基于以太网下的PLC与上位机通讯

曹铭志

（大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026）

0 引言

目前，国际上影响力较大的现场总线标准比较多，难免在控制系统的集成方面造成不便，很难解决不同厂商总线产品的互可操作，以及相互集成的问题。在这种现场总线难以实现统一控制的情况下，使得以太网技术在各个过程控制领域以及工业自动化方面得到了迅速增长。国际上大部分厂商提供了其生产的PLC与以太网结合的产品，实现PLC控制器与基于TCP/IP协议的以太网的结合，旨在构筑全开放、全分散的工业控制系统，通过与以太网的结合，按照其相关协议实现与计算机间的通讯工作。

1 中国PLC技术的现状

中国的PLC研究起步是相当晚的，但是PLC技术发展史非常迅速的。中国的电力科学院从1997年开始进行研究PLC技术，在研究的过程中主要考虑PLC技术传输的速率比较低，并且主要用于低压抄表技术中。所以在1998年进行研制出样机进行试验，到1999年开始进行现场进行试运，并获得产品登记许可证。从1999年5月才真正开始进行研究PLC系统的开发工作。从2000年中国从国外引进先进的芯片技术，并研制出2 Mb/s的样机，然后通过试验，效果比较理想[1]。从而开始大力进行研究开发PLC技术。在现在的工业控制现场，工业控制主要是作为上位机对现场进行实时的控制，并且可以完成人机操作界面、数据库、图形显示以及联网、通讯等，在工

2 以太网与PLC相结合

2.1 以太网和局域网技术

局域网由于受其分布范围小的影响，都具有结构规整、短小灵活的特点，比较容易形成统一规则，局域网技术于是成了计算机网络技术中最为标准化的一部分。以太网则是上世纪70年代研制的一种基于局域网技术，其主要特征是采用载波监听多路访问（CSMA）/冲突检测（CD）的共享访问方案。

SIMATIC NET工业以太网主要是用于大型的集散控制系统中，最高的通讯速率可以达到100 Mb/s，它主要是基于IEEE802.3的工业标准的总线系统，并且运用 CSMA介质进行访问控制协议，通讯距离为1.5 km或4.5 km网络可以连接1 000多个节点[1]，节点根据连接方式进行传输数据主要是以主动站进行建立连接，PC和PLC之间可以建立很多的连接，但是每一个PLC最多只能建立16个PLC—PLC连接，连接最多能够发送240个字节，传送的数据位I/O地址，DB数据块以及中间寄存器，并且可以按照位、字、字节以及双字节等进行读写。

2.2 以太网与PLC相结合

在自动化控制领域，可编程控制器（PLC）是一种非常重要的控制设备，具有极高的抗干扰能力，且I/O接口模块丰富等特点。对于PLC的以太网通信，人们最常用的是PLC通过以太网与上位机相连的工作方式，完成可视化的人机操作界面、数据库以及图形显示等。在这种方式下，采用国内比较广泛使用的S7系列PLC进行现场数据的读取，然后将数据通过自由口通讯方式传送给上位机。S7通讯系列具有简单、有力的通讯服务和无关网络的用户之间的接口，不仅可以由于以太网通讯，而且对PROFIBUS和MPI也是有很大的作用，但是需要进行安装特殊的SIMATIC Net软件[2]。

2.3 PLC在以太网中的通新运用组态王进行实现

在安装有组态王的上位机与PLC之间的连接，利用以太网通信模块可以实现通信功能，运用这种通信方式具有安装灵活、运行速度快，控制可靠、并且可以很方便地实现扩展，在工业的制造中运用是非常广泛的。

3 PLC在以太网中的通信

3.1 硬件构成及通信原理

在过去的项目工程开发中，PLC与上位机通常采用RS-232C或者RS-485的串行方式，近年来，随着计算机以太网以及 USB接口的普及，西门子S7型PLC的两个RS-485的通讯口也逐渐通过USB转换器实现 RS485串行口的协议转换。但是由于USB本身存在的不稳定、抗干扰能力弱的特点决定了它的使用局限性，无法满足复杂的工控现场环境。并且还以传统的链接电缆模式为基础，即采用专门的西门子PC/PPI编程电缆负责上下位机RS-485和RS-232的转换，且这种传统的模式具有极强的隔离抗干扰能力。

3.2 基于PLC的以太网结构

CP连接组态主要是运用step7软件或step7软件中用于工业以太网的NCMS7软件对CP进行网络组态。CP通讯处理器可以进行连接PC，上位机PC上一般安装支持TCP/ IP 协议的网卡为CP1613，并且选用用SI MAT IC WinCC作为人机界面。在PC 机中进行设置网卡CP1613的IP地址以及子网掩码。一般IP地址的子网网段的地址默认为址192.168. 0, 子网掩码默认为255.255.255.0。在人机界面的SI MAT IC WinCC 中选择的通信单元为TCP/IP[3]。并且通过对远程的PLC侧的CPU的以太网通讯处理器进行初始化，在界面中设置CP443- 1 的IP 地址，然后通过CPU的MPI 的接口，把IP 地址进行下载到中央处理器中。

利用以太网的通讯模块可以实现网络通讯，主要是以太网通讯模块CF243-1通过工业以太网实现与上位机之间的通讯，PPLC可以作为一个节点的形式与局域网进行连接，然后利用以太网的通讯模块可以方便的实现PLC与上位机之间的通讯以及PLC与组态软件之间的通讯功能，CP243—1以太网模块是用于将S7-200系统连接到工业以太网的通讯处理器，并且可以方便的实现PLC与上位机进行数据传输、信息处理、实现监控等一些强大的功能。

1）运用以太网模块可以方便的实现PLC与PC机之间的通信，以太网模块的3种数据通讯方式主要由请求方式、握手方式以及其他节点的请求直接进行读写的方式这3种方式，在这几种方式中，PLC主要为服务器，不用进行通讯编程，请求命令主要是由上位机向PLC发送通信即可[4]。其中的命令帧与响应帧的格式如图1所示。

图1 读取命令帧和相应命令帧格式

2）PLC通信程序的设计的步骤一般是：①先进行设置IP地址和TCP/IP的参数，运用DMOV指令把PLC站点的IP地址移动到寄存器中，然后运用DTO指令把D0中的内容移到以太网模块001F中，最后进行设置TCP/IP协议的参数，如进行奇偶校验、数据传输等，然后发出初始化请求；②采用TCP/IP协议设置信道使其模式处于完全被动的通信模式下，然后进行设置通信端口，设置完之后发出数据信号指令，打开请求指令；③在打开数据信道出错时，先关闭数据信道，在请求指令中，设置连续时间，然后设置客户关闭连接时的关闭通道[5]。

3）PLC与上位机的通讯编程也可以运用s7—300／400PLC，其中资源主要由输入输出点、内部辅助点、时间继电器、数据块DB以及计数器、外设输入输出等，如果要进行读写这些资源必须使PLC和Pc机的连接建立起来进行读写。

4 PLC通讯技术的具体事例应用

基于以太网下的PLC不仅可以实现与上位机之间的通信，而且还可以实现监控以及控制作用，比如在某个轮胎厂的自动卸胎的机械手进行研制的过程中主要采用基于以太网下的S7-200的PLC与上位机之间的串行通讯技术完成的，从而可以实现实时的监控以及远程的监控等一些功能。其中机械手在运动的过程中，当运动到制定的位置时，使PLC得到信号，然后数据通过串行通讯的端口传到上位机通讯技术中，上位机接受到信号之后，通过后台的程序进行处理，从而使控制界面的状态发生变化，使操作者能够直观的看到设备现在的运用状态[6]。并且操作者也可以在上位机上对下料电机和运动电机进行直接的控制操作，从而可以实现程序的远程控制。

5 结语

可编程逻辑控制器（PLC）主要广泛应用工业环境的现代化数字操作的电子装置中，PLC技术主要采用编制程序的存储器，从而进行顺序运算、定时计算以及执行逻辑运算、算术运算等等一些指令。并且PLC技术还可以通过模拟式或者数字式的输出和输入进行控制生产过程以及各种机械类型。

以PLC为核心的现代控制技术，通过网络通讯、工业以太网以及数据库等一些计算机技术在工业控制领域中的运用，从而可以实现生产过程中的远程控制以及自动控制通讯技术[7]。基于以太网下的PLC与上位机之间的通讯技术在工业中运用，不仅可以提高生产效率，而且在工业中采用这种技术安全可靠，随着技术的不断发展PLC通讯技术将广泛应用到各个领域中。

利用PLC在以太网中不仅可以实现与上位机以及其他的PLC等技术进行通信、数据交换以及实现监控和管理，并且运用组态王与 PLC进行通讯，通过CP243-1通讯模块连入工业以太网具，有很高的可靠性、数据处理方便、结构简单、调节灵活、运行稳定，在工业自动化中的应用价值很高，因此，基于以太网下的PLC与上位机通讯将在工业自动化控制中得到广泛的推广。

[1] 孙平.可编程序控制器原理及应用[M].北京：高等教育出版社,2003.

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[3] 刘地军,徐利.网页可配置的多路字符叠加系统设计[J].信息安全与通信保密,2009(07):96-98.

[4] 刘乐,王长松,王兴兵.西门子S7-200 PLC与计算机自由口通信的研究[J].机械工程与自动化,2007(04):22-24.

[5] 葛春林,周杰,蔡磊.基于PLC和GSM短信技术移动通信基站监控系统[J].通信技术,2008,41(12):232-234,238.

[6] 张新军,崔艳艳.西门子PLC与上位机自由口通讯的设计[J].重庆电子工程职业学院学报,2011(01):162-164.

[7] 陈凤美.基于GPRS短信模块的远程数据控制系统[J].信息安全与通信保密,2010(10):55-56.