西门子S7-200之间通讯的研究.doc

1 本科生毕业论文 设计 本科生毕业论文 设计 本科生毕业论文 设计 题题 目 目 西门子西门子 S7 200S7 200 之间通讯的研究之间通讯的研究 专业代码 专业代码 080603080603 作者姓名 作者姓名 朱洪仁朱洪仁 学学 号 号 20062014582006201458 单单 位 位 物理科学与信息工程学院物理科学与信息工程学院 指导教师指导教师 郝胜玉郝胜玉 2010 5 272010 5 27 2 目录目录 摘摘 要要 2 前言前言 1 1 1 PLCPLC 的简介及特点的简介及特点 1 2 2 通讯方式通讯方式 3 3 S7 2003 S7 200 之间通讯方式之间通讯方式 4 3 1 自由口通讯 6 3 2 S7 200 之间 PPI 通讯 8 3 2 1 所需软硬件及网络配置 8 3 3 S7 200 之间 MPI 通讯 10 3 3 2MPI 协议简介 10 3 3 3MPI 网络组建 10 3 3 4 全局数据通讯方式 12 3 3 5 无组态连接的 MPI 通讯方式 13 3 4 PROFIBUS 现场总线通讯技术 13 3 4 1 PROFIBUS 介绍 13 3 4 2 PROFIBUS 的组成 14 3 4 4 传输技术 16 4 4 结束语结束语 16 参考文献参考文献 18 致致 谢谢 19 摘摘 要要 PLC 因其可靠性高 编程简单 抗干扰强等优点在工业控制领域得到了广泛 应用 随着计算机网络技术的发展 现代企业的自动化程度越来越高 在大型控 制系统中 由于控制任务复杂 点数过多 各任务间的数字量 模拟量相互交叉 因而出现了紧靠增强单机的控制功能及点数已难以胜任的现象 因此 PLC 之间 的通讯应用也越来越广泛 与此同时 PLC 生产厂家为了适应复杂生产的需要 也为了便于对 PLC 进行监控 均开发了各自的 PLC 通讯技术及 PLC 通讯网络 3 西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率 S7 200 系列 PLC 是西门子 SIMATIC PLC 家族中的成员之一 在西门子工控领域应用中占有重要 地位 西门子 S7 200 PLC 之间通讯有很多种方式 自由口 PPI 方式 MPI 方式 Profibus 方式 研究西门子 S7 200 PLC 之间通讯具有非常必要性和实用性 关键词 关键词 PLC S7 200 通讯 自由口 PPI 方式 MPI 方式 Profibus 方式 Abstract PLC because of its high reliability simple programming and strong anti interference advantages in the field of industrial control has been widely used With the development of computer network technology the modern enterprise is becoming more automated In the large scale control system due to complex control tasks too many points the task between digital analog cross cutting which occurred close to the enhanced functionality and single points of control have failed to accomplish the phenomenon Therefore the communication between PLC applications are more and 4 more widely while the PLC manufacturers to meet the complex needs of production and to facilitate monitoring of the PLC are developing their own communication skills and PLC PLC communications network Siemens Industrial Control Products in the industrial areas of application have a higher market share S7 200 series PLC Siemens SIMATIC PLC is a member of the family in the Siemens industrial applications play an important role in the field Siemens S7 200 PLC There are many ways of communication between free port PPI mode MPI mode Profibus way Of Siemens S7 200 PLC communication between the very necessity and practicality Key words PLC S7 200 communication free port PPI communication MPI communication Profibus communication 1 西门子西门子 S7 200S7 200 之间通讯的研究之间通讯的研究 前言前言 随着计算机的发展 企业和工厂自动化程度要求不断提高 电气控制中 PLC 技术有了飞速的发展 PLC 具有通用性强 可靠性高 抗干扰能力强 控制系 统结构简单 编程方便及易于使用等优点 被广泛应用于生产过程的控制 PLC 之间的通讯应用也越来越广泛 现场控制的 PLC 网络系统 极大地提高了 PLC 的控制范围和规模 实现了 多个设备之间的数据共享和协调控制 提高了控制系统的可靠性和灵活性 增 加了系统监控和科学管理水平 便于用户程序的开发和应用 1 1 PLCPLC 的简介及特点的简介及特点 可编程控制器 PLC 取代传统的继电器电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流水线 如注塑机 印 刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水线等 在工业生产过程当中 存在一些如温度 压力 流量 液位和速度等连续 变化的量 即模拟量 PLC 采用相应的 A D 和 D A 转换模块及各种各样的控制 算法程序来处理模拟量 完成闭环控制 PID 调节是一般闭环控制系统中用得 较多的一种调节方法 过程控制在冶金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非 常广泛的应用 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 一般使用专用的运动控制模块 如 可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 广泛用于各种机械 机床 机器人 电梯等场合 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据 转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 数据 2 处理一般用于如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着工厂自动化 网络的发展 现在的 PLC 都具有通信接口 通信非常方便 采用循环执行的工作方式 即循环扫描 用户程序执行完一次之后 又返 回去执行第二次 第三次 直到停机 基本扫描周期包含 5 个步骤 将输入信 号读入输入映象寄存器区 执行用户程序 处理通讯事务 PLC 内部事务的处 理 输出信号的刷新 PLC 还可随时响应用户的中断请求 并按预先设定的中 断优先级别依次执行 从这个意义上讲 每个扫描周期所占用的时间并不完全 相同 由于可编程控制器的输入输出端口均采用继电器或光电耦合器件 采取了 隔离和抗干扰措施 使其具有很高的抗干扰能力 因而能在恶劣的环境下可靠 工作 在制造时采用了大规模集成电路和微处理器 用软件编程替代了硬连线 便于安装 达到了小型化 可编程控制器采用模块化结构 一般有 CPU 模块 通讯模块 PID 模块 模拟输入模块 模拟输出模块等 可以用这些模块灵活 地组成各种不同的控制系统 对不同的控制系统 只需选取不同的模块即可 对于不同的控制系统 当硬件结构选定后 若输入输出做很小的变动时 只需 修改相应程序即可 无需对系统连线作较大的修改 减少现场调试的工作量 使用起来灵活方便 特别是广泛应用于高稳定性 高可靠性的工业控制中 PLC 主要特点 可靠性高 抗干扰能力强 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术 采用 严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用于各种规模的工业控制场合 近年来 PLC 的 功能单元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控 制中 加上 PLC 通讯能力的增强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各种控 制系统变得非常容易 易学易用 深受工程技术人员欢迎 梯形图语言的图形符号与表达方式和 继电器电路图相当接近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实 3 现继电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使 用计算机从事工业控制打开了方便之门 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替 接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统设计及建造的周期大 为缩短 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸 小于 100mm 重量小于 150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理想控制设备 2 2 通讯方式通讯方式 串行数据传送与并行数据传送 1 并行数据传送 并行数据传送时所有数据位是同时进行的 以字或字节为单 位传送 并行传输速度快 但通讯线路多 成本高 适合近距离数据高速传送 PlC 通讯系统中 并行通讯方式一般发生在内部各元件之间 主机与扩展模块 或近距离智能模板的处理器之间 2 串行数据传送 串行数据传送时所有数据是按位 bit 进行的 串行通讯仅 需要一对数据线就可以 在长距离数据传送中较为合适 PLC 网络传送数据的 方式绝大多数为串行方式 而计算机或 PLC 内部数据处理 存储都是并行的 若要串行发送 接收数据 则要进行相应的串行 并行数据转换 即在数据发 送前 要把并行数据先转换成串行数据 而在数据接收后 要把串行数据转换 成并行数据后再处理 异步方式与同步方式 串行通讯数据的传送是一位一位分时进行的 根据串行通讯数据传输方式的 不同可以分为异步方式和同步方式 1 异步方式 又称起止方式 它在发送字符时 要先发送起始位 然后才是字符本身 最后是停止位 字符之后还可以加入奇偶校验位 异步传送较为简单 但要增加传送位 将影响传输速率 异步传送是靠起 始位和波特率来保持同步的 4 2 同步方式 同步方式要在传送数据的同时 也传递时钟同步信号 并始终按照给定的 时刻采集数据 同步方式传递数据虽提高了数据的传输速率 但对通讯系统要 求较高 PLC 网络多采用异步方式传送数据 3 S7 2003 S7 200 之间通讯方式之间通讯方式 S7 200 之间通讯方式 自由口通讯 PPI 通讯 MPI 通讯 PROFIBUS DP 通 讯 以太网通讯 PPI 协议是 S7 200CPU 最基本的通讯方式 通过原来自身的端口 PORT0 或 PORT1 就可以实现通讯 是 S7 200 CPU 默认的通讯方式 PPI 是一种主 从协议通讯 主 从站在一个令牌环网中 在 CPU 内用 户网络读写指令即可 也就是说网络读写指令是运行在 PPI 协议上的 因此 PPI 只在主站侧编写程序就可以了 从站的网络读写指令没有什么意义 2 RS485 串口通讯第三方设备大部分支持 西门子 S7 PLC 可以通过选择自 由口通讯模式控制串口通讯 最简单的情况是只用发送指令 XMT 向打印机或 者变频器等第三方设备发送信息 不管任何情况 都必须通过 S7 PLC 编写程序 实现 当选择了自由口模式 用户可以通过发送指令 XMT 接收指令 RCV 发送中断 接收中断来控制通讯口的操作 3 MPI 通讯是一种比较简单的通讯方式 MPI 网络通讯的速率是 19 2Kbit s 12Mbit s MPI 网络最多支持连接 32 个节点 最大通讯距离为 50M 通讯距离远 还可以通过中继器扩展通讯距离 但中继器也占用节点 MPI 网络节点通常可以挂 S7 200 人机介面 编程设备 智能型 ET200S 及 RS485 中继器等网络元器件 西门子 PLC 与 PLC 之间的 MPI 通讯一般有 3 种通讯方式 1 全局数据包通讯方式 2 无组态连接通讯方式 3 组态连接通讯方式 4 PROFIBUS DP 通讯 5 PROFIBUS DP 现场总线是一种开放式现场总线系统 符合欧洲标准和国 际标准 PROFIBUS DP 通讯的结构非常精简 传输速度很高且稳定 非常适合 PLC 与现场分散的 I O 设备之间的通讯 5 以太网通讯 以太网的核心思想是使用共享的公共传输通道 这个思想早在 1968 年来 源于厦威尔大学 1972 年 Metcalfe 和 David Boggs 两个都是著名网络专 家 设置了一套网络 这套网络把不同的 ALTO 计算机连接在一起 同时还连接 了 EARS 激光打印机 这就是世界上第一个个人计算机局域网 这个网络在 1973 年 5 月 22 日首次运行 Metcalfe 在首次运行这天写了一段备忘录 备忘 录的意思是把该网络改名为以太网 Ethernet 其灵感来自于 电磁辐射是可 以通过发光的以太来传播 这一想法 1979 年 DEC Intel 和 Xerox 共同将 网络标准化 1984 年 出现了细电缆以太网产品 后来陆续出现了粗电缆 双绞线 CATV 同轴电缆 光缆及多种媒体的混合以太网产品 以太网是目前世界上最 流行的拓朴标准之一 具有传传播速率高 网络资源丰富 系统功能强 安装 简单和使用维护方便等很多优点 西门子 PLC 网络 6 图 1 西门子 PLC 网络 3 3 1 1 自由口通讯自由口通讯 通讯方式采用自由口通讯 通讯接口均为 PLC 与工业控制计算机上的 RS232 接口 但是由于 RS232 采用非平衡方式传输数据 传输距离近 而胶带 输送机趋向大功率 长距离 且单机监测信息量多 控制要求复杂 直接采用 RS232 方式不能满足传输距离要求 因此 采用 RS485 方式 因为 RS485 采用 平衡差动式进行数据传输 适合于远距离传输 并具有较强抗干扰能力 式中 RS232 与 RS485 之间的信号转换采用通讯转换器 总体通讯结构如图 1 所示 7 图图2 2 自由口通讯网络结构 对RS 422与RS 485总线网络一般要使用终接电阻进行匹配 但在短距离与 低速率下可以不用考虑终端匹配 那么在什么情况下不用考虑匹配呢 理论上 在每个接收数据信号的中点进行采样时 只要反射信号在开始采样时衰减到足 够低就可以不考虑匹配 一般终端匹配采用终接电阻方法 RS 485则应在总线 电缆的开始和末端都需并接终接电阻 终接电阻一般在RS 485网络中取120 相当于电缆特性阻抗的电阻 因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在 100 120 自由口通信配置 自由口 SMB30 SMB130 配置 P p d b b b m m pp 校验选择 00 无校验 01 偶校验 10 无校验 11 奇校验 d 字符位数 0 每字符 8 位 1 每字符 7 位 bbb 自由口波特率 000 38400bps 001 19200bps 010 9600bps 011 4800bps 100 2400bps 101 1200bps 110 600bps 111 300bps mm 通信协议选择 00 PPI 协议 从站 01 自由口协议 10 PPI 主站模式 11 保留 1 接受信息控制字节 SMB87 SMB187 en sc ec il c m tmr bk 0 en 0 禁止接收功能 1 允许接收功能 sc 0 忽略 SMB88 SMB188 1 使用 SMB88 SMB188 8 ec 0 忽略 SMB89 SMB189 1 使用 SMB89 SMB189 il 0 忽略 SMW90 SMW190 1 使用 SMB90 SMB190 值检测空闲状态 c m 0 定时器是内部定时 1 定时器是信息定时器 tmr 0 忽略 SMW92 SMW192 1 当指行 SMB92 SMB192 时终止接收 bk 0 忽略中断条件 1 使用中断条件来检测起始信息 用户可以通过用户程序对通讯口进行操作 通讯协议完全由用户程序控制 通过设定特殊存储字节 30 端口 0 或 130 端口 1 允许自由口模式 同时这两个特殊存储字节也用于选择波特率 奇偶校验 数据位数和通讯协议 用户可以通过使用发送中断 接收中断 发送指令化 和接收指令 对通讯口进行操作 7 200 使用 指令接收数据 指令可以接收一个或最多至 255 个字符 在缓冲区接收到最后一个字符时 会产 生一个中断事件 23 也可以采用查询方式监视状态字节 86 来判断数据接收 是否完成 通过对 87 接受状态字节的设定 用户可自定义通讯协议中帧 的具体格式 9 3 23 2 S7 200S7 200 之间之间 PPIPPI 通讯通讯 S7 200 通信最经济的方式就是采用 PPI 协议和自由口通信协议 对于 S7 200 之间进行通信 PPI 协议又更适合 它比自由口通信的编程更简单 使用自由口方式进行编程时 在上位机和 PLC 中都要编写数据通讯程序 使用 PPI 协议进行通讯时 PLC 可以不用编程 而且可读写所有数据区 快捷 方便 3 2 1 所需软硬件及网络配置 S7 200 CPU三以台 装有STEP7 V4 0软件的个人电脑一台 PPI编程电缆一条 网络插头及网络电缆 网络配置如图所示 图3 PPI网络结构 3 2 2 端口设置 打开设置端口画面 如图 2 9 所示 利用 PPI RS485 编程电缆单独地把其中一 台 CPU 在系统块里设置端口 0 为 2 号站 波特率为 9 6 千波特 如图 2 10 所示 同样方法设置另一台端口 0 为 3 号站 波特率为 9 6 千波特 最后设置第三台 端口 0 为 4 号站 波特率为 9 6 千波特 分别把系统块下载到 CPU 中 图 4 打开设置端口画面 10 图 5 设置端口 0 参数 利用网络接头和网络线把三台的端口 0 连接 利用 STEP7 V4 0 软件和 PPI RS485 编程电缆搜索出 PPI 网络上的 3 个站 如图 2 11 所示 11 图 6 PPI 网络上的 3 个站 配置完成后分配 I O 口并编写程序 完成通讯任务 3 33 3 S7 200S7 200 之间之间 MPIMPI 通讯通讯 3 3 2MPI 协议简介 MPI是多点通讯接口 MultiPoint Interface 的简称 MPI物理接口符合 Profibus RS485 EN 50170 接口标准 MPI网络的通讯速率为 19 2kbit s 12Mbit s S7 200只能选择19 2kbit s的通讯速率 S7 200通常 默认设置为187 5kbit s 只有能够设置为Profibus接口的MPI网络才支持 12Mbit s的通讯速率 3 3 3MPI 网络组建 用 STEP 7 软件包中的 Configuration 功能为每个网络节点分配一个 MPI 地 址和最高地址 最好标在节点外壳上 然后对 PG OP CPU CP FM 等包括的 所有节点进行地址排序 连接时需在 MPI 网的第一个及最后一个节点接入通讯 终端匹配电阻 往 MPI 网添加一个新节点时 应该切断 MPI 网的电源 12 MPI网络示意图 图 7 MPI 网络连接器 为了保证网络通讯质量 总线连接器或中继器上都设计了终端匹配电阻 组建通讯网络时 在网络拓扑分支的末端节点需要接入浪涌匹配电阻 终端电阻开关 连接 CPU 的 MPI 接口 连接 PG HMI 连接 CPU 的 MPI 接口 具有 PG 接口的标准连接器 无 PG 接口的连接器 采用中继器延长网络连接距离 13 图8 MPI通讯中继网络 MPI通讯主要包括全局数据 GD 通讯方式 无组态连接的MPI通讯方式 有组态连接的MPI通讯方式 3 3 4 全局数据通讯方式 全局数据 GD 通讯方式以 MPI 分支网为基础而设计的 在 S7 中 利用全 局数据可以建立分布式 PLC 间的通讯联系 不需要在用户程序中编写任何语句 S7 程序中的 FB FC OB 都能用绝对地址或符号地址来访问全局数据 最多可 以在一个 项目中的 15 个 CPU 之间建立全局数据通讯 全局数据通讯方式经过设置 MPI 地址 连接网络 生成全局数据表定义扫描速率和状态信息等实现通讯 在 MPI 分支网上实现全局数据共享的两个或多个 CPU 中 至少有一个是数 据的发送方 有一个或多个是数据的接收方 发送或接收的数据称为全局数据 或称为全局数 具有相同 Sender Receiver 发送者 接受者 的全局数据 可以集合成一个全局数据包 GD Packet 一起发送 每个数据包用数据包号码 GD Packet Number 来标识 其中的变量用变量号码 Variable Number 来 标识 参与全局数据包交换的 CPU 构成了全局数据环 GD Circle 每个全局 数据环用数据环号码来标识 GD Circle Number 在 PLC 操作系统的作用下 发送 CPU 在它的一个扫描循环结束时发送全局 14 数据 接收 CPU 在它的一个扫描循环开始时接收 GD 这样 发送全局数据包中 的数据 对于接收方来说是 透明的 也就是说 发送全局数据包中的信号状 态会自动影响接收数据包 接收方对接收数据包的访问 相当于对发送数据包 的访问 3 3 5 无组态连接的 MPI 通讯方式 用系统功能 SFC65 69 可以在无组态情况下实现 PLC 之间的 MPI 的通讯 这种通讯方式适合于 S7 300 S7 400 和 S7 200 之间的通讯 无组态通讯又可 分为两种方式 双向通讯方式和单向通讯方式 无组态通讯方式不能和全局数 据通讯 方式混合使用 经过生成 MPI 硬件工作站 设置 MPI 地址 编写发送站的 通讯程序 编写接收站的通讯程序等步骤完成通讯 单向通讯只在一方编写通讯程序 也就是客户机与服务器的访问模式 编 写程序一方的 CPU 作为客户机 无需编写程序一方的 CPU 作为服务器 客户机 调用 SFC 通讯块对服务器进行访问 SFC67 X GET 用来读取服务器指定数据 区中的数据并存放到本地的数据区中 SFC68 X PUT 用来将本地数据区中的 数据写到服务器中指定的数据区 双向通讯方式要求通讯双方都需要调用通讯块 一方调用发送块发送数据 另一方就要调用接收块来接收数据 3 3 6 组态连接的 MPI 通讯方式 对于 MPI 网络 调用系统功能块 SFB 进行 PLC 站之间的通讯只适合于 S7 300 400 S7 400 400 之间的通讯 S7 300 400 通讯时 由于 S7 300CPU 中不 能调用 SFB12 BSEND SFB13 BRCV SFB14 GET SFB15 PUT 不能主动 发送和接收数据 只能进行单向通讯 所以 S7 300PLC 只能作为一个数据的服 务器 S7 400PLC 可以作为客户机对 S7 300PLC 的数据进行读写操作 不适合于 S7 200 200 之间的通讯 3 43 4 PROFIBUSPROFIBUS 现场总线通讯技术现场总线通讯技术 3 4 1 PROFIBUS 介绍 PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一 PROFIBUS 总线 87 年由 Siemens 公司等 13 家企业和 5 家研究机构联合开发 99 年 PROFIBUS 成为国际 15 标准 IEC 61158 的组成部 分 2001 年批准成为中国的行业标准 JB T 10308 3 2001 3 4 2 PROFIBUS 的组成 PROFIBUS 协议包括 3 个主要部分 PROFIBUS DP 分布式外部设备 PROFIBUS PA 过程自动化 PROFIBUS FMS 现场总线报文规范 PROFIBUS DP 分布式外部设备 PROFIBUS DP 是一种高速低成本数据传输 用于自动化系统中单元级控制 设备与分布式 I O 例如 ET 200 的通讯 主站之间的通讯为令牌方式 主站 与从站之间为主从轮询方式 以及这两种方式的混合 一个网络中有若干个被 动节点 从站 而它的逻辑令牌只含有一个主动令牌 主站 这样的网络为 纯主 从系统 PROFIBUS PA 过程自动化 PROFIBUS PA 用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输 使 用扩展的 PROFIBUS DP 协议 16 工程或 HMI 工具 区域控制器 PLC 段合器 链接器 变送器 IEC 1158 2 with 31 25kBit s RS 485up to 12MBit s PROFIBUS FMS 现场总线报文规范 PROFIBUS FMS 可用于车间级监控网络 FMS 提供大量的通讯服务 用以完 成中等级传输速度进行的循环和非循环的通讯服务 主站 主站 主站 主站 主站 RS 485 up to 12MBit s 3 4 3PROFIBUS协议 17 FMS 设设备备 行行规规 DP 行行规规 PA 行行规规 DP 扩扩充充功功能能 DP 基基本本功功能能 现现场场总总线线信信息息规规范范 现现场场总总线线数数据据链链路路 IEC 1158 2 未未用用 RS 485 光光纤纤 用用户户层层 应应用用层层 7 3 6 数数据据链链路路层层 2 物物理理层层 1 PROFIBUS 导导则则 行行规规 EN 50 170 构 3 4 4 传输技术 PROFIBUS 使用三种传输技术 PROFIBUS DP 和 PROFIBUS FMS 采用相同的传 输技术 可使用 RS 485 屏蔽双绞线电缆传输 或光纤传输 PROFIBUS PA 采用 IEC 1158 2 传输技术 PLC 通信程序设计中应考虑到的问题 1 电缆切换时间的处理 如果使用PC PPI电缆 S7 200CPU接收到报文后 到其发送响 应报文的延迟时间必须大于等于电缆的切换时间 波特率为9600bit s和19200bit s 时 电缆的切换时间分别为2ms和1ms 2 防止结束字符与数据字符混淆 因为报文的结束字符只有8位 接收到的报文数