基于PLC的主從式虛擬儀器測控系統

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。考慮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PLCS7-200。

介紹了一種在LabVIEW8.6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。考慮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。