隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展以及計算機網(wǎng)絡的廣泛應用，計算機通信技術已經(jīng)日趨成熟。作為傳統(tǒng)的計算機通信方式的串行通信，由于具有線路簡單、應用靈活、可靠性高等一系列優(yōu)點長期以來獲得了廣泛的應用。計算機串行通信在數(shù)據(jù)財經(jīng)、數(shù)據(jù)通信、故障檢測、計算機遠程監(jiān)控等方面有廣泛的實用價值，特別在Windows下的串口通信可以充分利用Windows下的軟件資源優(yōu)勢，實現(xiàn)多任務條件下對外部的數(shù)據(jù)傳輸、信息收集和處理。在本系統(tǒng)中，我們采用了性能/價格比較高的計算機構(gòu)成廠級的監(jiān)控工作站。在PLC與上位計算機之間采用RS-485和RS-232C標準通信接口進行通信。

在兩級計算機控制系統(tǒng)中，最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)就是上位機。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免因上位機的故障導致系統(tǒng)控制失靈，所有采集到的信號都反饋到PLC當中。上位機需要通過串行通信取得所需的數(shù)據(jù)信息，并通過串行通信將必要的控制信息和參數(shù)設置信息寫入PLC的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。因此，串行通信作為上位機和下位機聯(lián)系的唯一方式，在整個系統(tǒng)中具有非常重要的作用。

1.1上位機與PLC間的串行通信

計算機與計算機或計算機與外部設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換的方式主要有串行通信和并行通信兩種方式，其中串行通信指的是數(shù)據(jù)逐位傳輸?shù)姆绞健Ｓ捎诖型ㄐ欧绞骄哂惺褂镁€路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。

1.1.1串行通信

串行通信方式又可分為兩種：同步串行通信方式和異步串行通信方式。

1.同步串行通信方式：同步串行通信是以數(shù)據(jù)塊（字符塊）為信息單位傳送，每幀信息可以包含很多字符。同步通信要求通信雙方以相同的速率進行，而且要準證確協(xié)調(diào)，通常通過共享一個時鐘或定時脈沖源保發(fā)送方和接收方準確同步。這種通信方式的效率較高，但是對時鐘同步要求非常嚴格，成本較高。

2.異步串行通信方式：異步串行通信以字符為信息單位傳送。雙方需要遵守異步通信協(xié)議，以字符為數(shù)據(jù)單位，發(fā)送方傳送字符的時間間隔不確定。每個字符傳輸都以起始位開始，以停止位結(jié)束。通信雙方所指定的字符的數(shù)據(jù)位數(shù)，奇偶校驗方法和停止位數(shù)必須相同。其傳輸效率比同步通信方式低，但是成本較低。

異步通信是在以起始位開始、停止位結(jié)束的一個字符內(nèi)按約定的頻率進行同步接收。各個字符之間允許有間隙，而且兩個字符之間的間隔是不固定的。在同步通信方式中，不僅同一字符中的相鄰兩位間的時間間隔要相等，而且相鄰字符間的時間間隔也要求相等，這也是同步通信和異步通信方式的主要差別所在。

因此，異步串行通信一般用在數(shù)據(jù)傳送時間不能確知，發(fā)送數(shù)據(jù)不連續(xù)，數(shù)據(jù)量較少和數(shù)據(jù)傳輸速率較低的場合；而同步串行通信則用在要求快速、連續(xù)傳輸大批量數(shù)據(jù)的場合。

1.1.2串行通信接口標準

在串行通信時，要求通信雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通信。在設計通信接口時，一般都采用標準接口以提高其通用性。本系統(tǒng)中，上、下位機進行通信首先面臨的問題就是通信標準的選擇問題。

1、RS-232C接口標準

RS-232C接口標準（全稱EIA-RS-232C標準）是在1969年由美國電子工業(yè)聯(lián)合會（EIA，Electronic Industrial Associate-Recommended Standard-232C）與Bell公司、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同開發(fā)的用于串行接口的通信協(xié)議。它最初是為遠程通信連接數(shù)據(jù)終端設備DTE（Data Terminal Equipment）和數(shù)據(jù)通信設備DCE（Data Communication Equipment）而制定的[46]。雖然這個標準的制定沒有考慮計算機系統(tǒng)的應用要求，但是廣泛的用于計算機與終端或外設之間的連接。

RS-232C標準規(guī)定了在串行通信時，數(shù)據(jù)終端設備和數(shù)據(jù)通信設備之間的接口信號。其中常用信號的名稱、引腳號以及功能如表4-1所示。

表4-1 RS-232C常用信號定義

RS-232C的電氣特性：RS-232C采用的是負邏輯工作，即邏輯“1”用負電壓(-3~-15V)表示，邏輯“0”用正電壓(+3~+15V)表示。介于-3V和+3V之間以及低于-15V或高于+15V的電壓沒有意義。實際工作時，應保證電平在±(5~15)V之間。由于RS232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與以高低電平表示邏輯狀態(tài)的TTL不同。為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須進行電平和邏輯關系的轉(zhuǎn)換。目前使用較為廣泛的是集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488和MC1489。

RS-232C的機械特性：雖然RS-232標準定義了25個信號，但進行異步通信時實際只用到了9個信號：2個數(shù)據(jù)信號、6個控制信號和1個信號地線。因此RS-232的連接器主要有DB25和DB9兩種類型。現(xiàn)在微型計算機上均采用DB9型連接器作為主板上COM1和COM2兩個串行口的連接器，其引腳及信號分配如圖4-2所示。

3、RS-485接口標準

RS-485標準也是一種平衡傳輸方式的串行接口標準，它和RS-422A兼容并且擴展了RS-422A的功能。

RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為＋(2－6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示。接口信號電平比RS-232C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗干擾性好。RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米。RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器，具有多站能力，用戶可以利用它建立起設備網(wǎng)絡。RS-485接口由于具有良好的抗干擾性、傳輸距離長和多站能力等優(yōu)點使其成為首選的串行接口。

本系統(tǒng)中，上位機和下位機的通信運用了以上標準中的RS485和RS232C兩種通信標準。計算機具有標準RS232C接口，而PLC具有標準RS485接口，兩者通過電纜和RS485/RS232C轉(zhuǎn)換模塊連接（如圖所示4-3）。

1.2通訊參數(shù)設置和通訊測試界面

在供水自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，信息管理及監(jiān)控軟件作為處理、顯示和存儲數(shù)據(jù)的核心，主要負責對各個電動機的轉(zhuǎn)速和各處管道壓力的查詢、監(jiān)控以及報警的處理。運行信息管理及監(jiān)控軟件的計算機與PLC之間的通訊主要是通過RS-232C串行接口（PC機一般提供了COM1和COM2兩個串行口）進行通訊，實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測控制和信息管理功能。

本系統(tǒng)中上位機的信息管理及監(jiān)控軟件運行在Windows2000/NT操作系統(tǒng)下，串行通訊程序運用Inprise公司推出的快速開發(fā)工具Delphi 6.0開發(fā)。PPI通信協(xié)議是西門子專為S7-200系列PLC開發(fā)的一個通信協(xié)議，物理上采用RS485信號電平，PLC默認處于該方式。使用PPI方式對PLC編程及調(diào)試監(jiān)控，其硬件連接只需通過編程（PC/PPI）電纜即可實現(xiàn)。軟件編程采用中文環(huán)境、內(nèi)部系統(tǒng)協(xié)議，設計人員只需通過軟件設置一下參數(shù)，數(shù)據(jù)如交換不需要考慮，用NETR和NETW兩條語句即可進行數(shù)據(jù)的傳遞。

1.2.1通訊參數(shù)設置

為了進行串口通信,實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測控制和信息管理功能,必須對通訊參數(shù)加以設置。

通信設置：

串口：COM1、COM2

波特率：300、600、1200...

校驗方法：N、E、M、O、S

數(shù)據(jù)位數(shù)

停止位數(shù)：

Setting：

緩沖區(qū)設置

接收緩沖區(qū)：字節(jié)

發(fā)送緩沖區(qū)：字節(jié)

數(shù)據(jù)傳送方式

文本形式和二進制形式

流控制

不握手（默認）、XON/XOFF方式、

RTS/CTS方式、 XON/XOFF AND RTS/CTS方式

1.2.2通訊測試界面

通信測試界面如圖4-5所示。

通訊設置

Setting屬性值

commport屬性值

通訊狀態(tài)

串口狀態(tài)

發(fā)送字節(jié)數(shù)

接收字節(jié)數(shù)

數(shù)據(jù)顯示

接收數(shù)據(jù)顯示

發(fā)送數(shù)據(jù)顯示

1.3 PLC通信程序設計

1.3.1 PLC網(wǎng)絡通信協(xié)議[19]

本系統(tǒng)采用的PLC是德國SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-200系列，主模塊采用CPU226，擴展模塊采用數(shù)字量擴展模塊EM222和模擬量擴展模塊EM235。

S7-200系列CPU具有強大的通信能力。主要支持以下幾種協(xié)議：

1．PI(Point-to-Point)協(xié)議,即點到點接口協(xié)議。PPI是一個主/從協(xié)議，主站(其它CPU或SIMATIC編程器)給從站發(fā)送申請，從站進行響應。從站不初始化信息，只響應主站的申請或查詢。如果在用戶程序中允許PPI主站模式，S7-200 CPU在RUN模式下可以作為主站，還可以利用網(wǎng)絡讀(NETR)和網(wǎng)絡寫(NETW)指令讀寫其他CPU，同時也能夠作為從站響應來自其它主站的申請。采用PPI協(xié)議的網(wǎng)絡中最多只能有32個主站。該協(xié)議主要是用來編程、PPI組網(wǎng)等

2．MPI(Multi-Point)協(xié)議,即多點接口協(xié)議。MPI可以是主/主協(xié)議或主/從協(xié)議，協(xié)議如何操作依賴于設備類型（設備是S7-200系列CPU時建立主/從連接）。MPI總在兩個相互通信的設備之間建立連接，其它主站不能干涉兩個設備之間已建立的連接。由于S7-200的連接是非公用的，并且需要CPU中的資源，每個S7-200 CPU只能支持4個連接，每個EM277模塊支持6個連接。在使用時，每個S7-200 CPU和EM277模塊保留兩個連接，分別用于連接SIMATIC編程器（或計算機）以及操作面板。這些保留連接不能被其它類型的主站使用。

3．ROFIBUS協(xié)議。PROFIBUS協(xié)議設計用于分布式I/O設備(遠程I/O)的高速通信。PROFIBUS網(wǎng)絡通常有一個主站和幾個I/O從站，主站配置成知道所連接的I/O從站的型號和地址。主站初始化網(wǎng)絡并核對網(wǎng)絡上的從站設備和配置中的是否匹配。主站連續(xù)的把輸出數(shù)據(jù)寫到從站并從它們讀取輸入數(shù)據(jù)。

4．戶自定義協(xié)議(自由口協(xié)議)。自由口協(xié)議可以由用戶定義通訊協(xié)議，通過用戶程序控制S7-200通信口的操作模式，將CPU與任意通訊協(xié)議公開的設備聯(lián)網(wǎng)，如上位計算機、打印機、變頻器等。用戶程序通過使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令(XMT)和接收指令(RCV)來控制通信口的操作。在自由口模式下，通信協(xié)議完全由用戶程序控制。用戶程序通過設置SMB30(0口)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處于STOP模式時，自由口通信停止，通信口轉(zhuǎn)換成正常的PPI協(xié)議操作。

可以利用PC/PPI電纜和自由口通信功能把S7-200 CPU連接到許多和RS-232標準兼容的設備。PC/PPI電纜支持波特率設置，利用PC/PPI電纜盒上的DIP開關可以配置所需的波特率。波特率和開關位置的對應關系如表4-6所示：

表4-6波特率和開關位置對應表

當數(shù)據(jù)從RS-232傳送到RS-485口時，PC/PPI電纜是發(fā)送模式。當數(shù)據(jù)從RS-485傳送到RS-232口時，PC/PPI電纜是接收模式。當檢測到RS-232的發(fā)送線有字符時，電纜立即從接收模式轉(zhuǎn)換到發(fā)送模式。當RS-232發(fā)送線處于閑置的時間超過電纜切換時間時，電纜又切換到接收模式。這個時間與電纜上的DIP開關設定的波特率選擇有關，如表4-7所示：

表4-7 PC/PPI電纜轉(zhuǎn)換時間(發(fā)送模式到接收模式)

在使用自由口的系統(tǒng)中使用PC/PPI電纜時，必須在S7-200 CPU的用戶程序中包含轉(zhuǎn)換時間。S7-200 CPU在接收到RS-232設備的申請信息后，S7-200 CPU的發(fā)送信息響應必須延遲超過或等于電纜的切換時間。RS-232設備在接收到RS-232設備的申請信息后，S7-200 CPU的下一次申請信息的發(fā)出必須延遲超過或等于電纜的切換時間。在以上兩種情況中，需要通過延遲使PC/PPI電纜有足夠的時間從發(fā)送模式切換到接收模式，以便于數(shù)據(jù)從RS-485口傳送到RS-232口。

1.3.2 PLC通信程序設計

PLC作為控制系統(tǒng)中的下位機，不主動發(fā)送數(shù)據(jù)而是被動的響應上位機的命令，根據(jù)上位機的指令進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。PLC中的通信程序由主程序、三個子程序和三個中斷組成，通信程序的流程如圖4-4所示。

1、主程序

PLC在第一次掃描時執(zhí)行初始化子程序，對端口及RCV指令進行初始化。初始化完成后，使端口處于接收狀態(tài)。RCV指令將接收到的數(shù)據(jù)保存到接收緩沖區(qū)，同時產(chǎn)生接收完成中斷。PLC每接收到一條指令后都會發(fā)送一條反饋信息，發(fā)送完成后產(chǎn)生發(fā)送完成中斷。程序中使用的標志位含義約定如下：

M0.0：BCC校驗正確則置位；

M0.1：Verify子程序的觸發(fā)條件，被置位表示進行BCC校驗。

//主程序

LD SM0.1

CALL Init

LDB= VB117, VB150 //接收數(shù)據(jù)

AB= VB103, 16#05

A M0.0

CALL Recv

LDB= VB117, VB150 //發(fā)送數(shù)據(jù)

AB= VB103, 16#06

A M0.0

CALL Send

LD M0.1 //校驗

CALL Verify

LD SM4.5

RCV VB100, 0

2、通信初始化子程序（Init）

本系統(tǒng)采用自由口通信，通信協(xié)議為自定義的。用戶可以通過設置PLC中相應的特殊寄存器SMB30等的參數(shù)改變485口的波特率、數(shù)據(jù)格式（數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、校驗），以適應不同的通訊協(xié)議。PLC采用了特殊存儲器（SM）標志位，提供大量的狀態(tài)和控制功能，并且能夠使CPU和用戶程序之間交換信息。

SMB30和SMB130是自由端口控制寄存器。SMB30控制自由端口0的通信方式，SMB130控制自由端口1的通信方式。這兩個寄存器是用來設置自由端口通信的操作方式，并提供自由端口或者系統(tǒng)所支持的協(xié)議之間的選擇。Pp用于校驗選擇，00和10表示不校驗，01表示奇校驗，11表示偶校驗。d用于指定每個字符的數(shù)據(jù)位，0表示8位字符，1表示7位字符。bbb用于選擇自由口通信的波特率，其含義同表4-2。mm用于協(xié)議選擇，00表示PPI/從站模式，01表示自由口協(xié)議，10表示PPI/主站模式，11保留不用。

SMB87或SMB187用于控制接收信息的標志；SMB88或SMB188用于指定開始的信息字符；SMB88或SMB188用于指定