小型PLC网络监控系统的安装和调试设计方案.doc

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1、 小型PLC网络监控系统的安装和调试设计方案PLC的简介 随着计算机工业控制技术的不断发展，计算机监控技术日趋完善，PLC（Programmable logic Control程序逻辑控制）工业控制系统为各式各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用，其主要原因在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案。 可编程序控制器(又称可编程控制器)是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前已被广泛应用于各个领域。由于早期的可编程序控制器只能进行计算、定时以及对开关量的逻辑控制，因此，它被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic

2、 Controller）,简称PLC。后来，可编程序控制器采用微处理器作为其控制核心，它的功能已经远远超出逻辑控制的范畴，于是人们又将其称为Programmable Controller,简称PC。但个人计算机（Personal Computer）也常简称PC，所以为了避免混淆，可编程序控制器仍被称为PLC。1987年，国际电工委员会（IEC）在可编程序控制器国际标准草案第三稿中，对可编程序控制器定义如下：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式

3、的输入和输出控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC是生产力发展的必然产物。20世纪60年代初，美国的汽车制造业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，其生产线必须随之频繁地变更。传统的继电器控制对频繁变动的生产线很不适应，因此人们对控制装置提出了更高的要求，即经济、可靠、通用、易变、易修。自从1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC，并在美国GM公司的汽车自动装配生产线上获得试用成功以来，由于PLC优越的性能，其技术得到了飞跃的发展。1971年，日本引进了这项技术并开始生产PLC。1973

4、年，原西德和法国也研制出自己的PLC。随着微电子技术的迅猛发展，到20世纪80年代中期，PLC的处理速度和可靠性大大提高，不仅增加了多种特殊功能，而且体积进一步缩小，成本大幅度的下降。到20世纪90年代中期之后，PLC几乎完全计算机化，其速度更快，功能更强，PLC的各种智能化模块不断被开发出来。为了推进PLC的应用，一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件。现在，PLC不仅能进行逻辑控制，还在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制等方面都得到了广泛的应用。如今大中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC的

5、应用具有了硬件基础。另外还具有较强的通信功能，可与计算机或其他智能装置进行通信和联网，从而方便地实现集散控制。目前，世界上一些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善，换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向发展：小型PLC向体积缩小，功能增强，速度加快，价格低廉的方向发展，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。我国从20世纪70年代中期开始研制和开发国产PLC，许多企业PLC的应用方面进行了积极的探索，取得了成功的饿经验和良好的效益。随着PLC产品性能价格比的不断提高，中小企业普及应用PLC

6、的投资已经完全可以承受。可以预见，PLC技术的推广应用会使我国的工业自动化水平产生极大的飞跃。 一套完整的PLC主要由6个模块构成：电源模块、CPU模块、热备模块（可选）、开入/开出（I/O）模块、A/O模块、通讯模块。其中电源模块向PLC提供直流24V工作电源；CPU是微型处理器（PLC的核心部位）；热备模块是在两套PLC均为在线方式下互为热备用，并且可以人为任意切换至工作或备用状态，提高安全可靠性；开入/开出（I/O）模块是指外围回路向PLC输入高电平（或低电平）和PLC向外围回路输出高电平（或低电平）；模数转换（A/O）模块是将外围设备输入的电信号转换成数字信号，以供PLC进行计算、判断

7、、比较和传输（配置如图1所示） LD SM0.1 /第一个扫描周期接通 MOVB 9, SMB30 /初始化port0口 ATCH INT_0, 8 /指定port0口接收事件由中断0处理 MOVD &VB101, VD96 /指针VD96指向VB101开始的V寄存器区 MOVD &VB0, VD36 /VD36也指向VB101开始的V寄存器区 MOVB 0, VB41 /接收字符个数清0 图1由于PLC容易与工业控制系统连成一个整体，易于扩展功能，具有接口简单快捷、工作量小、适合于较为恶劣的运行环境、故障率低、可靠性好、抗电气干扰能力强，维护方便等优点。 工业中有许多控制系统需要多台PLC或

8、PLC与其他智能设备协同控制，所以PLC之间就必须要实现信息交换，即网络通信技术，西门子S7-200微型PLC具备较强的网络通信功能，在配料生产线、装备生产线等控制系统中，广泛应用PLC网络通信技术，各控制单元采用S7-200分别控制，通过PPI网络交换信息，同时为了提高可靠性和操作的便捷性，以采样触摸屏或计算机做主站，来监控系统的运行和生产数据的设定等。2.2PLC的通信 内容提要：本节首先介绍了PLC通信及网络的基本概念，然后介绍了S7-200 PLC通信与网络方面的知识，最后主要讲解了S7-200 PLC通信和网络功能的实现。 2.1.1PLC的通信 内容提要：本章首先介绍了PLC通信及

9、网络的基本概念，然后介绍了S7-200 PLC通信与网络方面的知识，最后主要讲解了S7-200 PLC通信和网络功能的实现。 2.1.2 PLC通信的基本概念 PLC通信是指PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与现场设备或远程I/O之间的信息交换。也就是说，任意两台设备之间发生了信息交换就是产生了通信。如当用户用编程器向PLC输入程序时，编程器与PLC之间有信息传送，这就是最简单的PLC通信。PLC通信的任务是将地理位置不同的PLC、计算机、各种现场设备用通信介质连接起来，按照规定的通信协议，以某种特定的通信方式高效地完成数据的传送、交换和处理。 2.1.3 通信系统的构成 通信系统一般由传

10、送设备、传送控制设备、通信介质、通信协议和通信软件等部分构成， 图9-1所示是一个通信系统的基本组成示意图。 传送设备主要是用来发送或接收信息的，一个通信系统中至少有两个，其中有的是发送设备，有的是接收设备。对于多台设备之间的数据传送，有时还有主从之分。主设备起控制、发送和处理信息的主导作用，从设备被动地接收、监视和执行主设备的信息。主从关系是在实际通信时由数据传送昀结构来确定。在PLC通信系统中，传送设备可以是PLC、计算机或各种外围设备。 传送控制设备主要用于控制发送与接收之间的同步协调，以保证信息发送与接收的一致性。 通信介质是信息传送的基本通道，是发送设备与接收设备之间的桥梁。 通信协

11、议是通信过程中必须遵守的各种数据传送规则，是通信得以进行的法律。 通信软件用于对通信的软件、硬件进行统一调度、控制和管理。2.1.4通信方式 1基本通信方式数据的基本通信方式有两种：并行通信方式和串行通信方式。并行通信方式是指9-2送数据的所有位同时发送或接收。并行传送的数据有多少位，传输线就需要多少根。图92所示是8位二进制数同时由设备A传送到设备B。 并行通信的特点是传送速度快，但如果PLC位数较多，传送距离较远，则会使得线路复杂且成本高。因此，并行通信方式一般只在PLc内部各元件之间、主机与扩展模块到智能模块之间使用。 E近距离串行通信方式是指将被传送的数据逐位逐位地顺序传送。不论被传送

12、的数据有多少位只需要l2根传输线分时传送，数据从低位开始一位接一位按顺序程 通信示意图。 所示是串行PLC通PLC点是PLC度慢，但传输绒少、成本低，适合长距离通信。串行通信广泛9-4 (a)、(b)、(c)所示。 单工通信是指信息的传递始终保持一个固定的方向，不能进行反方向传送，任一时刻线路总是一个方向的数据在传送。半双工是指在两个通信设备中同一时刻只能有一个设备发送数据，而另一个设备接收数据，至于哪个发送数据哪个接收数据没有限制，但两个设备不能同时发送和接收数据。 全双工是指两个通信设备可以同时发送和接收数据，线路上任一时刻有两个方向的数据在传送。在串行通信方式中，发送端与接收端之间的同步

13、问题是数据通信中的一个重要问题，处理不当往往会导致数据传送的失败。为此，在串行通信中采用了同步通信与异步通信技术。异步通信：将被传送的数据编码成一串脉冲，按照约定好的固定格式，发送设备一帧一帧地发送，接收设备一帧一帧地接收。在发送数据的同时发送数据的开始和结束标志，用于控制数据发送的开始与结束。各部件之间进行通信时没有统一的时间标准，可以有各自的时钟信号。图9-5所示是异步串行通信示意图。 在异步串行通信中，通信设备之间必须有两项规定。 (1)传送字符的数据格式：图9-5是一个7位字符数据传送格式。每一个字符数据的开始处加开始位标记“0”，接着是7位字符数据有效位，然后是l位奇偶梭验位，再加停

14、止位标记“1”，共用10位构成一个字符数据。还有其他字符格式，如字符数据有效位可以是58位，奇偶校验位可根据需要选择，停止位可以多于1位。 (2)波特率：单位时间内传送二进制数的位数。它用来衡量数据传送速度的快慢，单位是“波特”，也可表示为“bps”。例如，数据的传送速率为每秒480字符，每个字符为10位，则数据传送的波特率为 lObitx480s-1=4800bit/s=4800波特=4800bps 传送每一位的时间Td为波特率的倒数，即 Td=l/波特率=1/4800=0.208ms 要想使通信双方能够正常收发数据，则要求发送设备与接收设备的数据传送速率一致。 异步通信方式的硬件结构简单，

15、但传送每一个字节都要加开始位、校验位和停止位，所以传送效率较低，主要用于中低速数据通信。 同步通信：以数据块为单位，在每个数据块的开始加入一个同步字符来控制同步，而在用于PLc与PLc之间、PLc与计算机之间的数据传送。 2. PLC常用的通信接口 1RS-232-C通信接口 RS-232-C是电子工业协会(EIA)于1962年公布的一种标准化接口。它既是一种通信协议标准，又是一个种电气标准，它规定通信设备之间信息交换的方式与功能。它采用按位串行通信的方式传送数据，波特率规定为300 bit/s、600 bit/s、1200 bit/s、4800 bit/s、9600 bit/s、19200

16、bit/s等几种。电气性能上，RS-232-C采用负逻辑，规定逻辑“1”电平为-5-15V范围内；逻辑“O”电平为+5+15V范围内。 机械性能上，RS-232-C接口是标准25针的D型连接器。实际使用时并未将25个引脚全部用完，最简单的通信只需用3根线，最多用22根。当PLC与计算机通信时，使用的连接器有25针的也有9针的，可根据需要配置。表9-2给出了PLC与计算机相连时RS-232-C的引脚使用情况。 在通信距离较近(15m)，传送速率要求不高的场合可以直接采用RS-232-C接口，既简单又方便。由于RS-232-C接口采用单端发送、单端接收，所以在使用中有传送速率低、通信距离近、抗干扰

17、能力差等不足。 2RS-422-A遁信接口 RS-422-A是EIA于1977年推出的新接口标准RS-449的一个子集。它采用差动发送、差动接收的工作方式，发送器、接收器仅使用+5V的电源，因此在传送速率、通信距离、抗共模干扰等方面较RS-232-C接口有较大的提高。使用RS-422-A接口最大数据传送速率可达10 Mbit/s(对应距离为12m)，最大通信距离为1200m(对应的传送速率为lO kbit/s)。 3RS-485通信接口 RS-485通信接口的信号传送是用两根导线间的电位差来表示逻辑O、逻辑l的，这样RS-485接口仅需两根传输线就可完成信号的发送和接收任务。由于传输线也采用差

18、动接收、差动发送的工作方式，而且输出阻抗低、无接地回路问题，所以它的抗干扰能力极强，传输距离可达1200m，传送速率可达10 Mbit/s。 3.通信协议 通信协议是通信双方交换信息时所必须遵守的各种规则。它是由国际上公认的标准化组织或其他专业团体集体制定的、已被人们普遍接受的有关通信的各种电气技术、机械技术或软件技术标准。目前国际上公认的标准化组织及其通信协议主要有如下4个。 国际标准化组织（Intemational Organization for Standardization，ISO）：世界上最著名的国际标准化组织之，主要由美国国家标准化组织与其他国家的标准化组织的代表组成。ISO在通

19、信方面的主要贡献是建立了开放系统互连通信协议( Open System Interconnection，OSI)。 电气电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）：世界上最著名的标准化专业组织之一，它对通信的主要贡献是建立了IEEE 802通信协议。这个协议包含了IEEE 802.1802.11等11个项目。 美国高级研究院（Advanced Research Projects Agency，ARPA）：色黾美国国防部的一个标准化组织，20世纪60年代开始致力于不同种类的计算机间豆连问题的研究，并成功地开发了著

20、名的TCP/IP（Transmission Control Protocol/lnternet Protocol）与FTP (File TransferProtocol)通信协议，这两个协议已成为当今Internet的通信标准。 美国通用汽车公司( General Motor，GM)：美国最早的一家在“工厂自动化”方面走在世界前列的大型汽车制造商。早在1980年，GM公司就付出很大的投资，研究不同厂家的可编程设备的互联通信问题。它们参考了ISO的OSI模型和IEEE的IEEE 802模型，提出一个公共的通信标准制造自动化协议(Manufacture Automation Protocol，MA

21、P)，并于1982年发布第一个版本MAPI.I。以后又升级到MAPl.2、MAPl.3和MAP3.0等几个版本。MAP的模型与ISO的OSI模型基本相同，只是内容和功能有所增强。MAP协议的产生，能使来自不同厂家的PLC、计算机、自动化仪表等设备和控制系统连成一个整体。MAP协议是一个高效能、低价格的通信标准，成为组成计算机集成制造的基本原则。目前，PLC和上位计算机之间的通信可以按熙标准通信协议（如TCP/IP）进行，但PLC之间、PLC与远程I/O的通信协议还没有标准化。图9-7是几种通信协议模型的比较4. 网络结构概述 1简单网络一个主设备和多个从设备通过传输线相连，可以实现多个设备间的

22、通信，这就形成了一种简单的网络结构，如图9-8所示。 2多级网络 随着计算机技术、自动控制技术的飞速发展，PLC通信在工业自动化中的作用越来越引起人们的重视，网络化已成为PLC发展的主要方向。一般现代大型工业企业，常常采用多级 网络结构，PLC厂家常用生产金字塔结构描述其产品可实现的功能，根据作用不同可将这种结构分为3层。上层是管理层，一般是通用计算机（大、中型计算机），负责工程和产品设计、制定材料资源计划、处理有关生产数据、企业内部协调管理等方面的工作；中间层是在生产线上使用计算机和PLC的数据控制级，主要负责自动机、自动线上的数据采集、编程调试、工艺优化选择、参数设定等工作；底层主要是使用

23、PLC及相关控制设备对生产过程进行控制，直接操纵设备的运行，实现现场的检测和各种控制功能。 ISO对企业自动化系统确立了初步的模型，如图9-9所示。实际企业中的自动化系统的 网络结构的层数及各层的功能分布会略有西门子公司S7系列的生产金字塔由4级构成，从上到下依次为公司管理级、工厂与过 程管理级、过程监控级、过程测量与控制级。 3. PLC与计算机通信的基本功能 PLC与计算机通信是PLC通信中最简单、最直接的种通信形式，几乎所有种类的PLC都具有与计算机通信的功能。PLC与计算机之间的通信又称为上位通信，与PLC通信的计算机常被称为上位计算机。上位计算机可以是个人计算机，也可以是大、中型计算

24、机。由于计算机直接面向用户，应用软件丰富，人机界面友好，编程调试方便，网络功能强大，因此在进行数据处理、参数修改、图像显示、打印报表、文字处理、系统管理、工作状态监视、辅助编程、网PLC源管理等方PLC机有绝对的优势；而直接面向生产现场、面向设备进行实时控制却是PLC的特长。把PLC、PLC算机连接起来，实现数据通信可以更有效地发挥各自的优PLC互补应用上的不足，扩大PLC的应用范围。 (1)与计算机通信后，在计算机上可以实现以下功能。(1)可以直接在计算机上编写、调试应用程序。通常情况下，PLC的控制程序是由专门编程器编制的。当PLC与计算机通信后，便可利用辅助编程软件，直接在计算机上编写梯

25、形图程序；还可以将梯形图程序自动转换为指令表，自动查错非常方便。 自动监控、自动传送，(2)(3)可用PLC、图像、图表的形式在计算机上对整个生产过程进行运行状态的监视。 (4)可对PLC进行全面地系统PLC，包括数据处理、生成报表、参数修改、数据查询等。 (4)可对PLC实旋直接控制。PLC直接接收现场控制信号，经分析、处理转换为PL(的初始值和设定值，实现对PLC的直接控制。 ： (5)可以实现对生产过程的模拟仿真。 (6)(7)可以打印应用程序和各种管理信息资料。 (8)可以Internet可视化编程语言在计算机上编制多种组态软件。 (8)由于Internet发展很快，通过计算机可以随时

26、随地获得网上有用的信息和其他PLC厂家、用户PLC的控制信息，也可以将本地的PLC控制信，奄资源共享。 l发送到网上，实现控制系统的2.3 S7-200 PLC的通信与网络 2.3.1 网络通信协议及类型 1通信协议t 西门子公司S7系列的生产金(Ethemet)信协谈分两大类：通用通信协议和公司专用通信协议。通OSI已采用工业以太网(Ethemet)协议，用于管理级的信息交换。公司专用通信协议是基于OSI的7层模型，协议定义了主站和从站两类通信设备。主站可以对网络上另一个设备发出初始化要求，从站只是响应来自主站的信息。S7-200 PLC的网络系统中主站、从站间的专PPI信协议有以下3个标准

27、通信协议和1个自由口通信协议。 (1)PPI协议：点对点接口(Point-to_Pointlnterface, PPI)协议是种主从协议，在这个通信协议中，主站（其他CPU、SIMATIC编程器、TD 200中文文本显示器）向从站设备发送要求，从站响应。从站不主动发信息，只是等待主站发送的要求并作出相应的响应。网络上所有S7-200 CPU都默认为从站。如果在应用程序中允许PPI主站模式，一些S7-200 CPU姒模式下可以作为主站。一旦允许PPI主站模式，就可以利用网络的有关通信指令来读写其他CPU，并且还可以作为从站响应来自其他主站的请求和查询。任何一个从站可以与多个主站通信，但是在网络中

28、最多只能有32个主站。 (2) MPI协议：多点接口(Multi-Point Interface, MPI)协议是主主协议或主从1力、议，协议如何操作依赖于设备类型。如果是S7-300 CPU，就建立主主连接，因为所有S7-300CPU都是主站。如果是S7-200 CPU，就建立主从连接，因为S7-200 CPU是从站。 (3) Profibus协议：Profibus（过程现场总线）协议用于分布式I/O设备（远程I/O）的高速通信。Profibus网络通常有一个主站和几个从站，主站初始化网络并核对网络上的从DP备和配置中的匹配情况。主站连续地将输由数据写到从站并从它们上读取输入数据。当DP（分

29、布式外围设备）主站成功地组态一个从站时，它就拥有该从站。如果网络中有第二个主站它只能很有限地访问第一个主站的从站。 (4)自由口通信协议（用户定义通信协议）：自由口通信协议是指通过应用程序控制 S7-200 CPU通信口的操作模式来进行通信。利用自由口模式，可以实现用户定义通信协议连接多种智能设备。 在自由口模式下，通信协议完全由应用程序控制，用户可以通过使用有关指令编写程序控制通信口的操作。当S7-200研哪处于砒磷模式，通过SNIB3Q（口0）允许自由口模式。当S7-200 CPU处于STOP模式时，自由口通信停止，通信口转为正常的PPI协议 操作。 2通信类型 SIMATIC网络的通信类

30、型分为单主站和多主站。(1)单主站：一个主站与一个或多个从站连接的网络。图9-10是一个单主站网络结构示意图。图中一台计算机作为主站，4台S7-200 CPU作为从站。 (2)多主站：一个主站与最少一个从站及一个主站连接的网络。图9-11是一个多主站网络结构示意图。图中一台计算机作为主站，一台TD 200中文文本显示器也是主站，另外4台S7-200 CPU作为从站。2.4 网络通信硬件 S7-200系列PLC通信主要使用以下通信硬件。 1通信口 S7-200 CPU上的通信口是符合欧洲标准EN 50170中Profibus标准的RS-485兼容9针D型连接 器。图9-12是通信口的引脚分配，表9-3列出了通信口的与对应的Profibus名称。在进行调试时，将S7-200接入网络时，该端口一般是作为端口1出现的，端口0为所连接的调试设备的端口。、 2网络连接器 利用西门子公司提供的两种网络连接器可以将多个设备很方便地连接到网络中。其中一种连接器仅提供连接到CPU的接口，另一种连接器增加了一个编程接口。带有编程接口的连接器可以将SIMATIC编程器或操作面板增加到网络中而不需改变现有的网络连接。带编程接口连接器传递CPU信号，同时还能为相关设备提供电源。