(xié)議

      siemens s7-200系列plc可以采用用戶定義通訊協(xié)議（自由口）模式實現(xiàn)計算機與plc、plc與plc的通訊。筆者所描述的例子中，雖然車輛計算機系統(tǒng)和車輛上的其它設(shè)備分別是多個設(shè)備供應商的產(chǎn)品，但是只要制定好通訊協(xié)議，就能滿足相互通訊的要求。s7-200系列的plc正是由于其自由口通訊是通過用戶程序控制cpu串行通訊口的操作模式，所以可以方便地與車輛計算機通訊。

      計算機（主站）每隔100ms查詢plc（從站）一次，主站發(fā)出從站動作控制命令給從站，從站收到命令后發(fā)給主站應答幀，從站接收到主站發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)，計算出其校驗碼fcs，與接收到的一幀數(shù)據(jù)中的fcs比較，檢查是否有數(shù)據(jù)錯誤。如果有數(shù)據(jù)有誤，從站發(fā)送信息給主站，請求重發(fā)。
l 字符結(jié)構(gòu):每個字符由11位構(gòu)成，奇偶校驗位采用奇校驗方式。

起始位          數(shù)據(jù)                  奇偶校驗位      停止位

1位         8位 d7…d0               1位               1位

l 傳輸數(shù)據(jù)幀格式

byte（0）…byte（n）    fcs

byte（0）…byte（n）為字符串;

fcs為異或校驗碼，是發(fā)送的所有數(shù)據(jù)字節(jié)和地址字節(jié)之異或值。

l 主站命令幀結(jié)構(gòu)

從站地址  從站地址補碼  控制字節(jié)  命令字節(jié)  fcs

l 從站應答幀結(jié)構(gòu)

從站地址  從站地址補碼  控制字節(jié)  應答字節(jié)  fcs

4  通訊口初始化

      plc內(nèi)部特殊存儲器位smb30和smb130分別配置通訊端口0和1，為自由端口通訊選擇波特率、奇偶校驗和數(shù)據(jù)位數(shù)。自由端口的控制字節(jié)描述如表1所示。

例如:在通訊協(xié)議中規(guī)定奇偶校驗為奇校驗、每個字符的數(shù)據(jù)為8位、波特率為19200、自由口協(xié)議，采用通訊端口0，則在plc初始化程序中將smb30賦值為0c5h。

例://串口初始化
     ┋
network 7
ld     sm0.0
movb  16#c5, smb30 //波特率為19200奇校驗 //1起始位1停止位8數(shù)據(jù)位
eni                  //允許中斷
movb   2, smb34
movb   20, smb35
atch   int_0, 8
      ┋

5  plc實時數(shù)據(jù)處理

      由于s7-200系列plc在自由口模式下，通訊協(xié)議完全由梯形圖程序或stl編輯器控制，程序可以使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令和接收指令來控制通訊操作。cpu連續(xù)掃描用戶程序，執(zhí)行用戶任務。plc在程序執(zhí)行過程中，基于穩(wěn)定、快速靈活等方面考慮，cpu每個掃描周期都通過輸入輸出映像寄存器來執(zhí)行實際輸入輸出操作，即讀實際輸入點值到映像寄存器、寫映像寄存器值到實際輸出點。由于在中斷中不能順利進行數(shù)據(jù)讀寫操作，因此，可通過編程，利用plc循環(huán)掃描執(zhí)行程序的特點，使得在程序掃描期間實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲區(qū)與輸入輸出映像寄存器區(qū)交換數(shù)據(jù)。

      在本實例中，plc上電初始化后轉(zhuǎn)入接收字符中斷，當上位機發(fā)出查詢命令后，plc判斷所發(fā)命令的地址和地址補碼是否正確;如果正確判斷上位機是向plc發(fā)送命令還是查詢plc狀態(tài);如果執(zhí)行命令則plc轉(zhuǎn)入主程序執(zhí)行相關(guān)命令，如果查詢plc狀態(tài)則將協(xié)議定義的信息發(fā)送給上位機，上位機收到信息后發(fā)送應答幀給plc。

例:interrupt0   //接收開始
network 1
ldn    sm3.0
ab=    smb2, vb0
movw   +0, ac0
movd   &vb600, vd638
movb   smb2, ＊vd638
xorw   smw1, ac0
movb   ac0, vb300
atch   int_1, 8
atch   int_6, 11
creti
network 2
ld     sm0.0
dtch   8
atch   int_6, 10
interrupt1   //接收地址補碼
network 1
ldn    sm3.0
an     sm1.0
movb   smb2, ＊vd638
xorw   smw1, ac0
network 2
ld     sm0.0
atch   int_6, 10
interrupt2  //接收命令后判斷
┋
network 3       //發(fā)送信息
ldw=   ac2, +0
ab=    vb301, vb604
ab=    vb603, 16#00
atch   int_4, 10
dtch   11
creti
network 4
ld     sm0.0
wdr
┋
network 7
ld     sm0.0
s      m31.0, 1
dtch   11
atch   int_5, 10
interrupt3  //接收應答字節(jié)
network 1
ldn    sm3.0
an     sm1.0
movb   smb2, ＊vd638
incd   vd638
xorw   smw1, ac0
decw   ac2
network 2
ldw=   ac2, 16#0000
movw   ac0, vw300
network 3
ld     sm0.0
dtch   8
atch   int_6, 10
interrupt4  //發(fā)送信息碼
┋
network 6
ld     sm0.0
movw   ac0, vw105
xmt    vb100, 0
atch   int_6, 9
    ┋
interrupt5  //發(fā)送應答幟
┋
network 9
ld     sm0.0
movw   ac0, vw105
xmt    vb100, 0
r      m31.0, 1
atch   int_6, 9
    ┋
interrupt6  //轉(zhuǎn)入接受中斷
network 1
ld     sm0.0
dtch   9
dtch   10
dtch   11
atch   int_0, 8

6  計算機實時數(shù)據(jù)處理

      計算機程序由車輛級網(wǎng)絡供應商提供，根據(jù)雙方制定的通訊協(xié)議，通常采用vb或vc編寫，在此不做詳細描述。

7  結(jié)束語

      從以上敘述可以看到，由車輛計算機與plc（或其它智能可編程設(shè)備）組建的車輛級實時監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵在于解決計算機與plc的實時通訊、plc對車上設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控的問題。通過這種方式組建的車輛實時監(jiān)控系統(tǒng)，只是在原有的設(shè)備控制器軟件內(nèi)增加了通訊程序，所以并沒有增加設(shè)備供應商的成本，因此這種監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)成本低，而且實時性好、操作簡單、通用性強。再利用計算機易組網(wǎng)的功能，實現(xiàn)了整列車的實時監(jiān)控，大大提供了列車行駛中的可靠性和安全性，因此這種網(wǎng)絡系統(tǒng)在旅客列車、特別是高速列車上已普遍使用。