基于RS485总线的分布式PLC监控系统通信设计
0引言
随着计算机与通信技术的发展，plc各种模块的多样化和信息化，由plc作为基本控制单元的分布式控制系统在自动化领域中广泛应用，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在rs422标准的基础上，eia研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的rs485总线标准。eia曾经在它所有标准前面加上rs前缀（英文rcommendestandard的缩写），因此许多工程师一直沿用这种名称，因为rs485的远距离（1200m）、多节点（32）以及传输线成本低的特性，使得eia的rs485成为工业应用数据传输的首选标准。
我厂18条电动执行机构调试线，分布在三个厂房的若干区域，每个调试线由一台plc与hmi控制，为了将调试数据归口管理，并判断调试结果的正确性，对调试线进行监控，18台plc通过rs485总线与计算机连接起来，构成一个分布式监控系统，通过数据通信使计算机和plc实现数据共享，完成对调试过程的集中管理和分散控制。计算机与plc各个子站的的通信是系统的重要环节，本文详细论述了基于rs485总线，利用vb开发了上位机通信系统，编写了plc自由口的通讯协议的设计与实际应用方案。可以借鉴为各种上位机、plc、hmi等通信系统设计的应用范例，同时可作为检测技术、自动化设计等课程的工程项目训练与教学的平台。
1rs485网络构成 rs485标准采用有平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，与rs422一样，可以将多个（最多为32个）rs485接口互连，而其连接更简单，只需将各个接口的“+”端和“+”端相连、“-”端和“-”端相连，连接的两根线就是rs485的“物理总线”。这些相互连接的rs485接口的物理地位完全平等，在逻辑上取一个为主导地位，其他为从属地位。在通信时，同样采用主呼叫，从应答的方式。
控制系统的硬件构成如图1所示，上位机为计算机，下位机采用西门子公司s7-200系列plc，各plc通过通信口0直接挂在rs485总线上，上位机通过rs232/485转换器与rs485总线相连，形成1：n通信方式。控制系统中，上位机的主要任务是获取调试线上的数据信息，完成对调试过程的监控。下位机的主要任务是对调试过程进行自动控制，将调试数据发送给上位机，并按上位机命令执行。
图1网络图
2计算机与plc的通信 上位机与plc的通信实际上是计算机与plc的通信模块之间交换命令和响应，下位机具有初始传送优先权，将所有调试数据发送给上位机，上位机根据收到的数据判断哪个调试线发出的数据，对数据分析后响应回传数据与命令，下位机只接收发送给自己的数据。通信以“帧”为单位进行，帧分为数据帧和响应帧两种。数据帧由plc发送给上位机；响应帧为上位机接到数据帧后自动向plc发出的命令与判断信号所有的指令码、字符和数据均以十六进制码发送和接受。
s7-200系列plc通信模式有两种：一种是点对点（ppi）通信协议，用于plc与其编程器或西门子公司的人机接口产品之间的通信；另一种是对用户完全开放的自由口模式（freeportmode），由用户自行规定通信的协议。ppi模式只能在plc停止方式（stop）下通信，而自由口模式只能在plc运行方式（run）下通信，我们采用自由口通信方式在进行通信之前，应先对串口初始化。对s7-200plc的初始化是通过设置特殊标志位smb30来实现的。
2.1plc的发送指令 发送s7200系列plc有专门的发送指令用于发送数据，格式为：
xmttableport
xmttableporttable为发送数据的字节数即数据长度，最大为255。而要发送的数据必须存储在table的后面。如table的存储区域为vb600，要发送“message”的数据存储形式如图2所示。port指定通信口，本项目设为0。当正在发送数据时，plc特殊标志位sm4.5为0；发送完后，sm4.5为1。因此可通过判断sm4.5的状态来进行发送后处理。
图2plc发送信息
如果有一个中断服务程序连接到发送结束事件上，在发送完缓冲区中的最后一个字符时，则会产生一个中断（对端口0为中断事件9，对端口1为中断事件26）。
2.2plc接收指令 接收指令的格式为：rcvtableport
接收指令使您能够接收一个字节或多个字节的缓冲区，最多为255个。图3给出了接收缓冲区的格式。如果有一个中断服务程序连接到接收信息完成事件上，在接收完缓冲区中的最后一个字符时，s7-200会产生一个中断（对端口0为中断事件23，对端口1为中断事件24。）也可以不使用中断，通过监视smb86（端口0）或者smb186（端口1）来接收信息。当接收指令未被激活或者已经被中止时，这一字节不为0；当接收正在进行时，这一字节为0。
图3接收信息
2.3特殊寄存器及相关的位 smb30控制自由端口0的通讯方式，smb130控制自由端口1的通讯方式。您可以对smb30和smb130进行写和读。如表1所示，这些字节设置自由端口通讯的操作方式，并提供自由端口或者系统所支持的协议之间的选择。
通信接收字符缓冲器smb2：smb2是一个暂态寄存器，用于存放在自由口通信方式下接收到的当前字符，用户在下一步应从这里取走其中的内容，通过编程控制将接收到的字符一个一个由smb2移入接收缓冲区。
通信校验结果标志位smb3.0：plc按smb30规定的奇偶校验方式对所接收到的数据作校验。如果校验有错，plc自动将smb3.0置1，sm3.0=0表示奇偶校验正确。根据这个标志，可决定对当前信息的取舍，还可以在出错的情况下，将此错误位发送给对方，以便要求它重发。
工作方式标志位sm0.7：57-200系列plc只有处于运行（run）方式时才能进行自由口模式通信，而在停止（st6p）方式时只能以ppi模式通信。当plc处于run方式时sm0.7=1，否则sm0.7=0，因此可通过判断sm0.7的状态来打开或关闭自由口通信。
发送器空标志sm4.5及收发指令：当正发送数据信息时，特殊存储器位sm4.5=0，当发送完成后，sm4.5=1，因此可通过判断sm4.5的状态来进行发送后处理，也可直接用发送中断来处理。
表1特殊存储器字节smb30
3上位机程序设计 在windows环境下，实现上位机与plc的数据通讯，有多种软件开发平台可以使用，visualbasic编写通信软件十分方便，编程工作量小，可视化程度高，尤其是提供了通信控件mscomm，可方便地实现与多台plc间的通信。mscomm控件有很多重要属性，其中最重要的几个是：
（1）commport：设置并返回通信口号；
（2）settings：以字符串的形式设置并返回波特率、校验方式、数据位和停止位；
（3）portopen：设置并返回通信端口的状态（打开或关闭一个通信口）；
（4）inbuffercount：返回接收缓冲区收到的字节数；
（5）input属性：从接收缓冲区读取数据；
（6）output属性：向传送缓冲区写一个字符串。
计算机与plc的通信过程流程图如图5所示，下面为计算机与5号站plc的主要通信程序。
3.1初始化通信口 privatesubform_load0
mscomm1.commport=1//使用串行口1
mscomm1.settings=“9600，e，7，1”//9600波特率，偶校验，7位数据位，1位停止位
mscomm1.inbuffercount=0//清除接收缓冲区
mscomm1.inputlen=0//输入时，读取缓冲区的全部内容
mscomm1.portopen=true//打开通信口
3.2发送控制命令 privatesubsend_click（）
hd=“5”+“ff”+“ww”+“a”+“m0100”+“01”+data//发给5号plc站
write=chr（5）+hd+sumchk（hd）+chr（13）+chr（10）//形成控制命令字，其中dataw为要
//写入的数据，sumchk（rd）为和校验函数
mscomm1.output=write//向5号站plc发送控制命令
do
xy=mscomm1.input//接收plc响应
rd_date=rd_date+xy
loopuntilright（rd_date，2）=chr（13）&chr（10）
rd=left（rd_date，5）//取应答字符串的前5位
ifrd=chr（6）+“02ff”then
msgbox“控制命令已接收”
else
msgbox“通信错误”
endif
endsub
3.3读取调试线状态信息 privatesubd_a（）
rd=“05”+“ff”+“wr”+“a”+“do0000”+“01”
read=chr（5）+rd+sumchk（rd）+chr（13）+chr（10）
mscomm1.output=read//发送读5号站plc数据命令
do
ch=mscomm1.input//接收plc响应
r_answer=r_answer+ch
loopuntilright（r_answer，2）=chr（13）＆chr（10）
ra=left（r_answer，5）//取plc应答字符串的前5位
ifra=chr（2）+“02ff”then//判断读取是否正确
mscomm1.output=chr（6）+“02ff”//正确，向plc发送
确认信号datar=mid（r_answer，6，4）//取出数据
datar=val（＆h+datar）//据转换位十进制数
else
msgbox“读取数据错误”
endif
endsub
4plc程序设计 plc通过程序对调试线的控制，产生的调试结果存放在以vb100为首的255个字节中，本文主要叙述的通讯，并也存在数据的翻译过程，例如调试的力矩值放在vw200中，则要求将vb200乘以256再加vb201。若是浮点数的翻译方式还了复杂些，在此就不一一叙述。主要是将一串调试数据发送给上位机，并得到上位机的对试验结果的判断与命令。下面结合通讯相关的plc程序，对通讯进行相应的说明。
4.1主程序 ldi0.1//发送控制
eu
call发送：sbr1//将调试好的数据存储在表中，准备调用子程序发送
4.2接收子程序 sbr0：
ldsm0.0
movb9，smb30//初始化端口0
movb16#f0，smb87//初始化rcv信息控制字节，rcv使能
//检测信息结束字符，检测空闲线信息条件
movb16#05，smb88//只接收发给本站的数据（以5号站为例）
movb16#0a，smb89//接收回车键，接收的结束数据
movb5，smb90//设置空闲线超时为5ms
movb10，smb94//设置最大字符数为10
atchint_0:int0，23//接收完成，执行中断0
eni//启用用户中断
rcvvb600，0//通过端口0，接收数据，存储在以vb600为首的字节中
4.3发送子程序 sbr1：
ldsm0.0
movb2#01101001，smb30//初始化端口0，9600波特，7个数据位，偶校验
movb255，vb1000//发送的总数据位
atchint_1:int1，9//发送完成执行中断1
eni//启用用户中断
xmtvb100，0//通过端口0，发送数据，发送以vb100为首的字节中
4.4中断子程序 中断子程序int0：
ldsm0.0
movbvb602，qb0//响应已接收到命令
中断子程序int1：
ldsm0.0
call接收：sbr0//使plc处于接收状态
5结束语 该系统经实际运行情况表明，采用rs-485总线构建的分布式监控系统，硬件连接简单，编程快捷，可方便地实现计算机和多台plc间的联网通信，与用现场总线模块em277构建的profibus-dp、以太网模块em243-i相比大大降低了成本，且不受只有8个站点可以使用pcaccess的限制，运行一年多来实践表明运行稳定可靠，能很好的满足监控系统的要求。
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我厂18条电动执行机构调试线，分布在三个厂房的若干区域，每个调试线由一台plc与hmi控制，为了将调试数据归口管理，并判断调试结果的正确性，对调试线进行监控，18台plc通过rs485总线与计算机连接起来，构成一个分布式监控系统，通过数据通信使计算机和plc实现数据共享，完成对调试过程的集中管理和分散控制。计算机与plc各个子站的的通信是系统的重要环节，本文详细论述了基于rs485总线，利用vb开发了上位机通信系统，编写了plc自由口的通讯协议的设计与实际应用方案。可以借鉴为各种上位机、plc、hmi等通信系统设计的应用范例，同时可作为检测技术、自动化设计等课程的工程项目训练与教学的平台。
1rs485网络构成 rs485标准采用有平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，与rs422一样，可以将多个（最多为32个）rs485接口互连，而其连接更简单，只需将各个接口的“+”端和“+”端相连、“-”端和“-”端相连，连接的两根线就是rs485的“物理总线”。这些相互连接的rs485接口的物理地位完全平等，在逻辑上取一个为主导地位，其他为从属地位。在通信时，同样采用主呼叫，从应答的方式。
控制系统的硬件构成如图1所示，上位机为计算机，下位机采用西门子公司s7-200系列plc，各plc通过通信口0直接挂在rs485总线上，上位机通过rs232/485转换器与rs485总线相连，形成1：n通信方式。控制系统中，上位机的主要任务是获取调试线上的数据信息，完成对调试过程的监控。下位机的主要任务是对调试过程进行自动控制，将调试数据发送给上位机，并按上位机命令执行。
图1网络图
2计算机与plc的通信 上位机与plc的通信实际上是计算机与plc的通信模块之间交换命令和响应，下位机具有初始传送优先权，将所有调试数据发送给上位机，上位机根据收到的数据判断哪个调试线发出的数据，对数据分析后响应回传数据与命令，下位机只接收发送给自己的数据。通信以“帧”为单位进行，帧分为数据帧和响应帧两种。数据帧由plc发送给上位机；响应帧为上位机接到数据帧后自动向plc发出的命令与判断信号所有的指令码、字符和数据均以十六进制码发送和接受。
s7-200系列plc通信模式有两种：一种是点对点（ppi）通信协议，用于plc与其编程器或西门子公司的人机接口产品之间的通信；另一种是对用户完全开放的自由口模式（freeportmode），由用户自行规定通信的协议。ppi模式只能在plc停止方式（stop）下通信，而自由口模式只能在plc运行方式（run）下通信，我们采用自由口通信方式在进行通信之前，应先对串口初始化。对s7-200plc的初始化是通过设置特殊标志位smb30来实现的。
2.1plc的发送指令 发送s7200系列plc有专门的发送指令用于发送数据，格式为：
xmttableport
xmttableporttable为发送数据的字节数即数据长度，最大为255。而要发送的数据必须存储在table的后面。如table的存储区域为vb600，要发送“message”的数据存储形式如图2所示。port指定通信口，本项目设为0。当正在发送数据时，plc特殊标志位sm4.5为0；发送完后，sm4.5为1。因此可通过判断sm4.5的状态来进行发送后处理。
图2plc发送信息
如果有一个中断服务程序连接到发送结束事件上，在发送完缓冲区中的最后一个字符时，则会产生一个中断（对端口0为中断事件9，对端口1为中断事件26）。
2.2plc接收指令 接收指令的格式为：rcvtableport
接收指令使您能够接收一个字节或多个字节的缓冲区，最多为255个。图3给出了接收缓冲区的格式。如果有一个中断服务程序连接到接收信息完成事件上，在接收完缓冲区中的最后一个字符时，s7-200会产生一个中断（对端口0为中断事件23，对端口1为中断事件24。）也可以不使用中断，通过监视smb86（端口0）或者smb186（端口1）来接收信息。当接收指令未被激活或者已经被中止时，这一字节不为0；当接收正在进行时，这一字节为0。
图3接收信息
2.3特殊寄存器及相关的位 smb30控制自由端口0的通讯方式，smb130控制自由端口1的通讯方式。您可以对smb30和smb130进行写和读。如表1所示，这些字节设置自由端口通讯的操作方式，并提供自由端口或者系统所支持的协议之间的选择。
通信接收字符缓冲器smb2：smb2是一个暂态寄存器，用于存放在自由口通信方式下接收到的当前字符，用户在下一步应从这里取走其中的内容，通过编程控制将接收到的字符一个一个由smb2移入接收缓冲区。
通信校验结果标志位smb3.0：plc按smb30规定的奇偶校验方式对所接收到的数据作校验。如果校验有错，plc自动将smb3.0置1，sm3.0=0表示奇偶校验正确。根据这个标志，可决定对当前信息的取舍，还可以在出错的情况下，将此错误位发送给对方，以便要求它重发。
工作方式标志位sm0.7：57-200系列plc只有处于运行（run）方式时才能进行自由口模式通信，而在停止（st6p）方式时只能以ppi模式通信。当plc处于run方式时sm0.7=1，否则sm0.7=0，因此可通过判断sm0.7的状态来打开或关闭自由口通信。
发送器空标志sm4.5及收发指令：当正发送数据信息时，特殊存储器位sm4.5=0，当发送完成后，sm4.5=1，因此可通过判断sm4.5的状态来进行发送后处理，也可直接用发送中断来处理。
表1特殊存储器字节smb30
3上位机程序设计 在windows环境下，实现上位机与plc的数据通讯，有多种软件开发平台可以使用，visualbasic编写通信软件十分方便，编程工作量小，可视化程度高，尤其是提供了通信控件mscomm，可方便地实现与多台plc间的通信。mscomm控件有很多重要属性，其中最重要的几个是：
（1）commport：设置并返回通信口号；
（2）settings：以字符串的形式设置并返回波特率、校验方式、数据位和停止位；
（3）portopen：设置并返回通信端口的状态（打开或关闭一个通信口）；
（4）inbuffercount：返回接收缓冲区收到的字节数；
（5）input属性：从接收缓冲区读取数据；
（6）output属性：向传送缓冲区写一个字符串。
计算机与plc的通信过程流程图如图5所示，下面为计算机与5号站plc的主要通信程序。
3.1初始化通信口 privatesubform_load0
mscomm1.commport=1//使用串行口1
mscomm1.settings=“9600，e，7，1”//9600波特率，偶校验，7位数据位，1位停止位
mscomm1.inbuffercount=0//清除接收缓冲区
mscomm1.inputlen=0//输入时，读取缓冲区的全部内容
mscomm1.portopen=true//打开通信口
3.2发送控制命令 privatesubsend_click（）
hd=“5”+“ff”+“ww”+“a”+“m0100”+“01”+data//发给5号plc站
write=chr（5）+hd+sumchk（hd）+chr（13）+chr（10）//形成控制命令字，其中dataw为要
//写入的数据，sumchk（rd）为和校验函数
mscomm1.output=write//向5号站plc发送控制命令
do
xy=mscomm1.input//接收plc响应
rd_date=rd_date+xy
loopuntilright（rd_date，2）=chr（13）&chr（10）
rd=left（rd_date，5）//取应答字符串的前5位
ifrd=chr（6）+“02ff”then
msgbox“控制命令已接收”
else
msgbox“通信错误”
endif
endsub
3.3读取调试线状态信息 privatesubd_a（）
rd=“05”+“ff”+“wr”+“a”+“do0000”+“01”
read=chr（5）+rd+sumchk（rd）+chr（13）+chr（10）
mscomm1.output=read//发送读5号站plc数据命令
do
ch=mscomm1.input//接收plc响应
r_answer=r_answer+ch
loopuntilright（r_answer，2）=chr（13）＆chr（10）
ra=left（r_answer，5）//取plc应答字符串的前5位
ifra=chr（2）+“02ff”then//判断读取是否正确
mscomm1.output=chr（6）+“02ff”//正确，向plc发送
确认信号datar=mid（r_answer，6，4）//取出数据
datar=val（＆h+datar）//据转换位十进制数
else
msgbox“读取数据错误”
endif
endsub
4plc程序设计 plc通过程序对调试线的控制，产生的调试结果存放在以vb100为首的255个字节中，本文主要叙述的通讯，并也存在数据的翻译过程，例如调试的力矩值放在vw200中，则要求将vb200乘以256再加vb201。若是浮点数的翻译方式还了复杂些，在此就不一一叙述。主要是将一串调试数据发送给上位机，并得到上位机的对试验结果的判断与命令。下面结合通讯相关的plc程序，对通讯进行相应的说明。
4.1主程序 ldi0.1//发送控制
eu
call发送：sbr1//将调试好的数据存储在表中，准备调用子程序发送
4.2接收子程序 sbr0：
ldsm0.0
movb9，smb30//初始化端口0
movb16#f0，smb87//初始化rcv信息控制字节，rcv使能
//检测信息结束字符，检测空闲线信息条件
movb16#05，smb88//只接收发给本站的数据（以5号站为例）
movb16#0a，smb89//接收回车键，接收的结束数据
movb5，smb90//设置空闲线超时为5ms
movb10，smb94//设置最大字符数为10
atchint_0:int0，23//接收完成，执行中断0
eni//启用用户中断
rcvvb600，0//通过端口0，接收数据，存储在以vb600为首的字节中
4.3发送子程序 sbr1：
ldsm0.0
movb2#01101001，smb30//初始化端口0，9600波特，7个数据位，偶校验
movb255，vb1000//发送的总数据位
atchint_1:int1，9//发送完成执行中断1
eni//启用用户中断
xmtvb100，0//通过端口0，发送数据，发送以vb100为首的字节中
4.4中断子程序 中断子程序int0：
ldsm0.0
movbvb602，qb0//响应已接收到命令
中断子程序int1：
ldsm0.0
call接收：sbr0//使plc处于接收状态
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