基于西門子S7—400PLC的通訊控制系統開發

蔡哲

摘要：西門子S7-400是目前應用很廣的可編程邏輯控制器（PLC），通訊系統在很多重要的工業裝備中都起著非常重要的作用，而相應的控制方法則對通訊系統起到了重要的支撐作用，首先對PLC和相關聯的通信系統進行了分析，隨后，通過硬件、軟件和網絡搭建三個方面對S7-400PLC在通訊系統中的開發研究進行了分析，分析研究結果為進一步通訊控制搭建提供了一定思路。

關鍵詞：西門子S7-400；通訊系統；PLC

1 PLC及通訊系統設計要點

PLC（可編程邏輯控制器）的工作原理和計算機的工作原理基本相同，都是通過對用戶程序的執行來完成各種任務，從時間的角度來說，PLC執行的任務是串行的，即在同一時間內只能執行同一個程序，程序的發生也主要分成輸入、執行和輸出三個階段，由于硬件可靠性和軟件設計的方便性，PLC在眾多控制系統中都得到了廣泛的應用。

從設計角度來說，PLC的系統設計流程主要分為以下幾步：

1、分析被控對象的需求：要了解被控對象的設備、生產線和過程，要了解控制的基本方式、保護和連鎖等，對相對復雜的控制，學做到分開分析。

2、確定輸入和輸出設備：對于很多大型設備或者控制終端來說，輸入和輸出的點很多，類型也不近相同，所以需要實現確定被控對象的功能要求，常用的模擬量輸入設備包括溫度傳感器、壓力傳感器，模擬量輸出設備例如比例閥，以及眾多的數字量輸入輸出設備例如：按鈕和相應的開關燈，液壓閥等。

3、選擇合適的PLC類型：不同的PLC類型會在性能和功能上存在一定的差異，因此需要根據控制終端來進行確定使用的PLC類型。例如在控制精度高的領域就應選擇S7-400系列PLC系統，該系統掃描周期短，系統響應時間也會縮短。

4、分配輸入和輸出點：根據輸入輸出點來制定分配表，畫出相應的接線端子圖，并且根據程序要求來進行配電板、配線箱、控制柜、操作臺的設計和相應的施工。

5、設計應用系統程序：根據終端的要求和流程對程序進行編輯，程序設計也是系統平臺搭建的過程中最為核心的一步。

6、將程序植入到PLC之中：植入到PLC的程序可行性需要通過調試來完成，軟件的疏漏也需要進行檢測。

7、系統聯調并編寫技術文件：在系統和設計終端完成的時候，進行最后的調試和使用。

通信系統的概念比較廣泛，可以說，任何系統性的設備和項目都應該配備完整高效的通訊系統，這樣可以進一步加強系統內部的工作效率，加強和外部的信息交流，本文所討論的主要是自動化設備在PLC控制下的通訊系統，從技術角度來說，這類通訊系統的難點主要在于硬件設計、軟件設計、通訊協議的搭建等內容。

2 具體開發方案

首先從硬件角度對控制系統的應用進行設計分析，對于自動化設備來說，很多部件都會受到控制系統的調配從而進行使用，其中，應用最多的便是電機，在一個空間率很高的設備之中，電機之間的距離也不是十分明顯。這時候，可以利用PLC作為下位機來實現對整個系統的控制，PLC和變頻調速器可以構成多分支的通訊控制網絡。利用通信技術，由計算機最終控制PLC，PLC直接控制變頻器來完成電機調速，方法便是將通訊模塊繼承在變頻器中或者利用通訊模塊的存在與PLC進行充分的連接，通過通訊接口控制變頻器來帶動電機的工作和調速。采用西門子S7-400PLC可以讓這樣的控制過程高效簡潔。計算機的通訊接口串口RS232可以和S7-400PLC的通信擴展板通過變換接口來進行連接。如圖1所示，為S7-400PLC的控制硬件系統搭建，變頻器的連接單元需要滿足通信規范，PLC的數字顯示器則需要顯示控制數據，通訊系統的各類數據也需要得到一個連續的計算和比較。

圖2 控制硬件搭建

上述的硬件連接可以構成整個控制系統，這樣的連接可以實現計算機對PLC遠距離的調試和控制、PLC的離線編程，以及PLC對變頻器的遠距離監控等操作，使得通訊系統的控制更加靈活。

軟件方面，S7-400的編程語言非常豐富，在標準的STEP7軟件包中就配備梯形圖語言、語句表和功能塊圖，數據類型也包括基本數據類型、符合數據類型和參數類型。為了在通訊系統中進行方便的搭建和使用，采用Windows操作系統配合PLC軟件包相對來說比較實用。在整個軟件設計的過程中，需要嚴格按照通訊工作的具體流程來完成。

3 PLC網絡控制

在工業控制系統中總線技術已經成為PLC與控制設備通訊的主流技術，在過去10年PROFIBUS總線大量應用于現場，而在未來新一代總線標準PROFINET 的應用也在逐漸增加，將現有profibus總線升級為PROFINET，通過代理（Proxy）模塊兼容profibus，實現一種類型的網線貫通全廠也逐漸成為一種趨勢。

PROFINET相對于PROFIBUS主要有以下優點：

1.網絡拓撲更加靈活，支持樹形，環形，星型，wlan網絡。

2.通訊延時更低，達到100MS-1MS。PROFINET不光支持TCP/IP通訊，為了更好的適用于運動控制（對延時最敏感的一種控制類型），應用PROFINET還可以選擇實時（RT）通訊模式，同步實時（IRT）通訊模式。

對于基于TCP/IP的工業以太網技術來說，使用標準通信棧來處理過程數據包，需要很可觀的時間，因此，PROFINET提供了一個優化的、基于以太網第二層（Layer 2）的實時通訊通道，通過該實時通道，極大地減少了數據在通訊棧中的處理時間，因此，PROFINET獲得了等同、甚至超過傳統現場總線系統的實時性能。

在現場級通訊中，對通訊實時性要求最高的是運動控制（Motion Control），PROFINET的同步實時（Isochronous Real-Time， IRT）技術可以滿足運動控制的高速通訊需求，在100個節點下，其響應時間要小于1ms，抖動誤差要小于1μs，以此來保證及時的、確定的響應、，這些是PROFIBUS總線達不到的。

總結

未來的工業裝備自動化程度會越來越高，對相應的通訊系統以及控制系統的要求也會越來越高，S7-400PLC可以很好的支撐這一技術變化，能夠更多的應用到通訊系統的控制流程之中。

參考文獻

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