開放式PLC數(shù)據(jù)采集控制器設計與研究

李躍武，袁 敏，朱海林

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術和計算機技術的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各種工業(yè)領域中應用的十分廣泛，對于各種制造型企業(yè)，數(shù)據(jù)采集無疑是企業(yè)管理系統(tǒng)正常運作的一個關鍵。工業(yè)控制趨于網(wǎng)絡化控制，現(xiàn)場總線技術使得各設備間的數(shù)據(jù)通信更加方便，網(wǎng)絡化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術得到廣泛應用。在工業(yè)控制中，PLC、DCS、智能儀表等設備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場總線與上位機通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機顯示并處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)。隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，在確定性、速度和優(yōu)先法則方面有了很大提高，能夠勝任數(shù)據(jù)采集和控制對實時性、可靠性、抗干擾性的嚴格要求。以太網(wǎng)已被證明是未來數(shù)據(jù)采集和控制網(wǎng)絡的最佳解決方案。

開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)交換機與多個S7-1200 PLC相連，通過Prodave以S7協(xié)議為基礎以及Modbus/TCP協(xié)議接收S7-1200采集的數(shù)據(jù)，可選擇這兩種通信方法與S7-1200建立通信。支持PLC通信方式、連接數(shù)量、IP地址、插槽號、機架號、讀寫操作、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)塊號、起始域、數(shù)據(jù)長度的設定。提供數(shù)據(jù)庫對采集數(shù)據(jù)匯總管理。與其他客戶端相連時，可以作為服務器將采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)直接發(fā)送至其他客戶端。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括用戶層、服務器層和現(xiàn)場層。如圖1所示：

圖1 開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

用戶層實現(xiàn)了用戶通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，或者通過以太網(wǎng)TCP服務直接調(diào)用采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；服務器層是開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，完成了數(shù)據(jù)從現(xiàn)場層的采集、數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能；現(xiàn)場層包括西門子S7-1200PLC等設備，用于采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)交換機與若干S7-1200互聯(lián)實現(xiàn)通信，通過多線程接收S7-1200發(fā)送的數(shù)據(jù)。

開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點如表1所示：

表1 開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點

PC安裝Window XP操作系統(tǒng)，通過Delphi軟件編程實現(xiàn)與現(xiàn)場設備的通信。系統(tǒng)主要通過兩種方法實現(xiàn)與現(xiàn)場設備的通信，分別為Prodave以太網(wǎng)通信和Modbus/TCP通信，這兩種方法可以根據(jù)實際需求供用戶選擇。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務器，支持數(shù)據(jù)的管理和遠程Internet監(jiān)控。

2 系統(tǒng)Delphi軟件設計

開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以PC為硬件平臺，在Windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境下利用Delphi7通過軟件方法編程實現(xiàn)PC與S7-1200的通信。主要介紹了Delphi7利用西門子Prodave實現(xiàn)PC與S7-1200的以太網(wǎng)通信；利用Modbus/TCP協(xié)議實現(xiàn)了PC與S7-1200的以太網(wǎng)通信。從而實現(xiàn)了一種開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.1 Prodave通信

在工業(yè)生產(chǎn)制造過程中，由于PC應用程序的功能越來越強大，對于MPI、PPI等非公開協(xié)議無法在應用程序中編程通信，所以西門子公司提供了Prodave軟件包，用于建立PLC于PC之間的數(shù)據(jù)連接[1]。西門子公司提供的Prodave軟件包主要應用于S7-300系列PLC，應用于S7-1200時需要作相應的變通。Prodave軟件包提供了動態(tài)鏈接庫（DLL）可以在Delphi壞境下調(diào)用。Delphi調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方式有靜態(tài)調(diào)用和動態(tài)調(diào)用兩種，調(diào)用Prodave軟件包中的函數(shù)使用靜態(tài)調(diào)用的方式。使用靜態(tài)調(diào)用時需要先將DLL代碼載入到內(nèi)存中，即需要事先申明，例如申明LoadConnection_ex6函數(shù)的方式如下：

以Prodave以太網(wǎng)通信實現(xiàn)PC與S7-1200的通信。通過以太網(wǎng)連接PC與S7-1200，設置PC-PG接口，選擇TCP/IP(Auto)，訪問點選擇“S7ONLINE（STEP7）”。

通過SIMATIC TIA PORTALV11軟件在S7-1200的DB塊中寫入數(shù)據(jù)，再通過Delphi編程調(diào)用Prodave函數(shù)，讀取DB塊中的內(nèi)容，以驗證方法的可行性。

Delphi調(diào)用Prodave函數(shù)前需要將Prodave.pas文件復制到工程目錄下，同時在單元文件*.pas文件interface部分中uses字段申明Prodave，以確定本單元要使用Prodave.pas。

在Delphi7環(huán)境下建立一個TThread類線程TFieldReadThread，用于實現(xiàn)PLC的讀操作。

在連接成功后，通過Delphi7提供的ListView控件顯示連接號，連接方式，PLC地址，機架號，插槽號以及MLFB信息?，F(xiàn)場共有20臺S7-1200，IP地址分別為192.168.0.10，192.168.0.11，……192.168.0.29。PC的IP地址與PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)，為192.168.0.5，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可自由添加PLC的IP地址，并自由選擇連接方式，插槽號以及機架號，與若干臺PLC相連，系統(tǒng)已連接了9臺PLC，如圖2所示：

圖2 PC與S7-1200建立Prodave以太網(wǎng)通信

開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對PLC的數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)起始域、長度以及數(shù)據(jù)類型設定，并進行讀或?qū)懙牟僮?。通過Prodave以太網(wǎng)通信方式選擇10臺S7-1200與PC實現(xiàn)通信，并采用多線程方法讀取各個S7-1200中的數(shù)據(jù)，圖3中所示當前顯示讀取的是PLC5，IP地址為192.168.0.14的S7-1200中DB2起始域為0數(shù)據(jù)長度為50字節(jié)的數(shù)據(jù)，通過切換選項卡，可查看任意PLC的數(shù)據(jù)，如圖3所示：

圖3 PC與S7-1200的Prodave以太網(wǎng)通信

2.2 Modbus/Tcp通信

2.2.1 Modbus/TCP協(xié)議簡介[2,3,4]

Modbus通訊服務提供了客戶機/服務器在以太網(wǎng)上的TCP/IP網(wǎng)絡連接的設備之間的通信。可用于實時信息交互，為PC機和設備之間提供聯(lián)機服務。Modbus/TCP協(xié)議在應用層采用Modbus消息定義，在傳輸層和網(wǎng)絡層采用TCP/IP，用于以太網(wǎng)通訊。

一般的Modbus協(xié)議定義了一個獨立于底層通信層的簡單的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit）。Modbus協(xié)議的映射在特定的總線或網(wǎng)絡可以在應用數(shù)據(jù)單元ADU(Application Data Unit)介紹一些額外的字段，其幀格式如圖3所示。當Modbus協(xié)議封裝在TCP/IP網(wǎng)絡上時其幀格式如圖4所示：

圖4 一般Modbus協(xié)議格式

Modbus協(xié)議常用的功能碼有01(讀線圈狀態(tài))、02(讀離散輸入量)、03(讀保持寄存器)、04(讀輸入寄存器)、05(寫單線圈)、06(寫單保持寄存器)、15(寫多線圈)、16(寫多保持寄存器)等。

Modbus應用協(xié)議頭（Modbus Application Protocol Header），分4個域，共7個字節(jié)，分別為事物標志、協(xié)議標志、長度、單元標志。所有的Modbus/TCPADU通過TCP上注冊的502端口上發(fā)送。

2.2.2 Modbus/TCP通信的實現(xiàn)

在Delphi 7編程環(huán)境下，在PC機建立Modbus客戶端，以西門子公司的S7-1200 PLC作為服務器，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)Modbus/TCP通信。S7-1200 PLC的IP地址為192.168.0.1，通過以太網(wǎng)將PC機和S7-1200連接起來，并設置本地連接TCP/IP協(xié)議屬性，使用IP地址192.168.0.5，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，這樣PC機和S7-1200就構(gòu)成了客戶端/服務器模式。

通過SIMATIC TIA PORTAL V11軟件對S7-1200編寫Modbus/TCP服務器程序，對DB2數(shù)據(jù)塊寫入數(shù)據(jù)，在PC機上，使用Delphi 7編寫Modbus/TCP客戶端程序。通過Delphi 7提供的VCL組件IdTCPClient來創(chuàng)建TCP服務，在IdTCPClient控件的對象監(jiān)視器中設置其Port屬性為502。Modbus/TCP協(xié)議讀寫保持寄存器程序流程圖，如圖5所示：

下面給出Modbus協(xié)議請求協(xié)議數(shù)據(jù)單元主要代碼：

通過以太網(wǎng)實現(xiàn)PC機與S7-1200的通信后，對S7-1200持寄存器進行讀取和寫入操作，如圖6所示：

圖6 Modbus/TCP通訊流程圖

通過Modbus/TCP協(xié)議對PLC8，IP地址為192.168.0.17進行采集，圖中顯示為Modbus/TCP協(xié)議報文。

2.3 數(shù)據(jù)匯總

對現(xiàn)場設備所采集的數(shù)據(jù)的記錄管理很重要，PC內(nèi)安裝MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，用于記錄管理PC接收到的數(shù)據(jù)。MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是開源、小型、關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，支持SQL，應用廣泛。

2.3.1 建立數(shù)據(jù)庫

通過MySQL Command Line Client客戶端軟件使用SQL語句建立數(shù)據(jù)庫db_sjhz，用于存儲開放式數(shù)據(jù)采集控制器所采集的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫db_sjhz內(nèi)建立兩個表tab_mbtcp和tab_prodave，分別用來記錄和管理Modbus/TCP通信的數(shù)據(jù)和Prodave通信的數(shù)據(jù)。主要語句如下：

2.3.2 實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理

通過Microsoft OLE DB Provider for ODBC Drivers實現(xiàn)delphi7與MySQL數(shù)據(jù)庫db_sjhz的連接。連接結(jié)構(gòu)，如圖7所示：

圖7 PC與S7-1200的Modbus/TCP通信

Delphi 7通過ADOConnection實現(xiàn)與MySQL的連接，如圖8所示：

圖8 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)據(jù)控制組件DBGrid中，如圖9所示：

圖9 通信數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫表中

DBGrid所顯示數(shù)據(jù)為Prodave通信采集數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^切換選項卡，選擇Prodave或Modbus/TCP數(shù)據(jù)的匯總，分別將兩者通信方式所采集的數(shù)據(jù)錄入表tab_prodave和tab_mbtcp中。

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)送

PC采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)可以通過兩種方式發(fā)送，一是通過數(shù)據(jù)庫發(fā)送，由客戶端調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)；二是建立TCP服務器，通過以太網(wǎng)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至其他客戶端。

如10圖所示：

圖10 數(shù)據(jù)發(fā)送

TCP服務器啟動服務后，IP地址為192.168.0.3的TCP客戶端與服務器建立連接，發(fā)送請求數(shù)據(jù)，服務器做出響應信息發(fā)送至客戶端，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 結(jié)論

以PC為硬件，在Windows XP環(huán)境下通過Delphi7編程實現(xiàn)Prodave和Modbus/TCP通信，實現(xiàn)了開放式數(shù)據(jù)采集控制器。實驗結(jié)果說明這種方法通信效果穩(wěn)定良好，可以依據(jù)不同的工作情況選擇Prodave和Modbus/TCP兩種通信方式中的一種，或者兩種通信方式同時運行，對數(shù)據(jù)的監(jiān)控更加實時可靠。通過數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的高效管理。以MySQL數(shù)據(jù)庫或者TCP服務器的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至其他客戶端的方式，使得采集控制更加靈活便利。另外通過Prodave也可以實現(xiàn)與西門子S7-300，S7-200等PLC實現(xiàn)通信。

[1]SIEMENS.PRODAVE MPI/IE V6.0[G]Manual,2005,5

[2]Modbus Messaging Implementation Guide v1.[OL]http:www.modbus.org.2002,5

[3]MODBUS Application Protocol Specification[J]V1.1b,Modbus-IDA,2006,10

[4]OPEN MODBUS/TCP SPECIFICATION[M]Release 1.0,1999

[5]MySQL 5.5 Reference[G]Manual，2013