文俊杰，张洁，张毅宁
（鞍山师范学院物理科学与技术学院，辽宁鞍山，114007）
随着科学技术的飞速发展，自动化技术在各行各业得到了广泛应用。可编程逻辑控制器（简称PLC）由于具有丰富的功能和极强的可靠性，以PLC为控制核心的自动控制系统发挥着极其重要的作用。
触摸屏是一种连接人和机器的人机界面, 它代替了原始的控制台和显示器[1]，极大地方便了用户的操作，提升了用户的体验感。由于控制成本的需要，低配置串口触摸屏往往成为小型低成本控制系统的首选,而这类触摸屏的通信接口往往很简单，需要用户根据现有条件自己设计通信协议。本文基于PLC的自由口模式，设计了与简易版DGUS屏的数据通信方式，实现了低配置串口触摸屏对PLC控制系统的实时监控。
1 简易版DGUS屏通信协议
DGUS(DWIN Graphic Utilized Software)是北京迪文科技有限公司设计的图形界面人机系统软件，预装DGUS软件的触摸屏称为DGUS屏[2]。本文采用的DMT800_480L0715WT屏是一种基于 T5 CPU 运行的简易版 DGUS屏，执行RS-232串口通信接口标准，通信接口如图1所示，用户串口模式固定为8N1，波特率可以设置，数据帧由5个数据块组成（参见表1），设有4个串口指令，其中0x80/0x81 指令写/读 256 个 DGUS 寄存器变量，0x82/0x83 指令写/读 32K字节 DGUS 变量空间[3]。
表1 简易DGUS屏串口通信帧数据结构
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PLC需通过串口发送0x80/0x81/0x82/0x83指令，访问DGUS屏；而简易版DGUS屏是通过选择“数据自动上传”的方式，将相关按钮命令和录入的参数以0x81/0x83指令应答形式上传到串口，进而传送到PLC控制系统中。
2 通信方案的初步设计
本文选用德国西门子公司生产的小型 S7-200PLC CPU224XP，其串行通信口在电气上执行RS-485标准，是半双工通信[4]，所以必须采用分时方式进行发送与接收。根据实时监控通信的需求，设计了3种PLC与简易版DGUS屏进行通信的形式[5]：
（1）PLC“写”：PLC向简易版DGUS屏发出写信息，其串口指令通信帧数据组成如表2所示，从而将PLC控制系统的控制参数及状态写入触摸屏指定的变量单元，以使触摸屏能及时以图形方式展示控制状态及信息。
表2 PLC“写”指令通信帧数据组成
（2）PLC“读”：PLC向简易版DGUS屏指定变量单元发出读命令，其发送的指令通信帧数据组成参见表3，而后等待触摸屏做出应答，进而使PLC能及时掌握与触摸屏通信的状态。
表3 PLC“读”指令通信帧数据组成
（3）PLC“接收”：PLC接收简易版DGUS屏上传过来的数据如表4所示，其内容有二种，一种是PLC被动接收简易版DGUS屏上传的命令和数据，PLC需及时做出相应响应，从而完成用户通过触摸屏发出的指令；另一种是由PLC发出的PLC“读”命令产生，简易DGUS屏做出的应答信息。
表4 简易版DGUS屏上传到串口数据的组成
上述3种形式中，PLC主动“写”和PLC主动“读”是由PLC主动发出，采用定时方式进行；而PLC“接收”是被动的，特别是简易版DGUS屏主动传送的数据（例如用户下达的命令或修改的参数等）是随机的，所以采取中断响应方式接收。
3 监控通信的实现
3.1 PLC与简易版DGUS屏通信接口线路
简易版DGUS屏（DMT80480L070_15WT屏）和S7-200PLC（CPU224XP）通信接口线路如图2所示，这里采用常用的PC/PPI电缆实现RS232至RS485的转换，PC/PPI电缆 的RS485端 口 与CPU224XP的PROT1相 连，而PC/PPI电缆的另一端RS232端口的接收脚RxD(引脚2）与简易版DGUS屏的DOUT引脚相连，RS232端口的发送脚TxD（引脚3）与简易版DGUS屏的DIN引脚相连接，同时其RS232端口的GND脚（引脚5）与简易版DGUS屏的GND引脚相连实现共地。
图2 通信接口连线图
3.2 通信软件设计[6～7]
PLC与简易版DGUS屏通信软件设计主要是PLC软件设计。本文将 CPU224XP的Port 0口设为 PPI 格式，方便PLC 程序的下载，而将Port 1口用于与简易版DGUS屏的通信。将Port 1设置为自由口协议，波特率为115200bps/s，每个字符8位，无奇偶校验。
3.2.1 串口发送
PLC“写”和PLC“读”通信形式分别采取不同定时周期发送。
PLC“写”是将被控系统的当前数据和状态及时发送给简易版DGUS屏，发送周期（T写）要短；同时，为避免一次发送所占用的串口时间过长，所以将写入简易DGUS屏的内容分割成几段，分时按序进行，本文分成2段，PLC“写”的发送周期（T写）设为200ms。
PLC“读”一般用于与简易版DGUS屏通信状态的测试，因此PLC“读”的发送周期（T读）以用户体验为准，本文设为30s。
每当定时发送时间到时，首先将当次发送的数据及相关信息（参考表2和表3）送到发送缓冲区，而后用XMT指令发送，然后立即连接“发送完成”事件（中断事件号为26）中断，在“发送完成”中断服务程序中将串口即刻切换到接收状态。其自由口通信发送程序流程如图3所示。
图3 自由口通信PLC发送流程
3.2.2 串口接收
本文采用S7-200PLC的“接收字符”中断（中断事件号为25）完成PLC“接收”。“接收字符”中断进行数据接收，也就是PLC每接收到一个“字符”（一个字节数据）时都会产生中断。根据简易版DGUS屏上传一帧数据的组成（参见表4），分别用“接收首帧头”、“接收次帧头”、“接收长度”以及“接收数据块”4个中断服务程序按序与“接收字符”中断事件连接，对接收到的“字符”进行判断并将接收的“字符”逐一存放在接收缓冲区，最终完成一帧数据的接收。
中断服务程序“接收首帧头”（参见图4）和“接收次帧头”（参见图5）用于PLC与简易版DGUS屏双方约定帧头的判断；中断服务程序“接收长度”（参见图6）获取一帧数据中还需接收的字节数（设为L，是指令、操作数、CRC字节数的总和），用于确定一帧数据的长度；中断服务程序“接收数据块”（参见图7）根据接收的字节数（L）,完成一帧完整数据的接收与处理。
图4 中断服务程序“接收首帧头”流程图
图5 中断服务程序“接收次帧头”流程图
图6 中断服务程序“接收长度”流程图
图7 中断服务程序“接收数据块”流程图
4 在自动监控系统中应用[8]
简易版DGUS屏和S7-200PLC的通信方法已应用于鞍山师范学院设计的生物质锅炉PLC控制系统中，图8是简易版DGUS屏对控制系统实时监控多幅界面中的一个。在图8这幅手动监控界面上，能实时显示控制环节状态和运行参数，例如进料状态、烟道温度等；同时用户可通过界面上的按键将命令传达到PLC控制系统中，例如，按动“进/停”按键”即刻启动或停止控制系统的“进料”动作，等等，方便了用户操作，对生物质锅炉的应用和推广具有重要意义。
图8 生物质锅炉PLC控制系统监控界面之一
5 结束语
根据简易版DGUS屏给定的通信协议和串口指令，基于S7-200PLC自由口通信的特性，设计的通信程序实现了简易版DGUS屏和PLC的串行通信。将该设计应用于生物质锅炉PLC控制系统中，能够实现实时监测和控制，为简易版DGUS屏应用于PLC自动控制系统中提供了一个有效的方案，具有一定的参考价值。
