PLC自动化通信网络实验教学系统的构建

2014-07-04吕继东陈岚萍马正华

电气电子教学学报 2014年6期

吕继东，陈岚萍，马正华

(常州大学信息科学与工程学院，江苏常州212164)

“PLC技术及应用”课程是我院电气、电子以及自动化等专业一门必修的专业课。该课程实用性强，与工程实际联系紧密，所以它的实践环节是该课程的重要组成部分[1-3]。

然而许多高校的PLC实验平台通常缺少自动化通信网络的实验系统。即使有，功能实现也比较单一，不能组网，只能基于某一种通信协议进行通信实验，学生难以对PLC网络通信有一个整体深刻的理解，对本课程缺乏兴趣。为解决以上问题，基于PLC教学的实际需求，我们构建了PLC自动化通信网络实验教学系统。

1 系统设计

“PLC技术及应用”课程中，“自动化通信网络”一章主要介绍PLC的通信功能并使用各种通信网络和通信协议，实现PLC与计算机、其他PLC和变频器通信的编程、组态和实验方法[4]。基于此所设计的PLC自动化通信网络实验教学系统由一台装有视窗控制中心WinCC(Windows Control Center)的PC机作为上位机来监控整个网络的运行，系统结构图如图1所示。WinCC是由德国西门子公司和美国微软公司共同开发的组态软件，是结合西门子在自动化领域中的先进技术和微软软件强大功能的产物。采用该软件来设计系统的上位机监控界面，能够加深学生对自动化控制过程的感性认识，更好地培养学生对PLC学习的兴趣。

图1 PLC通信网络实验教学系统结构图

图1为两层控制网络，包括监控层和现场控制层，其中监控层上位计算机通过MPI(Multi-point Interface)电缆下连现场控制层的一台西门子S7-300 PLC。该PLC自身具有MPI接口和Profibus-DP接口，所以无需另外的通讯接口单元就可把该PLC连接到网络上与其通讯。我们把该PLC作为整个网络的主站，负责发送控制信息，读取从站状态。另一台S7-300 PLC作为从站，它可以控制一些开关量，加装模拟量模块也可以控制模拟量。西门子的S7-200 PLC其自带有RS485接口，通过该接口与西门子的MICROMASTER VECTOR变频器相连，它们之间的通讯使用串行接口协议USS(Universal Serial Interface Protocol)。同时该PLC还另配有过程现场总线Profibus(Process Field Bus)通讯模块，通过它使PLC与网络通讯。西门子的交流调速器6SE70和直流调速器6RA70加上各自的CBP通讯板连接到网络上。EMERSON公司的变频器EV2000，通过TDS-PA01(Profibus-DP适配器)连接到网络上。此外，直流调速器6RA70还下接一台直流电动机，以实现直流电动机的调速控制。交流调速器6SE70、变频器MICROMASTER VECTOR和EV2000也分别下接一台三相异步电动机，籍此来实现交流变频调速控制。

2 网络硬件组态

一旦上位机上运行S7-300 PLC的编程软件包SIMATIC STEP7进入硬件组态状态，就开始对各站点进行网络参数设置。系统首先对主站S7-300 PLC进行组态。在STEP7新建工程Project中加入站点SIMATIC 300 Station，然后在该站点的硬件配置窗口里对S7-300和PLC的机架、电源、CPU和信号模件等按其实际配置类型和物理地址进行组态，其中在CPU模块的组态中设置Profibus、MPI地址及通讯时的数据传输速率。从站S7-300 PLC的组态和主站S7-300PLC基本相同，只是Profibus地址设置有所不同。从站S7-300 PLC组态完后，在主站S7-300 PLC硬件配置窗口中的Hardware catalog硬件配置表里寻找并将其拖入到Profibus-DP网络中，然后双击打开其属性对话框，在configuration子菜单下设置主从站S7-300 PLC数据交换的地址。

同样，从Hardware catalog硬件配置表中再找到6SE70和6RA70各自的通讯板CBP以及EV2000的通讯适配器TDS-PA01、S7-200的通讯模块EM277，也将它们拖入到Profibus-DP网络中去。在拖入过程中出现的对话框里选择用户通讯数据结构类型和设定它们在网络中的地址，完成之后还要在它们的模块属性对话框中设定各自与主站数据交换的地址。需要说明的是设置EM277参数时没有用户通讯数据结构类型的选择，但是要在其属性对话框里设定与主站数据交换地址的偏移量。如果在硬件配置表中没有找到这些设备，则需要选择option菜单中的Install New GSD子菜单功能，安装这些设备的GSD配置文件(一般有设备商提供)。

3 网络通讯

3.1 系统网络通讯协议和现场总线

系统网络通讯主要是指主站S7-300 PLC与各个从站之间以及它与上位机组态软件WinCC之间的通讯，前者采用的是Profibus-DP通讯协议，后者采用的是MPI通讯协议。另外网络中S7-200 PLC与MICROMASTER VECTOR变频器通讯采用的是USS协议。

Profibus是不依赖于厂家的、开放现场总线，能够实现不同厂商的自动化设备及其元器件之间的数据交换，是目前得到广泛应用的现场总线之一。根据其应用的范围，Profibus主要有三种模块组成:Profibus-FMS、Profibus-PA 和 Profibus-DP。Profibus-DP是专门为自动化控制系统和设备分散的I/O之间进行通讯而设计的，具有高速传输、运行可靠和价格低廉等特点，应用最为广泛[5]。

MPI是西门子公司的PLC、HMI和编程器的通信端口使用的通信协议，允许主/主通信和主/从通信，而USS是用于西门子PLC与其变频器通信的主从结构协议，能够实时监控传动系统。

3.2 主站S7-300 PLC与从站之间的通讯

主站S7-300 PLC与从站PLC只要通讯接口间的连线正确，站点网络地址参数设置无误，就能进行正常的通讯，而与变频器通讯除了这些之外，变频器自身还要设置多个参数。这些参数的优化设置是充分发挥该变频器功能以及它与网络正常通讯的保证，应针对系统对控制对象的运行要求和网络通讯规范进行设定。

3.3 S7-200 PLC与变频器之间的通讯

网络中S7-200 PLC与MICROMASTER VECTOR变频器通讯采用的是USS协议，该协议是一种基于串行总线进行数据通讯的协议，是Profibus的一个子集。基于该协议通讯，MICROMASTER VECTOR变频器可以直接与S7-200 PLC的RS485接口相连，无须加装通讯板，但是如果要使该变频器连入到Profibus-DP网络中去，则需要一块CB15通讯板。

S7-200 PLC要与MICROMASTER VECTOR变频器通讯，该变频器自身也需要内部参数的设置。在S7-200 PLC的编程软件STEP7-Micro/WIN32的工具包里有专为USS协议通信而设计的预配置子程序和中断程序，这些程序在STEP7-Micro/WIN32指令树的库文件夹中作为指令出现。使用这些指令可控制变频器和读/写变频器的参数，能够更方便地与变频器通讯。

3.4 组态软件WinCC与主站之间的通讯

组态软件WinCC能够很方便地生成人机界面，实现与S7-300 PLC之间的通讯。我们打开WinCC建立新WinCC项目，在变量管理模块中添加名称为SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驱动程序，然后在其中的MPI项下建立PLC连接并设置MPI地址等参数，MPI地址必须与PLC中设置相同，接着在组态完成的S7-300 PLC下设置标签，每个标签有标签名、数据类型和地址3个设置项。

WinCC与S7-300 PLC之间需要通信的数据一一定义标签后打开WinCC的图形编辑器，利用基本元件或图形库中的对象(也可以导入外部图形)制作控制网络画面，并将变量标签与相应的对象连接，即画面中的对象与现场设备连接，如此就实现了WinCC与S7-300 PLC之间的数据通讯并可以在上位机屏幕上控制、监视现场设备了。

在控制界面中，上位机可以控制网络中电机的起停和正反转，还可以设定转速。当外部手动控制电机时，开关按钮的起停状态和电机转速也能在控制画面中显示出来，实现控制和监视双重功能。