0 引言
在過程控制中，由于工業現場非常分散，I／O點數眾多，各種儀表的工作環境非常惡劣，采用數據采集卡和LabVIEW開發平臺來完成現場的數據采集和控制顯然不可取?？紤]到過程控制中的過程參數變化不是很快，而PLC恰恰可以克服數據采集卡在過程控制中的不足，并且
具有較高的性價比，因而采取以PLC為下位機，以裝有LabVIEW軟件的工控機為上位機開發平臺。通過RS-232和RS-485串口與PLC通信，實現對工業現場的監控與現場數據的分析。本文根據這個思想設計了一個工業遠程監控系統，上位機采用PC機，下位機采用西門子PLC S7-200。介紹了一種在LabVIEW 8．6平臺上開發PC機和PLC實時監控的軟件的編程方法，在此基礎上構建了基于PLC的主從式虛擬儀器測控系統。
1 系統構成與自由口通信模式
1．1 PC與PLC的通信方式
S7-200 CPU上的通信口是與RS-485兼容的9針D型連接器。PLC還提供了實現RS-485與PC機上RS-232相連接的PC／PPI電纜，可以方便地實現S7系列PLC與PC之間的硬件連接。圖1是PC與PLC通信的示意圖，利用主機上的232串口，通過RS232-RS485轉換模塊與PLC相連。系統中如果應用多個PLC模塊或其他具有RS485串行通信能力的設備，亦可方便地聯網或構成網絡測控系統。
1．2 PC與PLC的通信協議
西門子S7-200系列的PLC可以在四種通信模式下工作：PPI、MPI、PROFIBUS-DP和自由口通信模式。自由口通信模式是由用戶程序來控制CPU的串口通信。用戶可以利用發送／接收中斷、發送／接收指令來控制通信的操作，實現與打印機、條形碼閱讀器等設備的通信。
本文主機與PLC之間串行通信采用的是自由通信協議。該協議采用主從結構的通信方式，傳輸模式是RTU，適用于半雙工的RS485總線。協議規定總線上有一個主機，多個從機，每個從機分配惟一的地址。工作時可以采用命令應答的通信方式，每一種命令幀對應著一種應答幀。主機向要訪問的從機發出命令幀，地址匹配的從機做出響應，向主機發出命令幀對應的應答幀。自由通信協議中，為命令幀定義了許多功能碼，不同的功能碼要求從機進行不同的響應。PLC在將傳感器信號轉換為數據后將其存儲在變量存儲區的固定區域。此時PLC的串口一直處于接收狀態，直到接收到來自上位機的讀命令后，轉為發送狀態，將變量存儲區中的數據通過串口發送給上位機?？紤]到收發切換有一定的時間間隔，所以必須延遲一段時間再轉為發送數據。
1．3 自由口模式的注意事項
自由口模式通信要注意以下問題：
(1)CPU通信口工作在自由口模式時，通信口就不支持其它通信協議。CPU停止時，自由口不能工作，編程軟件就可以與CPU通信。
(2)此通信模式下，發送和接收指令是程序的核心指令，用戶程序不能直接控制通訊芯片而必須通過操作系統。
(3)用戶程序中應考慮電纜的切換時間。CPU接收到RS-232設備的請求到它發送響應的延遲時間必須大于等于電纜的切換時間，可用定時中斷實現切換延時。
(4)在自由口模式下，通信雙方的通信參數是由用戶自行設定的，通信雙方的波特率一定要設置相同。另外，在PLC網絡中主站個數越少，通信速度越快：波特率越大，通信速度也越快，但抗干擾能力降低。因此對于本系統這種單主站的網絡，要注意波特率不宜設置得過大。
2 虛擬儀器程序設計
LabVIEW是美國國家儀器公司開發的虛擬儀器開發平臺軟件，功能強大、靈活，廣泛應用于自動測量系統以及工業過程自動化等各個領域。
在LabVIEW編程語言中串口通信采用虛擬儀器體系結構VISA (Virtual Instrument Software Architecture)標準編程。VISA是儀器驅動的一個工業標準，其內部是一個面向對象的結構，這一結構使得VISA和在它之前的I／O控制軟件相比，在接口無關性、可擴展性方面都有很大提高。VISA標準的推出，統一了儀器工業的軟件接口標準，使得儀器驅動程序兼容性強并且可適應未來軟硬件的發展需要。
2．1 LabVIEW中的串口通信函數
(1)VISA配置串口。該函數主要用于串口的初始化。主要參數如圖2所示。
其中“VISA資源名稱”指定要打開的資源。該控件也可指定會話句柄和類。“波特率”是傳輸速率，默認值為9600。“數據比特”是輸入數據的位數，默認值為8。“奇偶”指定要傳輸或接收的每一幀所使用的奇偶校驗。“停止位”指定用于表示幀結束的停止位的數量。“流控制”設置傳輸機制使用的控制類型。“VISA資源名稱輸出”是由VISA函數返回的VISA資源名稱的副本。
(2)VISA讀取函數。該函數為串口讀取子程序，從串行設備讀取數據，為后續的數據處理提供條件。主要參數如圖3。
其中“字節總數”是要讀取的字節數量。“讀取緩沖區”包含從設備讀取的數據。“返回數”包含實際讀取的字節數。
(3)VISA寫入函數。該函數為串口寫子程序，用于對串口設備進行寫操作。主要參數如圖4所示。
其中“寫入緩沖區”包含要寫入設備的數據。“返回數”包含實際寫入的字節數。
此外，LabVIEW中與串口通信有關的還有VISA關閉函數與VISA串口字節數函數，分別用于關閉串行設備的任務或事件和計算進入串口緩存區中的數據字節數。
2．2 LabVIEW與PLC串口通信實現
按照通信協議使用專用的九芯插頭和PC／PPI電纜，將PC機的COM1口與S7-200的自由通信口直接連接。由于電纜上帶有RS-232／RS485電平轉換器，連接十分方便。LabVIEW進行串口通信的基本步驟為：
(1)初始化端口。利用VISA配置串口函數設定進行串口通信的端口號、波特率、停止位、校驗、數據位。
(2)讀寫端口。利用VISA讀串口函數和VISA寫串口函數從串口中讀入或輸出數據。由于LabVIEW的串行通信子程序只允許對字符串的讀寫，因此在數據處理時，必須進行字符串與數字之間的正確轉換。
(3)關閉端口。當對串口操作完成后，需要關閉串口，以釋放硬件資源。
3 串口通信實現
按照上述過程，設計了監控系統程序，程序框圖與前面板分別如圖5、圖6所示。
其中PC機與PLC串口通信程序結構分為3個部分：
(1)串口初始化。根據通信協議設定，通信端口：COM1，波特率：9600bps，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗，無軟件握手協議。
(2)發送命令和讀取響應將命令通過串口COM1發給PLC，并接收來自PLC的響應信息，如果響應正常(狀態信息為O1或02)，就將所得數據做顯示、計算分析、存儲等后續處理，以便用于設備實時控制和在線狀態監測；如果響應不正常則退出程序(03或04)，用戶重新輸入命令開始工作。
(3)關閉串口。調用LabVIEW提供的VISA關閉串口函數實現串口資源的釋放。
當程序運行時，LabVIEW首先向PLC發出一個讀請求，然后檢測輸入緩存中的字節數；當達到預定字節數時，LabVIEW利用讀串口函數將輸入緩存中的字節一次性讀出，然后繼續發出一個讀請求到PLC。如此循環，直至結束。本程序還采用了狀態機的方法進行狀態的判斷和選擇。
4 結論
PLC自由口通信方式具有與外圍設備通信方便、自由，易于微機控制等特點，這一通信方式被越來越多的監控系統所采用。利用PC機或工控機的串口，按照自由通信協議，結合地址映射技術在LabVIEW平臺上開發出串行通信模塊，可以很方便地實現主機與PLC的串行通信，對PLC的內存單元進行讀寫操作，從而實現對PLC的監控。本文所提出的設計能夠方便地應用于基于PLC的工業監控，具有開發方便、擴展靈活的優點。