基于以太網下的PLC與上位機通訊

曹銘志

（大連海事大學 信息科學技術學院，遼寧 大連 116026）

0 引言

目前，國際上影響力較大的現場總線標準比較多，難免在控制系統的集成方面造成不便，很難解決不同廠商總線產品的互可操作，以及相互集成的問題。在這種現場總線難以實現統一控制的情況下，使得以太網技術在各個過程控制領域以及工業自動化方面得到了迅速增長。國際上大部分廠商提供了其生產的PLC與以太網結合的產品，實現PLC控制器與基于TCP/IP協議的以太網的結合，旨在構筑全開放、全分散的工業控制系統，通過與以太網的結合，按照其相關協議實現與計算機間的通訊工作。

1 中國PLC技術的現狀

中國的PLC研究起步是相當晚的，但是PLC技術發展史非常迅速的。中國的電力科學院從1997年開始進行研究PLC技術，在研究的過程中主要考慮PLC技術傳輸的速率比較低，并且主要用于低壓抄表技術中。所以在1998年進行研制出樣機進行試驗，到1999年開始進行現場進行試運，并獲得產品登記許可證。從1999年5月才真正開始進行研究PLC系統的開發工作。從2000年中國從國外引進先進的芯片技術，并研制出2 Mb/s的樣機，然后通過試驗，效果比較理想[1]。從而開始大力進行研究開發PLC技術。在現在的工業控制現場，工業控制主要是作為上位機對現場進行實時的控制，并且可以完成人機操作界面、數據庫、圖形顯示以及聯網、通訊等，在工

2 以太網與PLC相結合

2.1 以太網和局域網技術

局域網由于受其分布范圍小的影響，都具有結構規整、短小靈活的特點，比較容易形成統一規則，局域網技術于是成了計算機網絡技術中最為標準化的一部分。以太網則是上世紀70年代研制的一種基于局域網技術，其主要特征是采用載波監聽多路訪問（CSMA）/沖突檢測（CD）的共享訪問方案。

SIMATIC NET工業以太網主要是用于大型的集散控制系統中，最高的通訊速率可以達到100 Mb/s，它主要是基于IEEE802.3的工業標準的總線系統，并且運用 CSMA介質進行訪問控制協議，通訊距離為1.5 km或4.5 km網絡可以連接1 000多個節點[1]，節點根據連接方式進行傳輸數據主要是以主動站進行建立連接，PC和PLC之間可以建立很多的連接，但是每一個PLC最多只能建立16個PLC—PLC連接，連接最多能夠發送240個字節，傳送的數據位I/O地址，DB數據塊以及中間寄存器，并且可以按照位、字、字節以及雙字節等進行讀寫。

2.2 以太網與PLC相結合

在自動化控制領域，可編程控制器（PLC）是一種非常重要的控制設備，具有極高的抗干擾能力，且I/O接口模塊豐富等特點。對于PLC的以太網通信，人們最常用的是PLC通過以太網與上位機相連的工作方式，完成可視化的人機操作界面、數據庫以及圖形顯示等。在這種方式下，采用國內比較廣泛使用的S7系列PLC進行現場數據的讀取，然后將數據通過自由口通訊方式傳送給上位機。S7通訊系列具有簡單、有力的通訊服務和無關網絡的用戶之間的接口，不僅可以由于以太網通訊，而且對PROFIBUS和MPI也是有很大的作用，但是需要進行安裝特殊的SIMATIC Net軟件[2]。

2.3 PLC在以太網中的通新運用組態王進行實現

在安裝有組態王的上位機與PLC之間的連接，利用以太網通信模塊可以實現通信功能，運用這種通信方式具有安裝靈活、運行速度快，控制可靠、并且可以很方便地實現擴展，在工業的制造中運用是非常廣泛的。

3 PLC在以太網中的通信

3.1 硬件構成及通信原理

在過去的項目工程開發中，PLC與上位機通常采用RS-232C或者RS-485的串行方式，近年來，隨著計算機以太網以及 USB接口的普及，西門子S7型PLC的兩個RS-485的通訊口也逐漸通過USB轉換器實現 RS485串行口的協議轉換。但是由于USB本身存在的不穩定、抗干擾能力弱的特點決定了它的使用局限性，無法滿足復雜的工控現場環境。并且還以傳統的鏈接電纜模式為基礎，即采用專門的西門子PC/PPI編程電纜負責上下位機RS-485和RS-232的轉換，且這種傳統的模式具有極強的隔離抗干擾能力。

3.2 基于PLC的以太網結構

CP連接組態主要是運用step7軟件或step7軟件中用于工業以太網的NCMS7軟件對CP進行網絡組態。CP通訊處理器可以進行連接PC，上位機PC上一般安裝支持TCP/ IP 協議的網卡為CP1613，并且選用用SI MAT IC WinCC作為人機界面。在PC 機中進行設置網卡CP1613的IP地址以及子網掩碼。一般IP地址的子網網段的地址默認為址192.168. 0, 子網掩碼默認為255.255.255.0。在人機界面的SI MAT IC WinCC 中選擇的通信單元為TCP/IP[3]。并且通過對遠程的PLC側的CPU的以太網通訊處理器進行初始化，在界面中設置CP443- 1 的IP 地址，然后通過CPU的MPI 的接口，把IP 地址進行下載到中央處理器中。

利用以太網的通訊模塊可以實現網絡通訊，主要是以太網通訊模塊CF243-1通過工業以太網實現與上位機之間的通訊，PPLC可以作為一個節點的形式與局域網進行連接，然后利用以太網的通訊模塊可以方便的實現PLC與上位機之間的通訊以及PLC與組態軟件之間的通訊功能，CP243—1以太網模塊是用于將S7-200系統連接到工業以太網的通訊處理器，并且可以方便的實現PLC與上位機進行數據傳輸、信息處理、實現監控等一些強大的功能。

1）運用以太網模塊可以方便的實現PLC與PC機之間的通信，以太網模塊的3種數據通訊方式主要由請求方式、握手方式以及其他節點的請求直接進行讀寫的方式這3種方式，在這幾種方式中，PLC主要為服務器，不用進行通訊編程，請求命令主要是由上位機向PLC發送通信即可[4]。其中的命令幀與響應幀的格式如圖1所示。

圖1 讀取命令幀和相應命令幀格式

2）PLC通信程序的設計的步驟一般是：①先進行設置IP地址和TCP/IP的參數，運用DMOV指令把PLC站點的IP地址移動到寄存器中，然后運用DTO指令把D0中的內容移到以太網模塊001F中，最后進行設置TCP/IP協議的參數，如進行奇偶校驗、數據傳輸等，然后發出初始化請求；②采用TCP/IP協議設置信道使其模式處于完全被動的通信模式下，然后進行設置通信端口，設置完之后發出數據信號指令，打開請求指令；③在打開數據信道出錯時，先關閉數據信道，在請求指令中，設置連續時間，然后設置客戶關閉連接時的關閉通道[5]。

3）PLC與上位機的通訊編程也可以運用s7—300／400PLC，其中資源主要由輸入輸出點、內部輔助點、時間繼電器、數據塊DB以及計數器、外設輸入輸出等，如果要進行讀寫這些資源必須使PLC和Pc機的連接建立起來進行讀寫。

4 PLC通訊技術的具體事例應用

基于以太網下的PLC不僅可以實現與上位機之間的通信，而且還可以實現監控以及控制作用，比如在某個輪胎廠的自動卸胎的機械手進行研制的過程中主要采用基于以太網下的S7-200的PLC與上位機之間的串行通訊技術完成的，從而可以實現實時的監控以及遠程的監控等一些功能。其中機械手在運動的過程中，當運動到制定的位置時，使PLC得到信號，然后數據通過串行通訊的端口傳到上位機通訊技術中，上位機接受到信號之后，通過后臺的程序進行處理，從而使控制界面的狀態發生變化，使操作者能夠直觀的看到設備現在的運用狀態[6]。并且操作者也可以在上位機上對下料電機和運動電機進行直接的控制操作，從而可以實現程序的遠程控制。

5 結語

可編程邏輯控制器（PLC）主要廣泛應用工業環境的現代化數字操作的電子裝置中，PLC技術主要采用編制程序的存儲器，從而進行順序運算、定時計算以及執行邏輯運算、算術運算等等一些指令。并且PLC技術還可以通過模擬式或者數字式的輸出和輸入進行控制生產過程以及各種機械類型。

以PLC為核心的現代控制技術，通過網絡通訊、工業以太網以及數據庫等一些計算機技術在工業控制領域中的運用，從而可以實現生產過程中的遠程控制以及自動控制通訊技術[7]。基于以太網下的PLC與上位機之間的通訊技術在工業中運用，不僅可以提高生產效率，而且在工業中采用這種技術安全可靠，隨著技術的不斷發展PLC通訊技術將廣泛應用到各個領域中。

利用PLC在以太網中不僅可以實現與上位機以及其他的PLC等技術進行通信、數據交換以及實現監控和管理，并且運用組態王與 PLC進行通訊，通過CP243-1通訊模塊連入工業以太網具，有很高的可靠性、數據處理方便、結構簡單、調節靈活、運行穩定，在工業自動化中的應用價值很高，因此，基于以太網下的PLC與上位機通訊將在工業自動化控制中得到廣泛的推廣。

[1] 孫平.可編程序控制器原理及應用[M].北京：高等教育出版社,2003.

[2] 韓寶彬.PC與PLC在自由口模式下的串行通信[J].通信技術,2003(05):25-26.

[3] 劉地軍,徐利.網頁可配置的多路字符疊加系統設計[J].信息安全與通信保密,2009(07):96-98.

[4] 劉樂,王長松,王興兵.西門子S7-200 PLC與計算機自由口通信的研究[J].機械工程與自動化,2007(04):22-24.

[5] 葛春林,周杰,蔡磊.基于PLC和GSM短信技術移動通信基站監控系統[J].通信技術,2008,41(12):232-234,238.

[6] 張新軍,崔艷艷.西門子PLC與上位機自由口通訊的設計[J].重慶電子工程職業學院學報,2011(01):162-164.

[7] 陳鳳美.基于GPRS短信模塊的遠程數據控制系統[J].信息安全與通信保密,2010(10):55-56.