PLC自動化通信網絡實驗教學系統的構建

呂繼東，陳嵐萍，馬正華

(常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州212164)

“PLC技術及應用”課程是我院電氣、電子以及自動化等專業一門必修的專業課。該課程實用性強，與工程實際聯系緊密，所以它的實踐環節是該課程的重要組成部分[1-3]。

然而許多高校的PLC實驗平臺通常缺少自動化通信網絡的實驗系統。即使有，功能實現也比較單一，不能組網，只能基于某一種通信協議進行通信實驗，學生難以對PLC網絡通信有一個整體深刻的理解，對本課程缺乏興趣。為解決以上問題，基于PLC教學的實際需求，我們構建了PLC自動化通信網絡實驗教學系統。

1 系統設計

“PLC技術及應用”課程中，“自動化通信網絡”一章主要介紹PLC的通信功能并使用各種通信網絡和通信協議，實現PLC與計算機、其他PLC和變頻器通信的編程、組態和實驗方法[4]?；诖怂O計的PLC自動化通信網絡實驗教學系統由一臺裝有視窗控制中心WinCC(Windows Control Center)的PC機作為上位機來監控整個網絡的運行，系統結構圖如圖1所示。WinCC是由德國西門子公司和美國微軟公司共同開發的組態軟件，是結合西門子在自動化領域中的先進技術和微軟軟件強大功能的產物。采用該軟件來設計系統的上位機監控界面，能夠加深學生對自動化控制過程的感性認識，更好地培養學生對PLC學習的興趣。

圖1 PLC通信網絡實驗教學系統結構圖

圖1為兩層控制網絡，包括監控層和現場控制層，其中監控層上位計算機通過MPI(Multi-point Interface)電纜下連現場控制層的一臺西門子S7-300 PLC。該PLC自身具有MPI接口和Profibus-DP接口，所以無需另外的通訊接口單元就可把該PLC連接到網絡上與其通訊。我們把該PLC作為整個網絡的主站，負責發送控制信息，讀取從站狀態。另一臺S7-300 PLC作為從站，它可以控制一些開關量，加裝模擬量模塊也可以控制模擬量。西門子的S7-200 PLC其自帶有RS485接口，通過該接口與西門子的MICROMASTER VECTOR變頻器相連，它們之間的通訊使用串行接口協議USS(Universal Serial Interface Protocol)。同時該PLC還另配有過程現場總線Profibus(Process Field Bus)通訊模塊，通過它使PLC與網絡通訊。西門子的交流調速器6SE70和直流調速器6RA70加上各自的CBP通訊板連接到網絡上。EMERSON公司的變頻器EV2000，通過TDS-PA01(Profibus-DP適配器)連接到網絡上。此外，直流調速器6RA70還下接一臺直流電動機，以實現直流電動機的調速控制。交流調速器6SE70、變頻器MICROMASTER VECTOR和EV2000也分別下接一臺三相異步電動機，籍此來實現交流變頻調速控制。

2 網絡硬件組態

一旦上位機上運行S7-300 PLC的編程軟件包SIMATIC STEP7進入硬件組態狀態，就開始對各站點進行網絡參數設置。系統首先對主站S7-300 PLC進行組態。在STEP7新建工程Project中加入站點SIMATIC 300 Station，然后在該站點的硬件配置窗口里對S7-300和PLC的機架、電源、CPU和信號模件等按其實際配置類型和物理地址進行組態，其中在CPU模塊的組態中設置Profibus、MPI地址及通訊時的數據傳輸速率。從站S7-300 PLC的組態和主站S7-300PLC基本相同，只是Profibus地址設置有所不同。從站S7-300 PLC組態完后，在主站S7-300 PLC硬件配置窗口中的Hardware catalog硬件配置表里尋找并將其拖入到Profibus-DP網絡中，然后雙擊打開其屬性對話框，在configuration子菜單下設置主從站S7-300 PLC數據交換的地址。

同樣，從Hardware catalog硬件配置表中再找到6SE70和6RA70各自的通訊板CBP以及EV2000的通訊適配器TDS-PA01、S7-200的通訊模塊EM277，也將它們拖入到Profibus-DP網絡中去。在拖入過程中出現的對話框里選擇用戶通訊數據結構類型和設定它們在網絡中的地址，完成之后還要在它們的模塊屬性對話框中設定各自與主站數據交換的地址。需要說明的是設置EM277參數時沒有用戶通訊數據結構類型的選擇，但是要在其屬性對話框里設定與主站數據交換地址的偏移量。如果在硬件配置表中沒有找到這些設備，則需要選擇option菜單中的Install New GSD子菜單功能，安裝這些設備的GSD配置文件(一般有設備商提供)。

3 網絡通訊

3.1 系統網絡通訊協議和現場總線

系統網絡通訊主要是指主站S7-300 PLC與各個從站之間以及它與上位機組態軟件WinCC之間的通訊，前者采用的是Profibus-DP通訊協議，后者采用的是MPI通訊協議。另外網絡中S7-200 PLC與MICROMASTER VECTOR變頻器通訊采用的是USS協議。

Profibus是不依賴于廠家的、開放現場總線，能夠實現不同廠商的自動化設備及其元器件之間的數據交換，是目前得到廣泛應用的現場總線之一。根據其應用的范圍，Profibus主要有三種模塊組成:Profibus-FMS、Profibus-PA 和 Profibus-DP。Profibus-DP是專門為自動化控制系統和設備分散的I/O之間進行通訊而設計的，具有高速傳輸、運行可靠和價格低廉等特點，應用最為廣泛[5]。

MPI是西門子公司的PLC、HMI和編程器的通信端口使用的通信協議，允許主/主通信和主/從通信，而USS是用于西門子PLC與其變頻器通信的主從結構協議，能夠實時監控傳動系統。

3.2 主站S7-300 PLC與從站之間的通訊

主站S7-300 PLC與從站PLC只要通訊接口間的連線正確，站點網絡地址參數設置無誤，就能進行正常的通訊，而與變頻器通訊除了這些之外，變頻器自身還要設置多個參數。這些參數的優化設置是充分發揮該變頻器功能以及它與網絡正常通訊的保證，應針對系統對控制對象的運行要求和網絡通訊規范進行設定。

3.3 S7-200 PLC與變頻器之間的通訊

網絡中S7-200 PLC與MICROMASTER VECTOR變頻器通訊采用的是USS協議，該協議是一種基于串行總線進行數據通訊的協議，是Profibus的一個子集?；谠搮f議通訊，MICROMASTER VECTOR變頻器可以直接與S7-200 PLC的RS485接口相連，無須加裝通訊板，但是如果要使該變頻器連入到Profibus-DP網絡中去，則需要一塊CB15通訊板。

S7-200 PLC要與MICROMASTER VECTOR變頻器通訊，該變頻器自身也需要內部參數的設置。在S7-200 PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN32的工具包里有專為USS協議通信而設計的預配置子程序和中斷程序，這些程序在STEP7-Micro/WIN32指令樹的庫文件夾中作為指令出現。使用這些指令可控制變頻器和讀/寫變頻器的參數，能夠更方便地與變頻器通訊。

3.4 組態軟件WinCC與主站之間的通訊

組態軟件WinCC能夠很方便地生成人機界面，實現與S7-300 PLC之間的通訊。我們打開WinCC建立新WinCC項目，在變量管理模塊中添加名稱為SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驅動程序，然后在其中的MPI項下建立PLC連接并設置MPI地址等參數，MPI地址必須與PLC中設置相同，接著在組態完成的S7-300 PLC下設置標簽，每個標簽有標簽名、數據類型和地址3個設置項。

WinCC與S7-300 PLC之間需要通信的數據一一定義標簽后打開WinCC的圖形編輯器，利用基本元件或圖形庫中的對象(也可以導入外部圖形)制作控制網絡畫面，并將變量標簽與相應的對象連接，即畫面中的對象與現場設備連接，如此就實現了WinCC與S7-300 PLC之間的數據通訊并可以在上位機屏幕上控制、監視現場設備了。

在控制界面中，上位機可以控制網絡中電機的起停和正反轉，還可以設定轉速。當外部手動控制電機時，開關按鈕的起停狀態和電機轉速也能在控制畫面中顯示出來，實現控制和監視雙重功能。

4 實驗項目設計

在PLC自動化通信網絡實驗教學系統中有許多設備，學生可以通過不同通信協議將其連起來，實現網絡通信。其設計目的是為了完善PLC教學的實踐體系，在實踐中提高學生動手能力和綜合應用PLC知識的能力。他們可以在此系統上能夠完成以下實驗。

1)總線網絡組態實驗

該實驗主要是針對學生學習應用MPI、Profibus-DP的組網技術而設計。通過STEP7軟件來實現網絡系統的硬件組態，掌握網絡主/從站間的組網技術。學生可以據此組成需要的網絡并設置相應參數。網絡組態畫面示如圖2。

圖2 網絡組態畫面

2)網絡通訊實驗

學生通過該實驗能夠掌握計算機與PLC，PLC與PLC，PLC與變頻器等不同設備間基于不同通信協議(MPI、Profibus-DP、USS等)的數據傳輸與控制。學生可以設置相應參數完成不同設備間的通信。

3)組態軟件應用實驗

學生通過該實驗，能夠熟悉WinCC組態軟件開發環境，掌握組態軟件中提供的各種動畫形式及使用方式，掌握組態軟件中變量等數據的使用。在此基礎上，利用系統設備可以基于不同的應用背景來設計監控界面。其中可設計的監控界面如圖3所示，能夠實時顯示網絡中的設備狀態。

圖3 監控畫面

4)設備擴展實驗

本實驗系統具有良好的擴展性，可以連接更多不同的設備加入網絡。學生可以通過該實驗掌握不同設備的擴展方法和應用方法，比如觸摸屏、智能電磁閥、過程控制設備等。

5 結語

PLC自動化通信網絡是“PLC技術及應用”課程的重要內容，具有廣泛的實際應用。本文設計了PLC自動化通信網絡的實驗教學系統，介紹了系統的結構、硬件組態和網絡通信，并擬定了系統所能開設的實驗。該系統所開展實驗能夠真實再現實際應用，學生掌握后在工作中可以直接采用。

[1]劉衛華，毛玉星，劉翔宇.基于單片機與PLC聯合控制實驗平臺的設計[J].南京:電氣電子教學學報，2011，33(3):79-80，83.

[2]王惠莉.基于MCGS的PLC實驗教學系統的構建[J].南京:電氣電子教學學報，2010，32(S):144-146.

[3]匡宇國.MCGS組態軟件技術在PLC教學中的交互應用研究[J].哈爾濱:教育探索，2007，(12):136-137.

[4]廖常初.PLC編程及應用[M].北京:機械工業出版社，2014.

[5]沈慶.PROFIBUS-DP現場總線在帶鋼連軋生產線應用[J].馬鞍山:冶金動力，2011，(3)，79-82.