松下PLC与上位机通讯系统设计.docx
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松下PLC与上位机通讯系统设计
中文摘要
论文以松下FP1系列PLC为研究对象，对其MEWTOCOL-COM协议，有关远程测控系统开发，以及PLC指令的机器代码进行系统研究，并在此基础上开发B/S模式的Web远程测控系统。
论文首先介绍了PLC的运用领域和发展前景；其次对MEWTOCOL-COM协议进行了系统的研究分析，以实验统计的方式，得出了PLC基本指令的机器代码表；接着基于LABVIEW10.0，开发了PLC与上位机的人机界面，简单实现了上位机对PLC端口，寄存器，定时器以及布尔命令的读写功能。
接下来又介绍了通讯原理和通讯模式，描述了LABVIEW10.0中的通讯函数，比较分析了DateSocket通讯，TCP通讯和Web通讯的优缺点。
最后基于Web通讯技术实现了PLC与上位机的远程通讯。
本文技术对进一步研发PLC与上位机通讯系统提供了一定的借鉴作用。
关键字：
松下PLC；上位机；串口通讯；指令机代码；LABVIEW10.0;Web服务器
DesignaCommunicationSystemBetweenPLCandComputer
ABSTRCT
ThepaperseethePLCofFP1seriesmadebyPanasonicastheresearchobject,studyingfortheMEWTOCOL-COMprotocol,thedevelopmentofremotemonitoringandcontrolsystem,aswellasthemachinecoderepresentedthePLCcommand,andfinallybuildaremotemeasurementandcontrolsystembasedontheWebinthemodelofB/S.
Firstly,theapplicationfieldsanddevelopmentprospectsareintroducedinthispaper.Secondly,theMEWTOCOL-COMprotocolisstudiedinasystematicway.Meanwhile,themachinecodetableofthePLCbasiccommandwasfoundinstatisticalmethodsbyconductingseriousexperiments.Thirdly,aPCinterfaceliningtoPLCwasconstructedbasedonLABVIEW10.0,anditcanimplementsomefunctionsimply,suchasreadorwritethePLCports,registers,timers,ortheBooleancommandandsoon.Thenthepaperintroducesthecommunicationprincipleandcommunicationmode,describescommunicationfunctioninLABVIEW10.0,doacomparativeanalysisoftheDateSocketcommunication,TCPcommunicationandWebinadvantagesanddisadvantages.Finally,thePCinterfacerealizesthelong-distancecommunicationbetweenthehostPCandPLCbasedonWeb.
ThetechnologystudiedinthisthesisprovidessomereferencefunctionforthedevelopmentofcommunicationssystembetweenPLCandhostPC
KEYWORDS：
PanasonicPLC;HostPC;SerialCommunication;MachineCode;LABVIEW10.0;WebServer
第一章绪论
1.1PLC概述
可编程逻辑控制器（PLC）是以微处理器为核心的一种T业控制装置，它综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术，逐渐成为当代工业控制领域的支柱产品。
随着现代工业生产自动化水平的日益提高和微电子技术的飞速发展，PLC已成为功能完备的自动化系统，并且在相关行业得到了广泛的应用
1.1.1PLC的概念
PLC采用可编程的存储器，用来在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。
从该定义可以看出，PLC可完成程序存储和指令执行，进行信
息的处理，从而实现从输入信号到输出信号的变换。
PLC的主要使用特点：
①功能性强。
C具有逻辑运算、计数、顺序控制、计时、A／D和D／A转换、数值运算、数据处理等功能。
它可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制，既可控制一台生产设备，也可控制一条生产线。
PLC还具有通讯功能，可与上位计算机构成分布式控制系统，实现遥控功能。
②通用性强由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
当控制对象的硬件配置确定以后，可通过修改用户程序，方便快速地适应应用条件的变化。
③可靠性高。
业生产对电气控制设备可靠性的要求非常高，其应当具有很强的抗干扰能力，能够在恶劣的环境下长期连续可靠地工作，平均无故障时间长，故障修复时间短。
而PLC是专为工业控制设计的，能够适应工业现场的恶劣环境。
在PLC的设计和制造过程中，采取了一系列提高可靠性的措施，使PLC的平均无故障时间可达数万小时，有些优质品牌的产品更高达几十万小时。
④编程简单。
⑤控制系统的设计、安装、调试、维修方便.[1]
1.1.2PLC在控制领域的发展前景
应用领域：
（1）环过程控制闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过模拟量I／O模块实现模拟量与数字量之间的A／D、D／A转换，并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。
PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备。
还广泛地应用于轻工、机械、冶金、电力等行业
（2）运动控制PLC可用于对直线运动或圆周运动的控制。
早期直接用开关量I／O模块连接位置传感器与执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
世界上各主要PLC厂家生产的PLC几乎都有运动控制功能。
PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械。
（3）关量的逻辑控制PLC最基本最广泛的应用领域是开关量的逻辑控制。
PLC取代继电器控制系统，实现逻辑控制。
例如，机床电气控制；运输带、包装机械的控制；注塑机的控制；化工系统中各种泵和电磁阀的控制；冶金企业的高炉上料系统的控制；汽车配装线、家电的生产线控制等各方面。
（4）能设备控制智能设备作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的3大支柱之一。
现在许多智能设备制造公司，选用PLC作为智能设备控制器来控制各种机械动作。
随着PLC体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC在智能设备控制中的应用将更加普遍
发展趋势：
（1）向高速度、大存储容量方向发展（CPU处理速度nS级；内存2M字节）
（2）向多品种方向发展和提高可靠性（超大型和超小型）（3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）（3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）（4）加强联网和通信的能力
1.2PLC与上位机通讯概述
PLC作为新一代工业控制器,以其高性能价格比在工业测控系统中获得了广泛应用.随着微电子及控制技术的不断发展,PLC已逐渐成为一种智能型、综合型控制器,由PLC构成的集散控制是现代工业控制的一个重要组成部分[2],随着计算机技术是快速发展，PLC在自动控制方面发挥的重要作用也日益增强，两者是结合是自动控制发展的必然。
通讯接口是PLC与上位机连接的桥梁，通过连接可以把PLC的现场执行功能和计算机是快速运算功能很好融为一体，以实现自动化控制，甚至是远程控制。
目前不同厂家生产的PLC都提供了通讯接口，并提供了完善是通讯协议，如西门子S7200的PPI,MPI,以及自由通讯协议等，本文主要研究松下FP1系列PLC与上位机通讯。
1.3通讯系统设计方案
1.3.1通讯方式选择
由于不同厂家生产的PLC品牌不同，通讯实现是方式也不仅相同，总计起来可以归为两大类，一种是专用通讯方式，另外一种是自由通讯。
其中专用通讯是由生产厂家生产开发的软硬件，其功能强可靠性高，一般用于大型控制或者要求高的场合，成本高。
自由通讯是开放式的，用户可以根据自己的需求，依照一定的通讯协议，可以自行开发软件，其经济性较好，且可以基本满足客户的一般控制需求，故自由通讯方式受到广大消费者是欢迎。
本设计用于一般场合，故选择自由通讯方式。
1.3.2通讯软件设计方式选择
1.基于VB软件是开发。
应用VC++开发串行通信通常采用以下几种方法m1：
①利用windowsAPI通信函数；②利用VC的端口操作函数．inp，．inpw，．inpd，一outp，一outpw，outpd等直接对串口进行操作；③使if]MicrosoftVisualc++的通信控件（MSComm）。
[3]MSComm在串口编程时相对方便，程序不必花费时间去了解较为复杂的API数，就能通过串行端口传输和接收数据。
2.基于labview软件的开发。
LABVIEW是美国NI（NationalInstrument）公司的软件产品，是虚拟仪器编程语言的典型代表。
虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）是仪器仪表历史发展上的一次重大变革，是对传统仪器的重大突破，代表着仪器仪表发展的最新方向和潮流。
与传统仪器相比，虚拟仪器的灵活性、性价比高、用户化设计等特点，使它在工业和院校领域得到广泛的应用。
LABVIEW编程高效、灵活、面向对象，其强大的图形编程能力及可视化编程环境得到很多软件开发人员的青睐[4]
3.两种方案的比较。
选择由于labview具有直观性，程序编写人员不需要掌握很专业的程序编写技能，就能实现程序要求，交换性好，都是可视化编程，故本文选择了基于labview的通讯系统设计。
1.3.3网络通讯选择
Labview的网络通讯有4种方式：
①无须具体协议的远程桌面连接（UDP）；②使用DataSocket技术进行网络通信；③现成实时发布测控程序的网页，异地使用浏览器（如InternetExplorer，NetscapeCommunicator等）进行监控（Web）；④使用TCP、DDP等传输控制协议编程进行网络通信。
各通讯比较如下表
表1-1LabVIEW的网络通信功能及其特性
通过上表分析可知上述5种通讯方式都可以实现网络远程通讯，但功能和效果不一样，TCP是使用TCP/IP协议进行通讯，网络传输数率高，但却一对一对方式，节省了网络传输时间，却要开发两个界面，对开发者要求较高。
相比使用“LabVIEWWeb服务器上的远程前面板”，是无需另外编程的，是以B/S模式运行，允许多个客户端同时访问，并且可以申请控制权，但数据传输速率低。
本文基于一般通讯要求，故选择了Web服务器上的远程面板
第二章PLC的通讯协议
2.1引言
在工业过程控制中，采用电磁继电器构成的继电器控制系统已暴露出许多弊端，如没有运算、处理、通信等功能，所以它不能完成复杂的控制方式，与工业现场的集中管理、分散控制的现代管理体系要求不相适应。
目前，PLC己被广泛的应用于工业生产的各个领域。
因为PLC具有运行速度快、性能价格比高、通过编程能完成复杂的控制逻辑、通常自带RS一232或RS一422或RS一485等通信口，不仅能实现点到点通信，而且还能够组建网络。
PLC的广泛应用和PLC网络化功能的日益完善大大加速了PLC的网络化发展[5]另外，在过程控制中，由于工业现场非常分散，由于FO点数众多，各种仪表的工作环境非常恶劣，采用数据采集卡和LabVIEW开发平台来完成现场的数据采集和控制显然不可取。
考虑到过程控制中的过程参数变化不是很快，而PLC恰恰可以克服数据采集卡在过程控制中的不足，并且具有较高的性能比，因而采取以PLC为下位机，以装有Labview软件的工控机为上位机开发平台，通过RS一232或RS一485串口与PLC通讯，实现对工业现场的监控与现场数据的分析。
这样可以利用Labview软件强大的数据处理功能和良好的人机交互环境通过简单的编程实现上位机的监控功能[6]。
2.2Labview与上位机通讯
2.2.1通讯概述。
硬件之间要实现通讯必须要有硬件连接和通讯协议。
所谓通信协议是指通信双方的一种约定。
约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。
因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于ISO'SOSI七层参考模型中的数据链路层。
通讯方式有两种：
并行通讯和串行通讯。
通常根据信息传输的距离决定采用哪种传输方式，例如，在IBM-PC与外部设备（打印机）通讯时，如果距离小于30m,则采用并行通讯，当大于30m时，则要采用串行通讯方式。
[7]
2.2.2并行通讯
在计算机和终端之间的数据传输通常是靠电缆或信道上的电流或电压变化实现的。
如果一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，这种传输方式称为并行通信[8]。
并行数据传输的特点：
各数据位同时传输，传输速度快、效率高，多用在实时、快速的场合。
并行传输的数据宽度可以是1~128位，甚至更宽，但是有多少数据位就需要多少根数据线，因此传输的成本较高。
在集成电路芯片的内部、同一插件板上各部件之间、同一机箱内个插件板之间的数据传输都是并行的。
以计算机的字长，通常是8位、16位或32位为传输单位，一次传送一个字长的数据 适合于外部设备与微机之间进行近距离、大量和快速的信息交换。
并行数据传输只适用于近距离的通信，通常传输距离小于30米。
例如：
微机与并行接口打印机、磁盘驱动器 微机系统中最基本的信息交换方法。
例如：
系统板上各部件之间，接口电路板上各部件之间。
但并行通讯在位数多传送距离远时就不太适合。
下图是并行通讯原理图：
图2-1并行通讯原理图
2.2.3串行通信
使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。
其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别使用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信，这种通讯方式叫串行通信。
原理图如下
图2-2串行通讯原理图
在串行通信中，数据通常是在两个站之间传送，按照数据在通信线路上的传送方向可分为3种基本的传送方式：
单工、半双工和全双工
图2-3三种通讯方式
单工通信使用一根导线，信号的传送方和接收方有明确的方向性。
也就是说，通信只在一个方向上进行。
若使用同一根传输线既作为接收线路又作为发送线路，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式称为半双工。
采用半双工方式时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收发开关分时转接到通信线上，进行方向的切换。
当数据的发送和接收，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工。
在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传输。
全双工方式无须进行方向的切换。
串行通信可分为两种类型，一种是同步通信，另一种是异步通信。
采用同步通信时，将所有字符组成一个组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，填上空字符，因为同步传输不允许有空隙。
采用异步通信时，两个字符之间的传输间隔是任意的，所以，每个字符的前后都要用一些数据位来作为分隔位。
比较起来，在传输率相同时，同步通信方式下的信息有效率要比异步方式高，因为同步方式的非数据信息比例比较小。
但是，从另一方面看，同步方式要求进行信息传输的双方必须用同一个时钟进行协调，正是这个时钟确定了同步串行传输过程中每一个信息位的位置。
这样一来，如果采用同步方式，那么，在传输数据的同时，还必须传输时钟信号。
而在异步方式下，接收方的时钟频率和发送方的时钟频率不必完全一样，而只要比较相近，即不超过一定的允许范围就行了。
在数据传输中，较为广泛采用的是异步通信，异步通信中，在异步通行中有两个比较重要的指标：
字符帧格式和波特率。
异步通信的标准数据格式如图
图2-4异步通信格式
从图所列格式可以看出，异步通信的特点是一个字符一个字符地传输，并且每个字符的传送总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。
每一次有一个起始位，紧接着是5~8个的数据位，再后为校验位，可以是奇检验，也可以是偶校验，也可不设置，最后是1比特，或1比特半，或2比特的停止位，停止位后面是不定长度的空闲位。
停止位和空闲位都规定为高电平，这样就保证起始位开始处一定有一个下降沿，以此标识开始传送数据。
2.3硬件连接
松下FP1系列提供的外部通讯接口是RS422，而一般计算机使用的RS232或者USB。
为实现PLC与上位机的连接，需要对接口进行转换，先由RS422转为RS485，然后由RS485转为RS232。
RS232在外部设备用运用广泛，但随着便携式电脑的出现，RS232显然顺应电脑微型化的发展趋势，目前USB发展成熟，运用广泛，本文使用的串口是USB，实现PLC与上位机的通讯连接。
PLC
RS-422
RS-422
转
USB
PC机
USB
上位机
图2-5PLC与上位机硬件连接原理图
2.4松下FP系列的通讯协议
2.4.1MEWTOCOL-COM的说明
松下PLCFP系列通讯协议主要为MEWTOCOL-COM，该协议的主要特点：
1.用于程序处理和交互式操作。
2.数据传输采用ASCII码的形式.
3.首先由计算机发送指令4.由PLC对指令自动进行相应响应.[9]
MEWTOCOL-COM的指令格式如下
图2-6指令格式
代码说明。
“%”为起始符号,标记每一帧报文的开始.“CR”为结束符号,标记每一帧报文的结束.“AD”为每一站PLC的地址,用两位十六进制数表示,如01则代表第一台PLC.“#”,“$”,“!
”标记该帧报文为何种类型,其分别对应为:
指令信息,应答信息（正常）,应答信息（错误）.“BCC”为校验码,为两位十六进制数,其初值为“0”,然后从起始符开始与该帧报文中每一字节按位进行异或运算得到的.[10]
其中指令代码和错误代码分别见附录一，附录二
触点代明:
数据说明：
关于校验码BCC（H）（L）的说明
1校验码是将指令中的各个ASCII字符的16进制（00～FF）进行异或求和后生成的.该校验码也以两个ASCII码表示.
例）%01#RCSX00001D
图2-7BCC码算法
2如果在校验码处写入”**”,则表示忽略校验码.
2.4.2与通讯界面有关通讯指令说明
MEWTOCOL-COM中共有24条通讯指令，鉴于界面开发和运用涉及的程度，从其中抽出几条使用频繁，能基本满足通讯要求的指令组成了一个通讯系统的开发界面，其界面如下图所示：
图2-8通讯界面
1.读取单触点状态（指令代码:
RCS）
图2-9RCS代码说明
说明:
字符"$"表示正常的应答.
触点数据
表2-4数据说明
2.写入单触点状态（指令代码:
WCS）
图2-10WCS代码说明
错误反应不赘述
触点数据如表2-4所示
3.读取多触点状态（指令代码:
RCP）
图2-11RCP指令代码
图2-12RCP读取正常
错误反应不赘述
4.按字单位读取触点状态（指令代码：
RCC）
图2-13RCC指令说明
说明：
触点代码与单触点读取相同
触点数据顺序
图2-14触点数据1
触点数据
图2-15触点数据2
注：
写入数据寄存器值（指令代码：
WD）.读取数据寄存器值（指令代码：
RD）中起始数据编码和结束数据编码都是5字符。
5.读取可编程控制器（PLC）状态（指令代码：
RT）
图2-16RT指令
应答
读取正常
图2-17RT读取正常
说明：
型号代码
表2-5型号代码
操作模式：
图2-18操作模式
错误标记
图2-19错误标志
程序容量：
表2-5程序容量
6.写入程序块（指令代码：
WP）
图2-20指令代码WP
说明：
1）起始步和结束步是从00000—02719，用BBC码表示；
2）程序步实际是机代码，即各个命令在PLC中存储代码。
例如STX1，OTY2;这两个命令的步长都是一步，一步用4位16进制字符表示为：
01B802D0,整个发送命令为：
%01#WP000000000101B802D0+BCC+CR
就可以得到对应的梯形图。
3）这些机代码是作者本人用试验分析的方法提取的，由于时间的问题，目前只把一些基本指令分析出来，见附录4
第三章labview中实现串口通讯的控件以及通讯原理
LABVlEW是美国国家仪器公司开发的虚拟仪器开发平台软件，它的功能强大灵活，可以广泛应用于自动测量系统、工业过程自动化、实验室仿真等各个领域．在LabVIEW编程语言中串口通信采用VISA标准编程．VISA是虚拟仪器体系结构VirtualInstrumentSoftwareArchitecture的简称，是仪器驱动发展的一个工业标准．VISA的内部结构是一个先进的、面向对像的结构，这一结构使得VISA和在它之前的I／O控制软件相比，在接口无关性、可扩展性方面都有很大提高．VISA的可扩展性远远超出了I／O控制软件的范畴，而且由于VISA内部结构的灵活性，使得VISA在功能和灵活性上超过了其他的I／O控制库．VISA标准的推出，统一了仪器工业的软件接口标准，使得仪器驱动程序兼容性强并且可适应未来软硬件的发展需要．[11]
3.1labview实现串口通信控件介绍
在作者使用的labview10.0版本中，用于通讯的子VI主要由5个：
VISAConfigureSerialPortVISAReadVISAWriteVISABitesofSerialPortVISAClose通过对这几个功能模块进行配置和连接，就能开发出符合要求的labview串口通信软件。
其界面如下
图3-1串口通信函数
在labview中进行串口通信的控件介绍如下：
1）V
升级会员 