PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信實(shí)現(xiàn)的研究

摘要：針對(duì)控制系統(tǒng)中上位機(jī)與S7-200系列PLC通信的實(shí)際問(wèn)題，總結(jié)了幾種監(jiān)控計(jì)算機(jī)與S7-200系列PLC的通信方法，這幾種方法在不同的控制系統(tǒng)中能較好解決監(jiān)控計(jì)算機(jī)與S7-200系列PLC通信問(wèn)題。
1 引言
西門(mén)子工控產(chǎn)品在工控領(lǐng)域應(yīng)用市場(chǎng)中有較高的占有率，S7-200系列PLC是西門(mén)子SIMATIC PLC家族中的成員之一，在西門(mén)子工控領(lǐng)域應(yīng)用中占有重要地位。S7-200系列PLC體積小，軟硬件功能強(qiáng)大，系統(tǒng)配置方便，由它組成的系統(tǒng)可以與強(qiáng)大的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線相連接。它一推向市場(chǎng)就在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中遇到了監(jiān)控計(jì)算機(jī)與S7-200系列PLC通信問(wèn)題。由于西門(mén)子公司S7-200系列PLC比監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC推出晚，因此WinCC中沒(méi)有集成S7-200系列PLC的通信驅(qū)動(dòng)程序；S7-200系列PLC的通信協(xié)議也不公開(kāi)，應(yīng)用第三方軟件編制監(jiān)控程序也有問(wèn)題。這些問(wèn)題給S7-200系列PLC的應(yīng)用帶來(lái)了一定的限制，為了解決這個(gè)實(shí)際工程問(wèn)題，作者做了一些研究，本文就S7-200系列PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信問(wèn)題研究結(jié)果展開(kāi)討論。
2 S7-200系列PLC監(jiān)控的主要方法
在大多數(shù)控制系統(tǒng)中，僅僅是實(shí)現(xiàn)控制是不夠的，在許多情況下也需要組態(tài)監(jiān)控界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)監(jiān)控可以增加人機(jī)交互的能力，使操作人員實(shí)時(shí)地監(jiān)控系統(tǒng)工作情況并使系統(tǒng)操作變得方便。
對(duì)S7-200系列PLC組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控一般有三種方法：組態(tài)軟件監(jiān)控、第三方軟件編制的監(jiān)控軟件監(jiān)控、觸摸屏監(jiān)控。
用組態(tài)軟件WinCC實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，功能強(qiáng)大，靈活性好，可靠性高。但軟件價(jià)格高，并需要解決WinCC與S7-200系列PLC的通信問(wèn)題。在復(fù)雜控制系統(tǒng)中可以采用此方法。
用第三方軟件編制的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，靈活性好，系統(tǒng)投資低，能適用于各種系統(tǒng)。但開(kāi)發(fā)系統(tǒng)工作量大、可靠性難保證，對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平的要求高，還必須購(gòu)買(mǎi)通信協(xié)議軟件。在系統(tǒng)資金投資有限，技術(shù)人員水平較高的情況下可以采用此方法。觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控，可靠性高，監(jiān)控實(shí)現(xiàn)容易，觸摸屏與PLC之間的通信問(wèn)題生產(chǎn)廠商已處理好，用戶(hù)不用考慮通信問(wèn)題，可以大大縮短工程周期。但靈活性一般，功能有限，不能滿(mǎn)足復(fù)雜控制系統(tǒng)的監(jiān)控要求，而且價(jià)格高。在系統(tǒng)可靠性要求高、工期短的情況下可以采用此方法。
3 WinCC組態(tài)軟件與S7-200系列PLC的通信
SIMATIC WinCC采用了新的32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)控軟件，具有良好的開(kāi)放性和靈活性。無(wú)論是單用戶(hù)系統(tǒng)，還是冗余多服務(wù)器/多用戶(hù)系統(tǒng)，WinCC均是較好選擇。通過(guò)ActiveX，OPC，SQL等標(biāo)準(zhǔn)接口，WinCC可以方便地與其它軟件進(jìn)行通信。WinCC與S7-200系列PLC的通信，可以采用PPI和Profibus兩種通信協(xié)議之一進(jìn)行。
1、WinCC與S7-200系列PLC通過(guò)Profibus協(xié)議進(jìn)行通信的實(shí)現(xiàn)
（1）軟硬件要求：
* PC機(jī) ，Windows 98操作系統(tǒng)；
* S7-200系列PLC；
* CP5412板卡或者其他同類(lèi)板卡，例如：CP5611，CP5613；
* EM277 Profibus DP模塊；
* Profibus 電纜及接頭；
* 安裝CP5412板卡的驅(qū)動(dòng)；
* 安裝WinCC 4.0或以上版本；
* 安裝COM Profibus軟件。
硬件連接如圖1。

通信實(shí)現(xiàn)硬件連接

（2）組態(tài)

打開(kāi)SIMATIC NET\COM Profibus，新加一個(gè)組態(tài)，主站為SOFTNET-DP，從站是EM277 Profibus-DP。主站的地址選擇從1到126。從站的地址選擇從3到99，與EM277的地址一致。然后用該軟件對(duì)從站進(jìn)行配置：打開(kāi)從站屬性，在Configure選項(xiàng)中，選擇8bytes in/8bytes out（可根據(jù)實(shí)際需要選定）。在Parameterize中可以選擇偏移地址，地址對(duì)應(yīng)于S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)區(qū)（即V區(qū)），默認(rèn)為0，即從VB0開(kāi)始。組態(tài)完成后，導(dǎo)出(Export)NCM文件，生成*.txt和*.ldb文件。
（3）設(shè)置PG/PC interface。
在Access Point of the Application中選擇CP_L2_1，在Interface Parameter Assignment 選擇CP5412A2(Profibus)。在屬性里的激活DP協(xié)議，并在DP-Database參數(shù)中輸入*.ldb文件的完全路徑。設(shè)置完成后可以診斷硬件配置是否正確、通信是否成功。
（4）WinCC的設(shè)置。
在WinCC變量管理器中添加一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)程序，新的驅(qū)動(dòng)程序選擇PROFIBUS DP.CHN，選擇CP5412（A2）Board 1，在System Parameters設(shè)定參數(shù)。CP5412(A2)board 參數(shù)為1，表示板卡的編號(hào)；Config參數(shù)為組態(tài)時(shí)生成的*.txt文件的完全路徑；Watchdog time 參數(shù)為0。新建一個(gè)連接，從站地址與EM277的地址一致。
（5）建立變量。
WinCC中的變量類(lèi)型有In和Out。In和Out是相對(duì)于主站來(lái)說(shuō)的， 即In表示WinCC從S7-200系列PLC讀入數(shù)據(jù)，Out表示WinCC向S7-200系列PLC寫(xiě)出數(shù)據(jù)。In和Out與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)V區(qū)對(duì)應(yīng)。在該例中，Out與PLC中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的VB0~VB7對(duì)應(yīng)，In與PLC中的存儲(chǔ)區(qū)的VB8~VB15對(duì)應(yīng)。
（6）優(yōu)缺點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：該方法數(shù)據(jù)傳輸速度快，易擴(kuò)展，實(shí)時(shí)性好。缺點(diǎn)：傳送數(shù)據(jù)區(qū)域有限（大64字節(jié)），在PLC中也必須進(jìn)行相應(yīng)的處理，且硬件成本高，需要的CP5412、EM277 Profibus-DP、Profibus總線等硬件，還需要Com Profibus軟件。應(yīng)用場(chǎng)合：適用于在要求高速數(shù)據(jù)通信和實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)。
2、WinCC與S7-200系列PLC通過(guò)PPI協(xié)議進(jìn)行通信的實(shí)現(xiàn)。
PPI協(xié)議是西門(mén)子S7-200系列PLC常用通信協(xié)議，但WinCC中沒(méi)有集成該協(xié)議，即WinCC不能直接監(jiān)控S7-200系列PLC組成的控制系統(tǒng)。S7-200 OPC Server是西門(mén)子公司推出的專(zhuān)為解決上位機(jī)監(jiān)控S7-200系列PLC控制系統(tǒng)的接口軟件。因此，WinCC可以通過(guò)該軟件與S7-200系列PLC很方便的建立通信。
（1）軟硬件要求：
* PC機(jī) ，Windows 98操作系統(tǒng)；
* S7-200系列PLC。
* PC/PPI電纜。
* 安裝S7-200 OPC Server 軟件。
* 安裝WinCC 4.0軟件。
（2）連接：
在控制面板中設(shè)定PG/PC接口參數(shù)。在Access Point of the Application中選擇Computing，Interface參數(shù)選擇PC/PPI Cable。
在WinCC變量管理器中添加一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)程序，新的驅(qū)動(dòng)程序選擇OPC.CHN，在OPC GROUP中新建一個(gè)連接，打開(kāi)屬性，選擇 OPC Group Setting，OPC服務(wù)器名稱(chēng)為OPCServer.MicroComputing。然后在新添加的連接中新建變量，變量的Item Name與S7-200系列PLC中用于監(jiān)控的變量名對(duì)應(yīng)。例如：Item Name為M0.0。
（3）優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：該方法連接簡(jiǎn)單、硬件投資少、可以讀寫(xiě)S7-200系列PLC中所有存儲(chǔ)區(qū)域。缺點(diǎn)：通信速度比較慢、需要OPC軟件及相應(yīng)授權(quán)、系統(tǒng)擴(kuò)展不方便。應(yīng)用場(chǎng)合：用于低速、實(shí)時(shí)性要求不高、系統(tǒng)投資資金有限的系統(tǒng)。
另外，也可以通過(guò)其他公司的OPC軟件進(jìn)行通信，例如用開(kāi)普的KEPServerEx作為OPC服務(wù)器，用WinCC作為OPC客戶(hù)端來(lái)讀寫(xiě)S7-200系列PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)。實(shí)現(xiàn)與上述**種方法類(lèi)似，不同的是必須在OPC服務(wù)器中建立標(biāo)簽與S7-200系列PLC中存儲(chǔ)地址對(duì)應(yīng)。
在復(fù)雜系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)中同時(shí)有S7-200系列PLC和S7-300系列PLC存在，S7-200系列PLC一般作為S7-300系列PLC的從站掛到Profibus總線上，WinCC通過(guò)S7-300系列PLC對(duì)S7-200系列PLC進(jìn)行監(jiān)控。
4 第三方軟件與PLC的連接

有些系統(tǒng)具有特殊性，沒(méi)有現(xiàn)成的通用軟件用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)監(jiān)控，這就需要用戶(hù)用第三方軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的監(jiān)控軟件。這樣做既可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，又可以節(jié)約系統(tǒng)投資。但對(duì)軟件開(kāi)發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求較高。

第三方軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件與S7-200系列PLC通信使用PPI協(xié)議的接口軟件有：Prodave、MicroComputing、OPC。

第三方軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件與S7-200系列PLC通過(guò)自由口進(jìn)行通信，協(xié)議自定的話，開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件可以調(diào)用MSComm控件實(shí)現(xiàn)兩者的通信。

1、用Prodave軟件包實(shí)現(xiàn)通信連接

Prodave是西門(mén)子公司推出的專(zhuān)門(mén)用于西門(mén)子PLC產(chǎn)品（S7-200、300、400系列PLC）與PC/PG進(jìn)行數(shù)據(jù)交換處理的軟件包。Prodave在*.DLL或*.LIB文件中集成了數(shù)據(jù)交換的函數(shù)。在自行開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件中可以方便地調(diào)用該軟件中的各種函數(shù)。

主要函數(shù)有：

（1）load_tool PC機(jī)與PLC系統(tǒng)初始化鏈接；

（2）unload_tool 斷開(kāi)PC機(jī)與PLC系統(tǒng)鏈接；

（3）以及讀寫(xiě)PLC內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的函數(shù)。

監(jiān)控軟件通過(guò)讀寫(xiě)函數(shù)可以方便監(jiān)控PLC控制系統(tǒng)。

2、用MicroComputing軟件實(shí)現(xiàn)通信連接

安裝MicroComputing后，在VB或Delphi中可以直接插入控件。可插入的控件主要有：Data controls、Edit controls、Button controls、Label controls、Slider control。

3、用OPC Server軟件實(shí)現(xiàn)通信連接
安裝S7-200 OPC Server軟件后，在操作系統(tǒng)中將增加一個(gè)OPC服務(wù)器，服務(wù)器的名字是“OPCServer.Computing”。VB或Delphi中可編寫(xiě)OPC客戶(hù)端程序與OPC服務(wù)器通信。

以下給出在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)OPC客戶(hù)端程序的過(guò)程：首先在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境中的Project\References中添加OPC Automation 2.0，然后編寫(xiě)連接OPC Server、添加組、添加條目、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的程序。

使用到的函數(shù)如下：

connect函數(shù)：與OPC Server建立連接；

OPCGroups.Add函數(shù)：添加組；

OPCITems.Additems函數(shù)：添加條目；

SyncRead函數(shù)：同步讀；

SyncWrite函數(shù)：同步寫(xiě)。

OPC 服務(wù)器名為“OPCServer.Computing”, 條目名稱(chēng)與S7-200系列PLC中用于監(jiān)控的變量名對(duì)應(yīng)。

4、用自由口實(shí)現(xiàn)通信連接
在VB或Delphi下插入MSComm控件，按照自定協(xié)議通過(guò)串口來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。
在PLC中也必須編寫(xiě)通信程序，流程如下。

圖3：自由口通信流程圖

5、優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)：

用Prodave，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，靈活性較好，可以直接調(diào)用Prodave的函數(shù)對(duì)S7-200系列PLC內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)，并能滿(mǎn)足大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，調(diào)試簡(jiǎn)單，很適合在工程中應(yīng)用。但需要購(gòu)買(mǎi)軟件，編程較復(fù)雜。

用MicroComputing，使用方便，編程以控件實(shí)現(xiàn)，編寫(xiě)簡(jiǎn)單。但靈活性差，并需要購(gòu)買(mǎi)軟件和授權(quán)。

用OPC實(shí)現(xiàn)通信，編程靈活也較簡(jiǎn)單，調(diào)試簡(jiǎn)單，由于OPC協(xié)議是通用協(xié)議，得到了許多公司支持，通用性好。但需要購(gòu)買(mǎi)軟件及授權(quán)。

用自由口通信實(shí)現(xiàn)，通信協(xié)議自己制定，靈活性好，擴(kuò)展了使用范圍，不需購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)門(mén)軟件。但編程復(fù)雜， PLC中要編寫(xiě)復(fù)雜的程序，使用了大量PLC的資源。VB或Delphi中用MSComm控件對(duì)串口進(jìn)行讀寫(xiě)，程序復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。
5 結(jié)束語(yǔ)
以上面給出了6種監(jiān)控計(jì)算機(jī)與S7-200系列PLC通信實(shí)現(xiàn)方法，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同情況下的監(jiān)控控制系統(tǒng)。研究證明，以上6種方法對(duì)不同要求的系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與S7-200系列PLC通信，對(duì)工程實(shí)踐有較高的參考價(jià)值。