PLC單主站通信網絡系統組建與應用研究

周楊芳，高海濤

(上饒職業技術學院，江西 上饒 334109)

1 設計需求

現代工業控制現場對PLC數據的網絡化通信要求越來越高。傳統模式下，采用“計算機-PLC”通信的方式能夠解決小型PLC工業控制系統的數據通信問題，但難以解決多臺PLC級聯形成的大中型工業控制網絡數據有效的通信問題。盡管有部分學者提出采用“上位機—計算機—PLC”網絡架構的形式可解決上述問題，但引入上位機后的網絡系統成本較高，且結構比較復雜，組建難度大幅度提升，不適用于中小型工控企業及網絡通信系統。基于此，本文基于單主站通信技術，并引入“計算機+主站PLC+從站PLC”網絡架構模式，組建一種結構簡單、程序簡約、成本適中、通信功能良好，能夠適用于中小型工控系統多臺PLC數據通信的網絡系統。

2 技術基礎及通信要求

2.1 技術基礎

PLC單主站網絡系統的組建需要采用PLC“主-從站”構建技術及網絡讀/寫指令技術。①PLC“主-從站”構建技術。在采用PPI通信協議的基礎上，S7-200型PLC被允許設置為“主-從站”工作模式，并用特殊功能寄存器SMB30指定其主、從站的網絡通信屬性，例如設置SMB30=00 000 010，即可將PLC設置為主站工作模式，從站PLC不需要進行初始化。②網絡讀/寫指令技術。該指令包含NETW(網絡讀)和NETW(網絡寫)2個子指令，當“主-從站”組建成功后，應用該指令能夠從遠程計算機總站最多讀(寫)16字節的數據信息，并同時最多激活8條網絡指令，從而解決“計算機+主站PLC+從站PLC”之間的網絡數據通信問題。

2.2 通信要求

模擬工業控制現場PLC網絡通信需求，創設真實化的控制場景：由1臺計算機(安裝了STEP7編程軟件，定義為總站1號機)、1臺西門子S7-200型PLC(CPU226型，定義為主站2號機)和1臺西門子S7-200型PLC(CPU224型，定義為從站3號機)構成通信網絡體系。其中，CPU226型PLC與計算機之間通過PPI線纜和RS485線纜構成“總-主”通信網絡，CPU224型PLC與CPU226型PLC之間通過RS485線纜構成“主-從”通信網絡。網絡通信的實現要求為：通過編譯程序和硬件通信系統搭建調試，用2號機的I0.0-I0.7端口控制3號機的Q0.0-Q0.7端口，并用3號機的I0.0-I0.7端口控制2號機的Q0.0-Q0.7端口，實現在計算機編程控制場景下，2號機和3號機之間網絡數據的單主站通信控制。

3 系統硬件組建

模擬工業控制現場組建的PLC單主站通信網絡系統硬件部分由計算機(1臺)、西門子S7-200型PLC(2臺，分別為CPU226型和CPU224型)構成，外加RS485通信線纜、PPI通信線纜、DC24V電源等器件。具體的系統硬件組建方法如下。

1)組建通信網絡。找到計算機和PLC上的RS485通信接口，用網絡連接器將2臺S7-200型PLC和計算機聯通起來，組成一個基于PPI協議的單主站通信網絡。

2)連接通信線纜。用雙絞線、PPI通信線纜分別將連接器的2個A端子連接起來，并將連接器的另外2個B端子連接起來，構成通信網絡數據傳輸系統。

3)設置通信地址。當通信系統連接完成后，在STEP7編程軟件中，設置好主站PLC和從站PLC的通信地址，并下載到PLC的CPU模塊中，將PLC的工作模式開關設置在“RUN”狀態，以便于網絡通信程序的識別和下載。

4 系統軟件設計

4.1 網絡通信地址劃分

主站PLC是本系統中用于連接計算機和從站PLC，傳遞網絡通信數據的“橋梁”，需要對主站PLC劃分具體的網絡通信地址。在具體的通信作業中，從站PLC需要接收主站PLC傳輸來的指令和數據，并反饋相應的操作，不需要額外設計通信程序。具體的主站PLC網絡通信地址劃分如表1所示。

4.2 主站通信程序編譯

主站通信程序如圖1所示。

表1 主站PLC網絡通信地址的定義與劃分

圖1 主站通信程序

系統主站PLC的通信程序如圖2所示，用于實現主站和從站PLC之間網絡系統的數據通信作業，具體包含3個程序網絡。

1)初始化設置程序。使用SM0.1指令，當系統上電后將數值2傳送給SMB30，以調用出PPI主站工作模式，同時清空數據接收緩沖區和發送緩沖區中的內容，實現初始化。

2)網絡讀數據判斷程序。V100.7常開觸點用于激活網絡讀數據判斷，當網絡讀數據操作完成時，V100.7=1，同時VB107地址中的數據傳送給本機的QB0。通過該網絡程序，實現將從站PLC中的數據讀取到主站PLC。

3)數據傳輸程序。調用NETR和NETW指令完成主站PLC和從站PLC之間的數據讀寫作業，以主從站之間的數據讀傳輸為例，傳輸程序的設計思路為：若NRTR被激活且沒有錯誤，則將遠程站數據區指針值IB0傳送至VD102，同時傳送需要讀取的數據字節數至VB106地址，之后調用NETR指令從端口0讀取從站的數據信息。

圖2 配置通信網絡讀指令

4.3 通信參數設置

進行通信參數設置是實現網絡系統正常通信的重要步驟。具體的步驟如下。

1)在STEP7軟件中單擊“工具/指令向導”命令，在彈出的對話框中選擇“配置多項網絡讀寫指令操作”，并在其左側下拉列表中選擇“NETR/NETW”選項。

2)由于系統包含主從站數據讀寫操作，因此在“您希望配置多少項網絡讀/寫操作？”選項中，選擇“2”。

3)選擇PLC網絡通信端口，自動生成子程序，配置讀寫網絡參數。以數據讀網絡參數配置為例，選擇遠程地址為“2”，從遠程PLC的VB0讀取數據，存在本地PLC的VB0處，再單擊“下一步”，保存設置。數據寫網絡參數配置以此類推。

5 系統網絡通信效果測試

本系統組建完成后，模擬工業控制現場環境，測試系統網絡通信的數據傳輸效果。測試環境為：從站向主站連續發送若干組數據，再由主站向從站連續發送若干組數據，對主從站PLC之間讀寫數據的響應時間、誤差率、傳輸準確率3項指標平均值進行監測統計。結果顯示：系統通信的響應時間、誤差率、數據傳輸準確率均非常優越，具體如表2所示。

表2 系統網絡通信效果測試統計表

6 結語

由運行測試結果可知：本系統成功地在多臺PLC之間實現了數據高效傳輸，數據傳輸的誤差率、準確率均非常優越，可用于工業控制現場級聯PLC系統之間的通信網絡組建及數據傳輸，對解決工業級PLC通信網絡大數據傳輸和控制問題具有一定的參考價值。對系統的軟件程序進行改進，可進一步實現多臺主機控制多臺從機、一臺主機控制多臺從機等通信組網的延伸，產生更為顯著的網絡通信控制效益。