西門子PLC組網技術的研究

羅鴻+張煜欣+李鼎函+羅志聰

【摘 要】可編程邏輯控制器（PLC）是種專門為工業環境下應用而設計的數字運算電子系統[1]，代替繼電器控制系統。學校組建一個功能多樣，有實際的教學研究應用的網絡化實驗平臺。此實驗平臺將由控制層、現場層、管理層這三層網絡組成。在此實驗平臺上可搭建各種PLC設備之間的通信子網。本文研究PROFIBUS現場總線通信、西門子PLC的MPI通信、工業以太網通信。在相應的各個子網下還可以實現對多種被控對象的控制實驗。

【關鍵詞】PLC的組網；PROFIBUS；工業以太網；PLC的MPI通信

【Abstract】Programmable Logic Controller （PLC） is a digital computing electronics system designed specifically for industrial applications， replacing the relay control system. The school set up a diverse， practical teaching and research application of the network experimental platform. This experimental platform will be the control layer， the scene layer， the management of this three-tier network. In this experimental platform can build a variety of PLC equipment between the communication subnet. This paper studies PROFIBUS fieldbus communication， Siemens PLC MPI communication， Industrial Ethernet communication. In the corresponding sub-network can also be achieved under a variety of controlled object control experiments

【Key words】PLC networking；PROFIBUS；Industrial Ethernet；PLC MPI communication

0 前言

信息化網絡技術在飛速發展，使PLC的使用在各個領域中變得越來越常見。目前已經批量生產的窗簾裝置主要費時費力、不夠智能化和人性化。本論文主要研究PLC的組網技術，把多臺單一而孤立的設備結合成一個網絡。上位機負責整個系統監管控制，下位機負責對被控對象進行操控。改造后的實驗室成為一個貼近實際工業控制的網絡實驗平臺。

1 總體方案工作原理及設計方案

采整合現有的資源再加上新購進的設備，組建一個三層網絡的PLC網絡化控制實驗平臺，通過工業以太網、現場總線PROFIBUS、MPI等通信技術來實現各層網絡的數據交換和控制各被控對象。設計方案的制定考慮了經濟性、教學實用性、網絡多樣性，最終確定采用如下方案[2]：

（1）用1臺S7-300作為主站通過MPI通信與PLC實驗室的15臺S7-200實現通信，利用實驗室原有的1臺CPU315-2DP和15臺CPU224XP，再加上新購進的16個網絡連接器以及足夠長的通信電纜共同組建。

（2）用1臺S7-300作為主站和過程控制實驗里的2臺S7-200通過PROFIBUS現場總線技術實現通訊，利用原有的1臺CPU315-2DP和2臺CPU226，再加上新購進的2個EM277模塊、3個網絡連接器以及足夠長的通信電纜共同組建。

（3）用1臺S7-300作為主站過程控制實驗室的2臺S7-200通過以太網通信技術進行通訊。利用原有的1臺CPU315-2DP、2臺CPU226、CP343-1模塊和交換機以及足夠長的網絡線和水晶頭，再加上新購進的2個CP243-1模塊共同組建。

（4）S7-300與PC上位機也選擇以太網通信方式，利用原有的CPU315-2DP以及CP343-1和交換機。

2 MPI子網設計

MPI是多點接口的簡稱，當通信所要求的速率不高時且通信數據量較小的時候，可采用MPI這樣簡易、經濟的通信方式。可以分為全局數據通信、無組態通信、組態通信三種。無組態的MPI通信可以用在S7-200、S7-300/S7-400之間的通信，無組態通信方式中又可以分為兩種：一是雙邊通信方式、二是單邊通信方式。單邊無組態通信方式只需要在一側進行程序的編寫即可，即客戶端和服務器端的訪問模式，編寫程序的一側為客戶端，另一端為服務端，但S7-200只能作為服務器端。搭建好了MPI通信網絡后，可分別在S7-300與S7-200的編程軟件中進行硬件組態，分配MPI子網中主站和各從站的網絡地址[3]。

3 PROFIBUS-DP子網設計

PROFIBUS網絡由主站和從站構建而成，主站擁有對總線的控制權，能夠主動發送信息，而從站只能接收信號并給予回應，但是不能對總線進行控制。PROFIBUS可支持多主多從的模式，主站之間按令牌傳遞的方式來決定誰擁有總線的控制權[4]。該網絡由一個CPU315-2DP作為主站，用2個添加了EM277擴展模塊的CPU226作為從站，采用PROFIBUS-DP通信協議搭建一個小型的現場總線通信網絡[5-6]。在組建好該網絡之后，PLC-300可以接收到PLC-200從過程控制設備上采集到的水箱的液位值，以及一些在調節水箱水位過程中的整定參數。接收到的這些數據可以通過組態王制作一個過程控制的界面來進行監控。

4 工業以太網子網設計

工業以太網，簡單來說就是應用于工業的以太網，在技術上可以和商用以太網兼容，但是在材料的選用、設備的強度以及適用性方面應能滿足工業現場的要求[7]。該以太網子網以1臺S7-300作為服務端，以2臺S7-200作為客戶端。因為CPU315-2DP和CPU226都沒有以太網通信端口，所以添加了CP343-1和CP243-1模塊和一個交換機。S7-300通過CP343-1的以太網端口，經過雙絞線到交換機，再有交換機經雙絞線到CP243-1和S7-200完成以太網通信。

5 組態界面的設計

5.1 組態王軟件介紹

組態軟件是數據采集監控系統SCASA的軟件平臺工具，是工業應用軟件的一個組成部分。組態王6.55是亞控依據現在的自動化與控制技術的發展方向，專門迎合低層次的應用需求，以實現工業控制系統化、整體化而研制出來的產品[8]。

5.2 組態王的通信設置

使用以太網通信來實現組態王軟件與S7-300的連接通訊。因為S7-300本身就配備有以太網擴展模塊CP343-1和一個交換機，這樣一來，PLC-300與給種設備之間的通信都可以正常進行，不被影響。PLC-300上的串口與PLC實驗室的15臺CPU224XP實現MPI通信；而DP口則通過DP總線和過程控制實驗室的兩臺CPU226實現PROFIBUS-DP[9]通信；經過擴展的以太網口和交換機與過控實驗室的兩臺PLC-200以及組態王實現以太網通信[10]。在配置選項中新建一個模式，并選擇進入以太網通信配置，地址欄中寫入PLC-300的以太網地址，并在地址后面添加機架號和插槽號，這樣就成功建立了組態王與PLC-300的通信。

5.3 組態界面調試

在組建好網絡化實驗平臺之后，需要配合相應的組態界面，使用戶能夠更加清晰、更直觀、更便捷地整合及監控整個系統。邏輯控制的交通燈，分為南北向的紅、綠、黃和東西向的紅、綠、黃。在組態界面中，交通紅綠燈的監控界面如圖1所示。

6 結束語

本次設計，整合了原有的實驗設備再增添新購進的擴展模塊與網絡連接器共同成功組建了一個網絡多樣性、具有教學實用性、貼近實際工業實況的網絡化實驗平臺。這次搭建的通信網絡完全都是有線通信，沒有無線通信技術的存在，考慮整個系統的多樣性，將多種未包含的通信方式以及無線通信添加到這個網絡實驗平臺是系統進一步升級的方向。

【參考文獻】

[1]胡健.西門子S7-300PLC應用教程[M].機械工業出版社，2007.

[2]廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].機械工業出版社，2008.

[3]展在宏.西門子S7-300及工控組態軟件WinCC的應用[J].包鋼科技，2002，（01）：43-44+39

[4]劉棟.PROFIBUS網絡配置方案[J].廣東自動化與信息工程，2003，（04）：45-47.

[5]鄒愛平，迮振榮，晉成鳳，呂國芳.太浦閘監控系統現場總線通信網絡可靠性研究[J].電子設計工程，2010.

[6]何波麗，李勝旺.PROFIBUS-DP現場總線通信協議[J].河北工業科技，2009，（05）：349-352.

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[8]鄭雪嬌，焦鍵.基于組態王6.55的水箱水位檢測系統設計及仿真[J].山西電子技術，2015

[9]許洪華.現場總線與工業以太網技術[M].電子工業出版社，2007.

[10]劉力.組態軟件在PLC實驗系統中的應用[J].實驗室研究與探索，2014，（04）：127-129+136.

[責任編輯：朱麗娜]