基于现场总线的PLC实验系统

本文介绍了一个基于现场总线的PLC实验系统，文中先给出了系统的构成，然后再进一步重点讨论了系统中S7-300与S7-200的Profibus通讯方法以及MCGS组态软件对S7-300的监控。 1 引言 在工业现场控制中，可编程序控制器和现场总线的应用日益广泛。目前，在工科院校中PLC实验课在自动化专业教学中较为普遍的开设，但是基本停留于单台微型PLC做些简单实验的水平上，而未将整个实验室的PLC通过现场总线连结在一起。苏州大学PLC实验室采用西门子PLC，并用Profibus现场总线将它们组成一个PLC控制网络。 2 系统构成 PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准。Profibus通讯协议分为Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA几种，PROFIBUSDP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信。PROFIBUSPA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面问过程自动化系统中单元级和现场级通讯。PROFIBUSFMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。Profibus协议结构如图1所示。 实验系统采用西门子的PLC和Profibus现场总线，系统采用Profibus-DP通讯协议。西门子PLC系列中，S7-200系列属于微型PLC且应用广泛，完全可以满足学生单台PLC且应用广泛，需要。实验系统包含30个西门子S7-200实验台，可以用于做S7-200的PLC实验，每个实验台上有四个实验板，将不同的实验板与S7-200做连结，分别可以做模拟灯塔控制、模拟水位控制、模拟电梯控制、模拟交通灯控制四个基本的PLC实验。 实验台分为两组，每组15个，用Profibus总线将每个实验台上的S7-200串联。在总线的一端有一个西门子的S7-300作为主站来对总线上的S7-200进行监控，总线上的S7-200需要有EM277模块米做Protibus-DP通信并作为从站而存在。每组的系统构成如图2所示。 每组PLC用一台研华工控机作为上位机，并采用MCGS组态软件作为监控软件。在工控机上安装一块西门子CP5611卡后，MCGS组态软件既可与S7-300通过MPI通讯方式进行连结，实现MCGS对S7-300的监控，进而达到对总线上的其他设备进行监控的目的。 3 S7—300与S7—200间的ProfibUS-DP通讯 S7-200 CPU可以通过EM277PROFIBUS—DP 从站模块连入PROFIBUS-DP网，主站可以通过EM277对S7-200 CPU进行读／写数据。因EM277只能作为从站，所以两个EM277之间不能通讯。但可以由一台S7-300作为主站，访问几个连网的EM277。 EM277是智能模块，其通讯速率为自适应。在S7-200CPU中不用做任何关于PROFIBUS-DP的组态和编程工作，只需对数据进行处理。PROFIBUS-DP的所有组态工作由主站完成，在主站中需配置从站地址及I/O配置，同时，EM277模块的拨码开关地址与主站所配置的地址应保持一致。 在主站中完成的与EM277通讯的I／O配置共有三种数据一致性类型，即字节、字、缓冲区。所谓数据的一致性，就是在PROFIBUS-DP传输数据时，数据的各个部分不会割裂开来传输，是保证同时更新的。如果数据值是双字或浮点数以及当一组值都与一种计算或项目有关时，也需要采用缓冲区一致性。 EM277作为—个特殊的PROFIBUS-DP从站模块，其相关参数（包括上述的数据一致性）是以GSD（或GSE）文件的形式保存的。在主站中组态EM277，需要安装相关的GSD文件。 在S7-200通过EM277模块与S7-300通讯时，主站把从站的数据区数据可以当作远程I／O来看待，因此主站输入输出缓冲区与从站的数据区间的映射关系很重要，应在主站组态时定义从站所使用的数据区起始地址以及所对应主站输入输出变量的个数。系统中主站输入输出缓冲区与从站的数据区间的映射关系如图3所示。 在S7-300主站中，所使用的输入缓冲区和输出缓冲区地址均从当前缓冲区中最小空闲地址开始，而通过EM277在S7-200CPU的V存储区的映射，是本地的输入缓冲区（也就是主站的输出缓冲区）在前（地址低），输出缓冲区（主站的输入缓冲区）在后面（地址高），本地的缓冲区均从在Step7中系统组态时分配的偏移地址开始并且输入缓冲区与输出缓冲区连续。 采用上述方法可以建立主站与从站之间的通讯，但是CPU315-2DP要对每个从站的实验状态进行监视，则还应在每个S7-200从站中包含一个网络控制子程序，该程序不允许被实验人员修改，它将当前CPU224的输入／输出状态以及与诊断有关的特殊存储器的状态在全部拷贝到本地输出缓冲区中去，这样系统中主站就可以采集每个实验台的实验状态了。类似的，在主站中根据需要将输出数据拷贝到主站的I／O输出区，并且在从站中由网络控制子程序根据主站信息来控制输出，可以实现由主站控制总线上任意一个S7-200的输出状态。 4 MCGS组态软件对S7—300的监控 系统上位机采用MCGS组态软件作为监控软件，MCGS组态软件支持与S7-300间采用西门子MPI通讯方式进行通讯，在使用时要选用S7300＿MPI构件，并对该构件的设备属性进行设置，除了对设备名称、采集周期、初始工作状态、PLC参数要进行设置外，还要设置PLC的读写通道，将S7-300中的有关输入输出变量以及数据和实时数据库中变量对应起来，就可以通过读取和写入有关的实时数据库变量来对S7-300进行监控了。 考虑到总线上的循环时间以及实验监控的需求，在上位机实验系统监控工程运行时，安排一个以1秒为周期的循环运行策略。在该运行策略中由脚本程序根据实时数据库变量变化来刷新监控画面，并且根据监控操作改变实时数据库变量。在模拟电梯控制系统中，定义了以下变量： B10 开关型 第一层上行呼叫按钮 B20 开关型 第二层上行呼叫按钮 B21 开关型 第二层下行呼叫按钮 B30 开关型 第三层下行呼叫按钮 DOUBLE 开关型 控制两个按钮都按下的变量 F1 开关型 前往第一层的目的地按钮 F2 开关型前往第二层的目的地按钮 F3 开关型 前往第三层的目的地按钮 Fll 开关型 控制第一层的目的地按钮灯的“亮”“灭” F12 开关型 控制第二层的目的地按钮灯的“亮”“灭” F13 开关型 控制第三层的目的地按钮灯的“亮”“灭” L1 开关型 控制第一层呼叫指示灯“亮”，“灭”的变量 L2 开关型 控制第二层上行呼叫指示灯“亮”，“灭”的变量 L21 开关型 控制第二层下行呼叫指示灯“亮”，“灭”的变量 L3 开关型 控制第二层呼叫指示灯“亮”，“灭”的变量 M1 开关型 控制马达正转的变量 M2 开关型 控制马达反转的变量 TIMERl 开关型 定时器状态信号 TIMER2 开关型 定时器启动与复位信号 TIMER3 数值型 控制定时器计时值的变量 XW1 开关型 控制升降机到达第一层的变量 XW2 开关型 控制升降机到达第二层的变量 XW3 开关型 控制升降机到达第三层的变量 升降机 数值型 控制升降机上下高度的变量 AL 开关型 控制升降机报警灯的“亮”，“灭” 下行灯 开关型 控制升降机上行灯的“亮”，“灭” 上行灯 开关型 控制升降机下行灯的“亮”，“灭” 复位按钮 开关型 控制升降机复位的变量 在上位机监控时，监控画面分为两级，主监控画面显示所有实验台当前实验内容、实验就绪或实验完成以及实验错误状态；由主监控画面，监控人员还可以进入具体某个实验台画面查看该实验台当前详细状态以及详细错误信息，以及做对实验进行限制和保护的操作。图3所示为MCGS组态软件监控某实验台模拟电梯运行的实验画面。 5 结束语 本系统最终在PLC教学实验中成功投入使用，并且同时方便了学生的学习和教师对实验的监控，获得了良好评价。