隨著中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，PLC在中小型自動(dòng)化設(shè)備的日益普及應(yīng)用，對(duì)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(chǎng)設(shè)備維護(hù)方面的需求，迅速檢測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)，及時(shí)解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反映的問題，已是多數(shù)上位技術(shù)管理者的切實(shí)需求。如何采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式來實(shí)施遠(yuǎn)程PLC設(shè)備數(shù)據(jù)采集或測(cè)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(jì)算機(jī)、TC35iGSM 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(jī)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(jī)對(duì)PLC變量存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的讀寫操作或?qū)／0口讀寫操作需求。由于上位計(jì)算機(jī)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(shí)施數(shù)據(jù)采集、測(cè)控的如同咫尺。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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2W(Class4 EGSM900)和lW(Classl GSMl800 MHz)，TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU-TRS-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(yàn)位，可以在300～115 kb／s的波特率下運(yùn)行，支持的自動(dòng)波特率為4．8～115 kb／s，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，且易于升級(jí)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。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(jì)。TC35i有40個(gè)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。
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(duì)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(dòng)線IGT(Ig-niTIon)。當(dāng)TC35i通電后必須給IGT一個(gè)大于100 mV的低電平，模塊才能啟動(dòng)。引腳30為RTC back up；引腳3l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(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)，還必須將RS232串口中的RXD和TXD對(duì)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(gè)系列，其中包括多種型號(hào)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(cè)對(duì)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(kuò)展一型號(hào)為EM-235的4輸入1輸出模擬量模塊。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)上位計(jì)算機(jī)人機(jī)界面
系統(tǒng)上位的人機(jī)界面是用VB編程，提供人機(jī)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(hào)碼后即可撥號(hào)鏈接，遠(yuǎn)程的無線GSM MODEM模塊摘機(jī)響應(yīng)一般設(shè)置為鈴響后自動(dòng)摘機(jī)，通訊鏈接建立后，當(dāng)上位PC檢測(cè)到串口端的數(shù)據(jù)載波DCD信號(hào)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(hào)或掛機(jī)的操作均是通過對(duì)GSM MODEM模塊發(fā)送AT指令執(zhí)行的。
對(duì)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(diǎn)擊“發(fā)送”即可執(zhí)行對(duì)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(jì)算機(jī)的串口設(shè)置
在上位PC的人機(jī)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(dòng)讀取。在使用GSM MODEM無線模塊時(shí)，上位PC對(duì)遠(yuǎn)程PLC鏈接呼叫時(shí)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(hào)碼。掛機(jī)的AT指令為：MSComml．Output=“ATDT”＆“+++”& vbCrLf。串口數(shù)據(jù)格式的設(shè)定語句為：MSComml．SetTIngs=“9600． N，8．1”，與TC35iGSM 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(duì)每次收發(fā)數(shù)據(jù)字節(jié)暫約定為18個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)的多少可根據(jù)實(shí)際需要而酌情約定。本系統(tǒng)中18個(gè)字節(jié)的約定：Bytel為數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)；Bvte2為數(shù)據(jù)開始特征字；Bvte3為數(shù)據(jù)讀或?qū)懱卣髯郑築yte4為數(shù)據(jù)類型特征字；Bvte5～Byte8為PLC數(shù)據(jù)地址；Bvte9～Bytel6為PLC數(shù)據(jù)的數(shù)值；Bytel7為收發(fā)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼；Bvtel8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(jìn)制方式表示。因而在上位PC的編程中需涉及大量的進(jìn)制轉(zhuǎn)換操作。特別要注意的是由于PLC中的實(shí)數(shù)采用32位單精度數(shù)表示，并按照ANSI／IEEE745 1985標(biāo)準(zhǔn)格式以雙字長(zhǎng)度來存取，所以無論是上位的PC或是下位的PLC在編程時(shí)對(duì)實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)的處理均需嚴(yán)格遵循ANSI／IEEE7451985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(yàn)方式采用BCC塊進(jìn)行XOR校驗(yàn)，即約定為從每次數(shù)據(jù)包的Byte2到Bytel6的字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)，Bvtel7存放校驗(yàn)結(jié)果。上位或下位在接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)并將計(jì)算結(jié)果與Bvtel7所存放的數(shù)值進(jìn)行比較，如不一致時(shí)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(duì)PLC的自由口通訊必須做如下初始化設(shè)置：
遠(yuǎn)程PLC經(jīng)上述設(shè)置后，在其運(yùn)行期間每當(dāng)接收到一組數(shù)據(jù)后便自動(dòng)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)的子程序中，設(shè)定一標(biāo)志位(如MO．0)置位，用來表示允許進(jìn)入中斷服務(wù)，在主程序中通過檢測(cè)M0．O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(shí)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(qǐng)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(gè)掃描周期內(nèi)(數(shù)毫秒)完成，系統(tǒng)的響應(yīng)是實(shí)時(shí)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(shí)施操作的。對(duì)于字節(jié)、字、雙字、實(shí)數(shù)及I／0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(duì)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(duì)I／0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(chǔ)單元從VBl00到VBll7共18個(gè)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～VBl07單元，其間址指令則為：
MOVD &VBl04，ACl讀取該地址內(nèi)容時(shí)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(shí)指令為：MOVB*ACl，VBl60；則讀寫字的指令為：MOVW *ACl，VWl60；讀寫雙字的指令為：MOVD *ACl，VDl60；讀寫實(shí)數(shù)的指令則為：MOVR *ACl，VDl60。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測(cè)試基本達(dá)到了預(yù)期效果。遠(yuǎn)程PLC在省際間距離的測(cè)控響應(yīng)與在本市區(qū)地域的測(cè)控響應(yīng)基本相同，通過對(duì)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(shí)數(shù)的讀寫，均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯(cuò)現(xiàn)象，遠(yuǎn)程的響應(yīng)速度基本上是對(duì)上位的指令立即響應(yīng)，操作人基本感覺不出時(shí)間的延時(shí)。在PLC中，由于本遠(yuǎn)程測(cè)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(yùn)行，由于在自由口通訊中，
對(duì)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(duì)PLC的過程控制程序的實(shí)時(shí)性基本無影響。