（计算机系统结构专业论文）西门子plc与监控计算机通信问题的研究.pdf

摘要 可编程序逻辑控制器( p l c ) i 口- j 世于二十世纪中期，当时是应工业生产发展的 要求而产生的。现在，作为一种功能强大的通用控制设备，可编程控制器p l c 已得到日渐广泛的应用。现在在各种工业自动生产线和其他自动控制系统方面可 编程控制器都在被广泛的应用。在可编程控制器中，我们可以充分应用大规模集 成电路技术、微电子技术和通讯技术进行工程逻辑控制、过程控制、数据采集与 控制等。而p l c 与监控计算机之间的通讯一直是用户非常关心的实际问题。 由于西门子公司s 7 2 0 0 系列p l c 推出时间比它设计的监控组态软件w i n c c 要晚，因此w i n c c 中没有集成s 7 2 0 0 系列p l c 的通讯驱动程序，另外更重要 的是s 7 2 0 0 系列p l c 的通信协议也不公开。这些问题给西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的应用带来了很大的限制。为了解决这个实际工程问题，本论文详细研究了在自 由口模式下西门子s 7 2 0 0 系列p l c 如何与计算机实现通信的，重点介绍了上下 位机通信方法的设计及其具体的实现方法，还对s 7 2 0 0 系列p l c 与w i n c c 组 态软件的通信进行了研究，并通过实验对各种通信方法进行了测试，并取得了令 人比较满意的效果。 关键词：可编程控制器，自由口模式，w i n c c ，通信 a b s t ra c t p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e ra p p e a r e di nt h em i d d l eo f2 0 也c e n t u r y ，a n di ti s p r o d u c e df o rt h er e q u e s to ft h ei n d u s t r ym a n u f a c t u r e sd e v e l o p m e n ta tt h a tt i m e n o w ， a sac o m m o n u s a g ed e v i c ei ni n d u s t r yc o n t r o l ，t h ep l c i sg a i n i n gi t sm o r ea p p l i c a t i o n f i e l d sd a yb yd a y n o wi na l lk i n d so fi n d u s t r ya u t o m a t i cp r o d u c tl i n ea n do t h e r a u t o - c o n t r o ls y s t e m s ，p l ch a sg a i n e di t sm o r ea p p l i c a t i o n i np l c s ，w ec a nu s et h e l s it e c h n o l o g y ，m i c r o - e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt od ot h e e n g i n e e rl o g i c a lc o n t r o l ，p r o c e s sc o n t r o l ，d a t ac o l l e c t i o na n dc o n t r 0 1 t h ep r o b l e mo f c o m m u n i c a t i o ni st h ea c t u a lp r o b l e ma l w a y sc a r e db yt h eg u e s t s b e c a u s et h es i e m e n ss 7 - 2 0 0p l ca p p e a r e dl a t et h a nw i n c cw h i c hi sp r o v i d e d b yt h es i e m e n sc o m p a n y ，t h e r ea r en o tc o m m u n i c a t i o nd r i v e sf o rt h es 7 - 2 0 0p l ci n w i n c c ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so ft h es 7 - 2 0 0p l ci sn o tp u b l i c t h e s e p r o b l e m sc a u s es o m el i m i t st ot h eu s a g eo fs i e m e n ss 7 2 0 0p l c t or e s o l v et h e a c t u a lp r o b l e m ，t h ep a p e rp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h ec o m m u n i c a t i o no ft h es i e m e n s s 7 2 0 0p l cb e t w e e nt h ec o m p u t e ri nf r e ep o r tm o d e ，e s p e c i a l l yd e s c r i b e st h ed e s i g n a n da c h i e v e m e n to fc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s f u r t h e r m o r et h ep a p e ri n t r o d u c e st h e c o m m u n i c a t i o no fs i e m e n ss 7 2 0 0p l ca n dt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e w i n c c id o e x p e r i m e n t st ot e s tt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d s ，a n dt h er e s u l t si sq u i t en i c e k e yw o r d s - 一p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ，f r e ep o r tm o d e ，w i n c c ， c o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字晦明年加嘶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：7 柙年乙月e 1 签字日期：门年 | l 月2 一目 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百了匕 可编程序逻辑控制器( p l c ) 问世于二十世纪中期，当时是应工业生产发展 的要求而产生的，最初的目的仅仅是为了取代继电器和机电式步进器。然而随着 时间的推移和技术的发展，p l c 的功能逐渐完善，应用面日益扩大，在工业生产 和生活中获得了非常广泛的应用。p l c 的产量和销售额不断增加。在国内，近些 年p l c 的应用面也越来越广泛。 在实际生产中，它不仅可以取代以传统的继电器和以控制盘为主的顺序控制 器，而且在各种工业自动生产线和其他自动控制系统方面也获得日渐广泛的应 用。例如在农业生产中，p l c 被用于控制珍稀作物生长的温度和湿度等外部因素。 可编程控制器( p l c ) 是工业自动化的主导产品，它已经成为现代工业控制的三 大支柱之一( 机器人、p l c 和c a d c a m ) ，其可靠性高以及使用方便已广为工程 技术人员所熟知。经过这么多年的发展，可编程控制器已经成为最重要、最可靠、 应用场合最广泛的工业控制微型计算机。可编程控制器充分应用大规模集成电路 技术、微电子技术和通讯技术进行工程逻辑控制、过程控制、数据采集与控制、 图形工作站等综合控制系统。而p l c 通讯一直是用户非常关心的实际问题。本文 以西门子公司生产的s 7 2 0 0 型p l c 为基础，对可编程控制器和计算机通信时的一 些问题进行了研究和讨论。 1 2 可编程控制器简介 在自动化控制领域，可编程控制器( p l c ) 是一种重要的控制设备。目前，世 界上有二百多厂家生产了三百多品种p l c 产品，应用在汽车、粮食加工、化学 制药、金属矿山、纸浆造纸等行业。 一、p l c 的发展历程和定义七】 在工业生产过程中，存在着大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺 序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制及大量离散量的数据采集。传 统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1 9 6 8 年美国通用汽车公 司提出了取代继电气控制装置的要求。第二年，美国数字公司研制出了基于集成 电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化手段应用于电气控制，这就是第一 第一章绪论 代可编程序控制器，称p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p c ) 。个人计算机发展起来后， 为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) 。现在，仍常常将p l c 简称p c 。 p l c 的定义有许多种。国际电工委员会( i e c ) 对p l c 的定义t 3 】是：可编程控制 器是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计的。它采用 可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出，控制各种类型的机 械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制系统形 成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 上世纪8 0 年代至9 0 年代中期是p l c 发展最快的一段时期，年增长率一直保 持为3 0 - - , 4 0 。在这时期，p l c 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能 力和网络能力方面都得到了大幅度的提高。p l c 逐渐进入过程控制领域，在某些 应用上已经取代了在过程控制领域处于统治地位的d c s 系统。 p l c 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强以及编 程简单等优点。p l c 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可以预见的 将来是无法取代的。 二、p l c 的结构刚 从结构上分，p l c 分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包括c p u 板、i o 板、显示面板、内存块、电源等，这些部件组合成一个不可拆卸的整体。 模块式p l c 包括c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可 以按照一定规则进行组合配置。 三、p l cc p u 的构成【妯j c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用。每套p l c 至少有一个c p u ，它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输 入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。同时，它还可以诊断电源和 p l c 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等等。进入运行状态后，从用 户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信 号，去指挥有关的控制电路。 c p u 主要由运算器、控制器、寄存器以及实现它们之间联系的数据、控制及 状态总线构成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。寄存器主要用 于存储程序及数据，是p l c 不可缺少的组成单元。控制器控制c p u 工作，由它读 取指令、解释指令及执行指令，但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数 字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果， 它也是在控制器指挥下工作。 c p u 速度和内存容量是p l c 的重要参数，它们决定着p l c 的工作速度，i o 数 2 第一章绪论 量及软件容量等，因此它限制控制规模。 四、i o 模块 p l c 与电气回路的接口，是通过输入输出部分( u o ) 完成的。i o 模块集成了 p l c 的i o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 输入模块将电信号变换成数字信号进入p l c 系统，输出模块相反。i o 分为开关 量输入( d i ) ，开关量输出( d o ) ，模拟量输入( a i ) ，模拟量输出( a o ) 等模块。 开关量是指只有开和关( 1 和0 ) 两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。 常用的i o 分类如下：开关量：按电压水平分，有2 2 0 v a c 、1 1 0 v a c 、2 4 v d c ，按隔 离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型、电 压型等：按精度分有1 2 b i t ，1 4 b it ，1 6 b i t 等。 除了上述通用i o 外，还有特殊i o 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按i o 点数确定模块规格及数量，i o 模块可多可少，但其最大数受c p u 所能管理 的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数的限制。 五、电源模块 p l c 电源用于为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入 电路提供2 4 v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源( 2 2 0 v a c 或1 1 0 v a c ) ， 直流电源( 一般为2 4 v a c ) 。 六、底板或机架 大多数模块式p l c 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的 联系，使c p u 能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块间的连接，使各 模块构成_ 个整体。： 七、p l c 系统的其它设备 1 编程设备：编程器是p l c 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器 件，用于编程、对系统作一些设定、监控p l c 及p l c 所控制的系统的工作状况， 但它不直接参与现场控制运行。小型p l c 一般有手持型编程器，目前一般由计 算机( 运行编程软件) 充当编程器。 2 入机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏( 或触摸屏) 式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机( 运行组态软件) 充当人机界面 非常普及。 3 输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如e p r o m 、e e p r o m 写 入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 八、p l c 的通信联网 依赖先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此， 网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出”网络就是控 制器”的观点说法。 第一章绪论 p l c 具有通信联网的功能，它使p l c 与p l c 之间、p l c 与上位计算机以及 其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多 数p l c 具有r s 2 3 2 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 p l c 的通信还未实现互操作性，i e c 规定了多种现场总线标准，p l c 各厂家 均有采用。对于一个自动化工程( 特别是中大规模控制系统) 来讲，选择网络非常 重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩 展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深 入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设 备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。 1 3 可编程控制器的基本工作原理和特点 为了实现p l c 在工厂自动化中的自动化控制与管理功能，可编程控制器应具 备由单片微机及其支持电路所构成的中央处理器、存储器、开关量输入输出通道、 模拟量输入输出通道、用户编程及系统监控设备、与其它计算机系统的通信接口、 与其它智能控制设备的接口等，以上这些构成了p l c 的系统硬件组成部分。但是， 为了使可编程序控制器具有系统配置灵活，用户使用方便，可靠性高等特点，其 系统硬件结构采用了总线模块化结构，根据系统中各组成部分的功能不同，分别 将它们制成独立的组件，各组件具有统一标准的总线接口。用户在配置系统时， 只要根据系统应实现的功能选用满足要求的组件，并将所有组件组装在一起，就 可组成完整的系统。用户不需要了解各组件的内部结构就可以任意配置不同功能 的系统。 可编程序控制器的软件【7 】由系统程序和用户程序两大部分组成。系统程序 负责对p l c 全部硬件资源的管理与监控，以及对用户程序做编译处理等。系统程 序体现p l c 的设计思想，直接关系至t j p l c 的功能，一般都由厂家在出厂前将其固 化在系统存储器中。可编程序控制器的系统程序是一个实时操作系统，它要完成 以下工作：周期性对p l c 系统硬件进行自诊断，管理系统内部存储器以及用户存 储器的分配，管理各功能组件，周期性刷新i o 状态，对各种系统错误及时监测 和处理，对编程器等外设的管理，对用户程序代码的解释执行，对系统中多处理 器的统二协调等等。可编程序控制器的系统程序采用了模块化结构设计，将可编 程序控制器的系统功能划分为许多独立的小功能块，每个功能都由一软件模块实 现，对各软件模块的协调、调用也是由称为主控程序的模块完成。各功能软件模 块之间也可相互调用和传递数据。 如前所述，p l c 从系统硬件环境来说，与一般的微型计算机控制系统没有显 著差别，所不同的是，p l c 作为一种实时工业控制系统，它的中央处理器的工作 4 第一章绪论 方式与众不同，对i o 的处理、对用户程序的处理以及内部存储器的组织都与一 般的微型机控制系统不同，因而使p l c 在应用范围和编程等方面具有独特之处。 p l c 的工作原理与继电器工程的控制装置一样，但是工作方式不一样。继电 器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作。 而p l c 则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且当程序扫 描到该线圈时，该线圈触点才会动作。也可以说，继电器控制装置是根据输入和 逻辑控制结构就可以直接得到输出，而p l c 控制则需要输入传送、执行程序指 令、输出三个阶段才能完成控制过程。 p l c 采用循环扫描技术可以分为三个阶段【9 】：输入阶段( 将外部输入信号的状 态传送到p l c 、执行程序阶段和输出阶段( 将输出信号传送到外部设备) 。 ( 1 ) 输入阶段 在这个阶段中，p l c 读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入 存储单元。 ( 2 ) 执行程序阶段 在这个阶段中，p l c 按照由上到下的次序执行程序指令。从相应的输入存储 单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数 据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的 输出存储器单元。这一阶段执行后，进入输出阶段。在这个阶段的执行中，输入 信号的状态和数据保持不变。 ( 3 ) 输出阶段 在这个阶段中，p l c 将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模板上， 并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。 可编程序控制器的最大特点就是特别擅长处理大量开关量、数字量组成的系 统。电器控制就是最早的顺序控制，顺序控制系统广泛应用于冶金、机械制造、 化工、轻工、石油、煤炭、食品加工等行业，特别是在加工、装配检验、包装等 自动化生产线上，顺序控制更是随处可见。顺序控制是指以预先规定的时间或条 件为依据，按预先规定好的动作次序顺序地进行工作。在顺序控制系统中，绝大 多数的输入、输出信号都是开关量，而开关量的变化只有“通 、“断”两种状 态。因此，顺序控制要处理的问题就成为对状态的记忆和处理各个信号状态变化 的逻辑和时序关系，在这样的系统中往往是要求多个输入信号同时参与运算：随 着输入状态的变化即刻产生输出，在有时序要求的系统中，输出信号的状态不但 取决于现时刻输入信号和反馈信号的逻辑组合，而且还和输入信号过去时刻的状 态有关，这使得控制变得复杂。此外，开关量系统中的输入信号除具有顺序性以 外还有长短性，各种信号状态持续时间有长有短。所以，在设计顺序控制系统时， 必须细考虑上述种种因素，根据工艺要求，实现各种信号之间的联锁关系、互锁 第一章绪论 关系、状态的记忆与设定等。 1 4 本论文的工作和结构安排 由于西门子公司s 7 2 0 0 系列p l c 比监控组态软件w i n c c 推出晚，因此组态 软件w i n c c 中没有集成s 7 2 0 0 系列p l c 的通信驱动程序，另外s 7 2 0 0 系列p l c 的通信协议也不公开。这些问题给$ 7 - 2 0 0 系列p l c 的应用带来了一定的限制， 为了解决这个实际工程问题，本论文做了一些研究。本论文主要针对西门子 $ 7 - 2 0 0 系列可编程控制器与监控计算机之间通信问题进行研究、讨论和解决， 主要对自由口模式下设计的两种通信方法进行了比较详尽的说明，另外对西门子 s 7 2 0 0 系列p l c 与w i l l c c 组态软件的通信也进行了阐述。 本论文的组织结构安排如下所示，全文共分五章，各章的主要内容概述如下： 第一章是绪论，首先对可编程控制器的特点和工作原理进行了简单的介绍， 提出基于西门子s 7 乏o o 系列p l c 的通信问题。 ，第二章中主要介绍了西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的技术背景，对它的编程方法 进行了比较具体的介绍。 第三章介绍了自由口模式下西门子s 7 2 0 0 系列p l c 与计算机通信方法的设 计和实现，主要阐述了下位机p l c 通信程序的两种方法，也对上位p c 机的通信 程序的设计进行了介绍，这是本论文最重要的部分。 第四章主要是针对解决西门子s 7 2 0 0 系列p l c 与w i n c c 组态软件的通信 问题进行了阐述。 第五章是总结与展望，对全文的工作进行了总结，并对今后要做的工作提出 了自己的一些想法。 6 第二章西门子s 7 - 2 0 0 系列p l c 的技术背景 第二章西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的技术背景 2 1 西门子s 7 2 0 0 系列p l c 简要介绍 2 1 1 概述 s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 是西门子公司前些年投入市场的小型可编程序控 制器，可以单机运行，也可以进行输入输出和功能模块的扩展。它价格低廉， 结构小巧，可靠性高，运行速度非常快，继承和发挥了它在大中型p l c 领域的 技术优势，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，它的性价 比非常高，特别是s 7 2 0 0c p u 2 2 x 系列p l c ( 它是c p u 2 1 x 系列的替代产品) 。 由于它有多种功能模块和人机界面删i ) 可供选择，所以系统的集成非常方便， 并且可以很轻易的组成p l c 网络，同时它具有功能齐全的编程软件，使得在完 成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，在规模不大 的控制领域是较为理想的控制设备。 s 7 2 0 0 系列p l c 是一种可编程序逻辑控制器，它能够控制各种设备以满足 自动化控制需求。s 7 2 0 0p l c 的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、 复杂数学运算器以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状 态，改变输出状态以达到控制目的。下面介绍一下s 7 2 0 0p l c 如何执行控制逻 辑。 s 7 2 0 0 系列p l c 的基本功能是监视现场的输入，根据你的控制逻辑去控制现 场输出设备的接通和关断。s 7 2 0 0p l c 周而复始的执行程序中的控制逻辑和读 写数据。 一、s 7 2 0 0p l c 将你的程序和物理输入输出点联系起来，它的基本操作非常简 单，主要有： c p u 读输入状态 c p u 中存储程序利用输入执行控制逻辑。程序运行时，c p u 刷新有关数据。 c p u 将数据写到输出。 二、s 7 2 0 0p l c 在扫描循环中完成它的任务，它周而复始地执行一系列任务。 任务循环执行一次称为一个扫描周期。 读输入：s 7 2 0 0 将物理输入点上的状态复制到输入过程映象寄存器中。 执行逻辑控制程序：s 7 2 0 0 执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。 处理通讯请求：s 7 2 0 0 执行通讯任务。 第二章西门子$ 7 - 2 0 0 系列p l c 的技术背景 孰行c p u 自诊断：s 7 2 0 0 检查固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。 写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。 扫描周期的执行取决于$ 7 - 2 0 0p l c 是处于停止模式还是运行模式。当 s 7 2 0 0 处于运行模式时，c p u 执行程序；当s 7 2 0 0 处于停止模式时，c p u 不执行 程序。 2 1 2 硬件系统的基本构成 $ 7 - 2 0 0p l c 硬件系统的配置方式【1 采用整体式加积木式，即主机中包含一定 数量的输入输出( t o ) 点，同时还可以扩展u o 模块和各种功能模块。一个完整的 系统组成如图2 1 所示： 图2 1p l c 结构图 1 基本单元( c p u 主机) 基本单元( b a s i c u n i t ) 有时又称c p u 模块，也有的称之为主机或本机，它包 括e p u 、存储器、基本输入输出点和电源等，是p l c 的主要部分。实际上它就 是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。 2 扩展模块 主机i o 的数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需求扩展各种i o 模块，所能连接的扩展单元数量和实际所能使用的f o 点数是由多种因素共同确 定的。 3 功能模块 它是完成各种控制功能的装置。当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需 要扩展功能模块，成为特殊功能模块，它是完成某种特殊控制任务的一些装置。 4 相关设备 相关设备是为了充分和方便地利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的 一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。 第二章西门子$ 7 - 2 0 0 系列p l c 的技术背景 5 工业软件 工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主 要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类构成。 2 2 西门子s 7 2 0 0p l c 编程的介绍 s 7 2 0 0p l c 周而复始地执行应用程序，控制一个任务或过程，利用编程软件 s t e p7 - m i c r o w i n 可以创建一个用户程序并将它下载n s 7 2 0 0 系列可编程控制 器中。s t e p7 - m i c r o w i n 软件中提供了多种工具用于完成和调试应用程序。 2 2 1p l c 编程的基本概念 一、程序的基本组成 个程序块由可执行代码和注释组成。可执行代码由主程序和若干子程序或 者中断服务程序组成。可执行代码被编译并下载n s 7 2 0 0p l c 中，而程序注释不 会被下载。 如图2 - 2 所示，举了一个程序范例，例子中的程序包括一个主程序、一个子 程序和一个中断服务程序。该程序使用一个定时中断，每隔l o o m s 读一次模拟量 输入值。 铸婚繇暾。= j j 置j ，麓。o j _ j ? ：? ? 簟：? 譬- 鼍。j 、? ，? 蕊n ii “? | o 一强肇t 纛| 飞 mn a 4 w r o ( 1 ，程第一个约摘燧甥 ，硼| i l 子纛庠。 a 一i 囝p i l d s m 0 1 i nc a l l s s r 0 s：_ i _ n e t w t i d 【1 ，输入1 0 0 r n s 时嘲问蕊 8鲥eb 谳曩1 ，馒跪定i 坶中断o ， r l l 二一i v l d 翱蚺。ol j 二 m o v b 1 0 qs m b 钳 o a i c h i n 乙q 1 0 m 对 i n e t w o r k1，壤 荤a i v 、，蠢， n 彳；一 l ds h ，婚0 tm o v w_ i 、榈v w l 0 0 o 图2 - 2p l c 程序示例 9 第二章西门子s 7 - 2 0 0 系列p l c 的技术背景 主程序中包括控制应用的指令。s 7 - 2 0 0p l c 在每一个扫描周期中顺序执行 这些指令。 子程序是应用程序中的可选组件。只有被主程序、中断服务程序或者其他子 程序调用时，子程序才会执行。当你希望重复执行某项功能时，子程序是非常简单 有用的。与其在主程序中的不同位置多次使用相同的程序代码，不如将这段程序 逻辑写在子程序中，然后在主程序中需要的地方调用。调用子程序有几个优点： 用子程序可以减少程序的长度；由于将代码从主程序中移出，因而用子程序可以 缩短程序扫描周期。s 7 2 0 0 在每个扫描周期中处理主程序中的代码，不管代码是 否执行。而子程序只有在被调用时，s 7 2 0 0 才会处理其代码。在不调用子程序 时，s 7 2 0 0 不会处理其代码；用子程序创建的程序代码是可传递的。你可以在一 个子程序中完成一个独立的功能，然后将它复制到另一个应用程序中而无需做重 复的工作。 中断服务程序是应用程序中的可选组件。当特定的中断事件发生时，中断服 务程序执行。你可以为一个预先定义好的中断事件设计一个中断服务程序当特 定的事件发生时，s 7 2 0 0 就会执行中断服务程序。中断服务程序不会被主程序调 用。而要将一个中断服务程序与一个中断事件相关联。只有每次中断事件发生 时，s 7 2 0 0 才会执行中断服务程序。 程序中的其它块也包含了s 7 2 0 0 的信息。当你下载程序时，你可以选择同时 下载下面这些功能块。系统块允许你为s 7 2 0 0 配置不同的硬件参数；数据块存 储应用程序中的不同变量值，你可以用数据块输入数据的初始值。 二、p l c 编程软件 p l c 编程软件是p l c 用户程序编制的专用工具。p l c 制造商在提供p l c 硬 件的同时，也为设计人员配备了p l c 编程软件。不同型号、不同系列的p l c 都 有其专用的编程软件。比如有以下几种：用于三菱系列p l c 编程的g xd e v e l o p e r ； 用于s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 编程的s t e p 7 - m i c r o w i n ；用于s i m a t i cs 7 3 0 0 和s 7 4 0 0 系列p l c 编程的s t e p 7v 5 系列等。 如图2 3 所示为s t e p 7 m i c r o w i n3 2 1 1 j 编程软件界面图，s t e p 7 m i c r o w i n 3 2 编程软件能够使设计人员很容易的完成s i m a n cs 7 2 0 0 系列p l c 用户程序的 编制，通过通讯电缆实现计算机与p l c 的通信、上传和下载用户程序以及p l c 通 信的参数设置等。 1 0 第二章西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的技术背景 图2 - 3s t e p 7 m i 口o w i n3 2 编程软件 s t e p t - m i c r o w 1 n 项目窗口为创建控制程序提供了一个便利的工作空间。1 具栏为常用菜单命令的快捷方式提供按钮。 操作栏为访问s t e p 7 一m i c r o w i n3 2 中不同的程序组件提供了一组图标。 指令树显示了所有项目对象和创建控制程序所需的指令。可以将指令从指令 树中拖到应用程序中，也可以双击指令的方式将该指令插入到程序编辑器中的当 前光标所在地。 程序编辑器中包括程序逻辑和局部变量表。可以在局部变量表中为临时的局 部变量定义符号名。在程序编辑器的底部有子程序和中断服务程序的标签。点击 这些标签，可以在主程序、子程序和中断服务程序之间切换。 2 2 2p l c 编程语言及特点 p l c 的编程语言已有很长历史但各厂家在编程格式、符号定义等方面均自 成体系，各有不同。总的说来，用于p l c 的编程语言基本包括以下几太类：继电 器梯形图语言、命令语句表语言、状态语言、控制系统流程图语言以及一些专用 的或通用的高级语言。这些方法中，比较基本的是梯形图语言，某些方法是在它 的基础上衍生出来的。下面介绍一下主要的编程语言。 第二章西门子$ 7 - 2 0 0 系列p l c 的技术背景 一、梯形图语言 梯形图语言是在继电器控制电路图的基础上发展而来的。它最大的优点就是 直观易懂，使用简单方便。对于来自电气方面的用户来说，梯形图语言很容易就 能被掌握，同时它也是p l c 的主要编程语言。 二、助记符语言 助记符语言与汇编语言类似，它使用字符来代表可编程控制器的某种操作， 这就要求用户有一定的编程基础。 三、功能块语言 西门子公司的s 7 系列p l c 除了可以用梯形图和助记符语言进行编程外，还 可以用功能块语言进行编程，功能块语言与数字电子技术的逻辑电路图类似，不 同的功能块实现不同的功能，从而实现所需控制要求。 对应于以上三种编程语言，s t e p 7 m i c r o w i n3 2 提供了三种编辑器来创建 一个程序：梯形图( l a d ) 、语句表( s t l ) 和功能块图( f b d ) 。用任何一种程序编辑 器编写的程序都可以用另一种程序编辑器来浏览和编辑，但要遵循一些输入规 则。 一、l a d 编辑器 l a d 编辑器以图形方式显示程序，与电气接线图类似梯形图程序允许程序 模仿来自电源的电流通过一系列的逻辑输入条件，决定是否使能逻辑输出。一个 l a d 程序包括左侧提供能流的能量线，闭合的触电允许能流经过并到达下一个 元素，打开的触电会阻塞能流。 逻辑控制是分段的，程序在同一时间执行一段，从左到右，从上到下。不同的 指令用不同的图形符号表示，它包括三种基本形式：触点代表逻辑输入条件，如开 关、按钮或者内部条件等；线圈通常表示逻辑输出结果，如负载、电机启动器、 中间继电器或者内部输出条件；盒表示其它一些指令，如定时器、计数器或者数 学运算指令等。 二、s ，几编辑器 s t l 编辑器按照文本语言的形式显示程序。s t l 编辑器允许输入指令助记符 来创建控制程序。另外也允许创建l a d 和f b d 编辑器无法创建的程序。s 7 2 0 0 p l c 从上到下按照程序的次序执行每一条指令，然后回到程序的开始重新执行。 s t l 使用一个逻辑堆栈来分析控制逻辑，插入s t l 指令来处理堆栈操作。另外你 可以用s t l 编辑器查看或者编辑用l a d 或者f b d 编辑器编写的程序，但是反之不 一定成立。l a d 或者f b d 编辑器不一定总能显示所有利用s t l 编辑器编写的程 序。 三、f b d 编辑器 f b d 编辑器以图形方式显示程序，由通用逻辑门图形组成。它没有梯形编辑 1 2 第二章西门子$ 7 - 2 0 0 系列p l c 的技术背景 器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，用盒指令表示。f b d 不使用左右能量 线。因此“能流”这个术语用于表示通过f b d 逻辑块控制流这样一个类似的概念。 逻辑“1 ”通过f b d 元素成为能流。能流的原始输入和最终的输出可以直接分配 给操作数。程序逻辑由盒指令之间的连接决定，也就是说，一条指令的输出可以用 来允许执行另一条指令，这样可以建立所需要的控制逻辑。这样的连接概念使你 可以解决各种各样的逻辑问题。 2 2 3s 7 2 0 0p l c 的通信指令 s 7 2 0 0p l c 和计算机之间的通信指令【1 3 】主要有中断指令、发送指令( x m t ) 和接收指令f r c v ) 等。 一、中断指令 中断指令包括中断连接指令a t c h 和中断分离指令d t c h 。通过中断连接指 令可以把一个中断事件e v e n t 和一个中断程序i n t 联系起来，并允许这个中断 事件的发生。而中断分离指令的主要作用是截断一个中断事件e v e n t 和所有中 断程序的联系，并禁止该中断事件。 在激活一个中断程序前必须在中断事件和该事件发生时希望执行的那段 程序问建立一种联系。通过中断连接指令可指定一个中断事件所要调动的程序 段。虽然多个中断事件可以调用同一个程序段，但是一个中断事件不能同时调用 多个程序段。在开中断隋况下，某个中断事件发生就执行最后一次为该事件指定 的中断所调用的程序段。用a t c h 指令为某中断事件调用相关的程序段时，系统 会自动将此中断事件打开。利用d t c h 可以解除中断事件和中断程序段之间的联 系，同时将该中断事件关闭，以使该中断处于非激活状态。 二、发送和接收指令 x m t r c v 指令格式图2 _ 4 所示，x m t r c v 指令用于当s 7 ，2 0 0 被定义为自 由口通信模式时，由通信端口发送或接收数据。 x m tt b l ，p o r tr c vt b l ，p o r t a t b l ：缓冲区首地址，操作数为字节，最大2 5 5 个字节 b p o r t ：操作端口，c p u 2 2 6 妃p u 2 2 6 x m 可为0 或1 ，其他c p u 只能为0 图2 _ 4 读写指令 第二章西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的技术背景 发送指令x m t 的作用是激活发送数据缓冲区t b l 中的数据。数据缓冲区的第 一个数据指明了要发送的字节数，p o r t 用于指定发送端口。x m t 指令用于决定 自由端口模式，并由通信端口发送数据。 接收指令r c v 用于激活初始化或结束接收信息的服务。通过指定端1 2 1 p o r t 可将接收到的信息存储于数据的缓冲区t b l 。数据缓冲区的第一个数据指明了接 收的字节数。 用订t 指令可以方便地发送一个或多个字节缓冲区的内容，最多为2 5 5 字 节。如果有一个中断服务程序连接到发送结束事件上，在发完缓冲区中的最后 一个字符时，则会产生一个中断。当然也可以不用中断来判断发送指令( 如向打 印机发送信息) 是否完成，而是监视s m 4 5 或s m 4 6 的状态，以此来判断发送是 否完成。如果把发送字符的个数设置为0 ，然后执行x m t 指令，可以产生一个 中断事件。发送中断事件的操作和发送任何其他信息的操作是一样的，当发送中 断事件操作完成时，产生一个x m t 中断，并且s m 4 5 或s m 4 6 反映了发送操作 的当前状态。 接收指令r c v 可以方便地接收一个或多个字节缓冲区的内容，最多为2 5 5 个字节，这些字节存储在接收缓冲区中。如果有一个中断程序连接到接收完成事 件上，在接收到缓冲区的最后一个字节时则会产生一个中断。当然也可以不使用 中断，而是通过监视s m b 8 6 ( 对应端口o ) 或s m b l 8 6 ( 对应端口1 ) 状态的变化，进 行接收信息状态的判断。当接收指令没有被激活或者接收已经结束时，s m b 8 6 或s m b l 8 6 为1 ；当正在接收时，它们为0 。 使用接收指令时，允许用户选择信息接收开始和信息接收结束的条件。用 s m b 8 6 s m b 9 4 对端口0 进行设置，用s m b l 8 6 一s m b l 9 4 对端口1 进行设置。应 该注意的是，当接收信息缓冲区越界或奇偶校验错误时，接收信息功能会自动终 止。所以必须为接收信息功能操作定义一个启动条件和一个结束条件。接收指令 支持的启动条件有：空闲线检测、起始字符检测、空闲线和起始字符检测、断点 检测、断点和起始字符检测和任意字符检测。而它支持的结束信息方式有：结束 字符检测、字符间隔定时器、信息定时器、最大字符计数、校验错误、用户结束 或以上集中结束方式的组合。在此不作具体介绍。 1 4 第三章自由口模式下西门子s 7 - 2 0 0p l c 与计算机的通信 第三章自由口模式下西门子s 7 2 0 0p l c 与计算机的通信 3 1s 7 2 0 0p l c 的网络通讯 s 7 2 0 0p l c 可以满足通讯和网络的需求，它不仅支持简单的网络，而且支持 比较复杂的网络。s 7 2 0 0p l c 提供了一些通讯手段，可以用它与那些使用自己的 通讯协议的设备进行通讯。 s 7 2 0 0p l c 支持主从通讯模式且可以被配置为主站或者从站。网络上的主 站器件可以向网络上的其它器件发出要求，也可以对网络上的主站的要求作出响 应。配置为从站的器件只能对其它主站的要求作出响应，但自己不能发出要求。 3 1 1s 7 2 0 0c p u 支持的通讯协议 ， s 7 2 0 0c p u 主要支持以下通讯协议【1 1 5 】：点对点接口口p i ) 、多点接n ( m p i ) 和p r o f i b u s 协议。 在开放系统互联( o s i ) 七层模式通讯结构的基础上，这些通讯协议在一个令牌 环网络上实现。这些协议是异步的字符协议，有1 位起始位，8 位数据位，奇校验 位和1 位停止位。通讯结构依