劉文波，王孟效，王 鋒

（1.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021；2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，瑞安 325200）

上位機(jī)與S7-200 PLC之間的數(shù)據(jù)交換方法

劉文波1，王孟效1，王 鋒2

（1.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021；2.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，瑞安 325200）

0 引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，PLC得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，PLC除了實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的采集及現(xiàn)場設(shè)備的控制功能之外，還需要能與上位控制計算機(jī)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而通過上位機(jī)實施監(jiān)控。根據(jù)所選則的PLC及上位機(jī)的不同，它們之間的數(shù)據(jù)交換方法也不盡相同。本文針對西門子公司的S7-200系列PLC，研究其與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，并給出其實現(xiàn)方法。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在實際應(yīng)用中，以PLC為控制器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可由圖1表示。其中上位機(jī)用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備運行狀況監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等功能。系統(tǒng)中可使用單臺或多臺PLC，它們與現(xiàn)場設(shè)備之間通過輸入輸出通道進(jìn)行連接，用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備信號采集及控制功能。

圖1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)交換方法及實現(xiàn)

S7-200 是西門子公司推出的一種小型可編程序控制器，相對于S7-300及S7-400系列，S7-200系列PLC與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)交換較為復(fù)雜，上位機(jī)使用不同組態(tài)軟件時，數(shù)據(jù)交換方法也不盡相同。實際應(yīng)用中上位機(jī)組態(tài)軟件主要有兩類實現(xiàn)方式，其一是采用WinCC等專用組態(tài)軟件，另一種是根據(jù)具體應(yīng)用系統(tǒng)采用VC++、VB等編程軟件開發(fā)。根據(jù)所使用的組態(tài)軟件不同，主要有如下數(shù)據(jù)交換方法。

2.1 上位機(jī)采用WinCC組態(tài)軟件

當(dāng)上位機(jī)采用WinCC組態(tài)軟件時，可以通過OPC[2]（OLE for Process Control，過程控制的對象連接和嵌入）、Prof i bus-DP以及自由口通訊等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.1.1 OPC方式

OPC當(dāng)前已成為工業(yè)控制和自動化領(lǐng)域中的接口標(biāo)準(zhǔn)，其將設(shè)備制造商與軟件制造商之間的關(guān)系確定為OPC服務(wù)器與應(yīng)用程序之間的關(guān)系，任何帶OPC接口的應(yīng)用程序都以與一個或多個設(shè)備制造商的OPC服務(wù)器進(jìn)行連接，目前主流設(shè)備制造商都支持OPC協(xié)議通訊。

利用OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實質(zhì)上是OPC客戶端與服務(wù)端之間進(jìn)行連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。為與S7-200進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可將WinCC作為OPC客戶端，并利用西門子公司針對S7-200的OPC軟件PC Access作為服務(wù)端，在兩者間建立連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。此過程中主要軟、硬件分別有上位機(jī)、S7-200 PLC、PPI電纜、WinCC、PC Access，實現(xiàn)方法如下：

1）軟件安裝及硬件連接

上位機(jī)中安裝WinCC、PC Access，并利用PPI電纜連接上位機(jī)與S7-200 PLC。此方式下，上位機(jī)與S7-200 PLC間的連接如圖2所示。

圖2 WinCC與S7-200的OPC方式連接

2）配置PC Access軟件

在PC Access軟件中配置與S7-200 PLC之間的接口，選擇接口為PC/PPI cable(PPI)。

3）配置WinCC軟件

運行WinCC，添加OPC驅(qū)動，利用其作為OPC客戶端，連接由PC Access所建立的OPC服務(wù)器，如圖3所示。

通過以上步驟，即可利用OPC方式實現(xiàn)上位機(jī)與S7-200 PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

圖3 連接OPC服務(wù)器

2.1.2 Profibus-DP總線方式

S7-200自身不帶Profibus-DP接口，需利用擴(kuò)展模塊EM277將其接入到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中。將上位機(jī)作為DP主站，S7-200通過擴(kuò)展EM277作為DP從站。此過程中主要軟、硬件分別有上位機(jī)、S7-200 PLC、CP5611卡、EM277模塊、Prof i bus-DP電纜、WinCC，實現(xiàn)方法如下：

1）軟件安裝及硬件連接

上位機(jī)中安裝WINCC、CP5611卡，在S7-200 PLC上擴(kuò)展EM277模塊，并利用電纜連接上位機(jī)與EM277。此方式下，上位機(jī)與S7-200 PLC間的連接如圖4所示。

圖4 WINCC與S7-200的Profibus-DP方式連接

2）組態(tài)DP網(wǎng)絡(luò)

組態(tài)DP網(wǎng)絡(luò)，CP5611卡配置為主站模式，EM277配置為從站模式，如圖5所示。

圖5 DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3）配置WinCC軟件

運行WinCC，添加Prof i bus-DP驅(qū)動。

通過以上步驟，即可利用Prof i bus-DP方式實現(xiàn)上位機(jī)與S7-200 PLC間的數(shù)據(jù)交換。

2.1.3 自由口方式

由于S7-200的RS485接口支持自由口模式，利用該模式，S7-200可使用自定義的通信協(xié)議與多種智能設(shè)備連接[3]。因而可考慮在WinCC中利用腳本語言通過自由口方式實現(xiàn)與S7-200的數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)作為主機(jī)發(fā)起通信，S7-200作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)命令。此過程中主要軟、硬件分別有上位機(jī)、RS485接口模塊、S7-200 PLC、通信電纜、WinCC，實現(xiàn)方法如下：

1）軟件安裝及硬件連接

在上位機(jī)中安裝WinCC、RS485接口模塊，利用通信電纜連接上位機(jī)與S7-200。此方式下，上位機(jī)與S7-200 PLC間的連接如圖6所示。

圖6 監(jiān)控軟件與S7-200的自由口方式連接

2）自定義通信協(xié)議

參照OSI七層模型，利用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層自定義通信協(xié)議。

（1）物理層

采用RS485接口標(biāo)準(zhǔn)，波特率為9600bps，無校驗，1位停止位。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層

采用主從方式，通信由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)等待主機(jī)請求，然后響應(yīng)。上位機(jī)作為主機(jī)，S7-200 PLC作為從機(jī)。

主從機(jī)之間數(shù)據(jù)幀的傳輸采用RTU模式，每幀6字節(jié)，幀格式如表1所示。每個從機(jī)地址唯一，范圍從1～255，地址0為廣播地址，校驗采用16位CRC，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀包括請求幀、響應(yīng)幀及錯誤幀。其中請求幀由主機(jī)發(fā)往從機(jī)，響應(yīng)幀和錯誤幀由從機(jī)發(fā)往主機(jī)。主機(jī)發(fā)送請求幀后，需等待從機(jī)響應(yīng)才能發(fā)送下一請求幀，若等待超時，也可發(fā)送下一請求幀；若從機(jī)出現(xiàn)狀態(tài)錯誤，則響應(yīng)錯誤幀。

（3）應(yīng)用層

數(shù)據(jù)幀中，地址字段是從機(jī)的唯一標(biāo)識。當(dāng)主機(jī)需與從機(jī)交換數(shù)據(jù)時，在此字段填入地址；命令字段表示主機(jī)命令，范圍從1～255；數(shù)據(jù)字段為兩字節(jié)，根據(jù)不同數(shù)據(jù)幀而有不同內(nèi)容；校驗字段包含對地址、命令、數(shù)據(jù)字段的CRC校驗信息，用于檢驗數(shù)據(jù)傳輸是否出錯。

3）編寫腳本

在WinCC軟件中調(diào)用Mscomm控件，并編寫腳本語言實現(xiàn)與S7-200之間的通信。

2.2 上位機(jī)采用編程軟件開發(fā)監(jiān)控軟件

上位機(jī)除采用專用組態(tài)軟件外，也可采用編程軟件開發(fā)監(jiān)控軟件。此時可以通過OPC、PPI及自由口通訊等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.2.1 OPC方式

編寫OPC客戶端程序，并利用PC Access作為OPC服務(wù)端。此過程中主要軟、硬件分別有上位機(jī)、S7-200 PLC、PPI電纜、PC Access，實現(xiàn)方法如下：

1）軟件安裝及硬件連接

在上位機(jī)中安裝PC Access軟件，并利用PPI電纜連接上位機(jī)與S7-200 PLC。此方式下，上位機(jī)與S7-200 PLC之間的連接如圖7所示。

圖7 監(jiān)控軟件與S7-200的OPC方式連接

2）配置PC Access軟件

在PC Access軟件中配置與S7-200 PLC之間的接口，并建立OPC服務(wù)器。

3）編寫OPC客戶端

編寫OPC客戶端，連接建立的OPC服務(wù)器，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.2.2 自由口方式

在使用自由口方式時，上位機(jī)作為主機(jī)發(fā)起通信，S7-200作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)命令。此過程中，主要硬件及軟件分別有上位機(jī)、RS485接口模塊、S7-200 PLC、通信電纜，實現(xiàn)方法如下：

1）硬件連接

在上位機(jī)中安裝RS485接口模塊，并利用通信電纜連接上位機(jī)與S7-200 PLC。此方式下，上位機(jī)與S7-200 PLC之間的連接如圖8所示。

圖8 監(jiān)控軟件與S7-200的自定義協(xié)議方式連接

2）自定義通信協(xié)議

可采用與使用專用組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時類似的自定義通信協(xié)議。

3）利用Mscomm控件編程實現(xiàn)串口通信

在上位機(jī)監(jiān)控軟件中調(diào)用Mscomm控件，并根據(jù)實際需求編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送及接收。

2.2.3 PPI（Point to Point，點到點）方式

PPI協(xié)議是西門子S7-200系列PLC提供的一種點對點通信方式[4]。其采用主從方式通訊，一次讀寫操作步驟包括：首先上位機(jī)發(fā)出讀寫命令，然后PLC響應(yīng)，上位機(jī)接收響應(yīng)后發(fā)出確認(rèn)申請命令，PLC完成讀寫響應(yīng)并向上位機(jī)回送數(shù)據(jù)。在使用PPI方式交換數(shù)據(jù)時，上位機(jī)作為主機(jī)，S7-200 PLC作為從機(jī)。此過程中主要軟、硬件分別有上位機(jī)、RS485接口模塊、S7-200 PLC，實現(xiàn)方法如下：

1）硬件連接

上位機(jī)中安裝RS485接口模塊，利用通信電纜連接上位機(jī)與S7-200 PLC。此方式下，上位機(jī)與S7-200 PLC之間的連接與自由口方式下類似。

2）利用VB編程模擬實現(xiàn)PPI協(xié)議

利用VB編寫上位機(jī)監(jiān)控軟件，調(diào)用Mscomm控件，通過編程模擬實現(xiàn)PPI協(xié)議，而在S7-200 PLC端則無需編寫通訊程序及制定自定義通訊協(xié)議，大大簡化系統(tǒng)的開發(fā)過程。此過程中主要數(shù)據(jù)報文如下：

表2 數(shù)據(jù)報文格式

其中SD為開始定界符（68H），LE為發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，DA為目標(biāo)地址，SA為源地址，F(xiàn)C為功能碼（讀操作為6CH，寫操作為7CH），DU為數(shù)據(jù)， FCS為校驗碼（和校驗）， ED為結(jié)束字符（16H）。

3 各方法優(yōu)缺點

以上6種方法都可在上位機(jī)與S7-200 PLC之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，適用于不同的控制場合，各有優(yōu)缺點。

當(dāng)上位機(jī)采用WINCC組態(tài)軟件時，采用OPC方式優(yōu)點在于成本較低，只需較少的硬件，連接簡單，且可以讀寫S7-200 PLC中的所有存儲區(qū)域，缺點在于通信速度較慢，適用于低速、對實時性要求不高、投入資金有限的場合；采用Prof i bus-DP方式優(yōu)點在通信速度快，最高可達(dá)12Mbps、實時性好，缺點在于需要較高的硬件成本投入，連接上較為復(fù)雜，適用于對通信速率及實時性要求較高的場合；采用自由口方式優(yōu)點在于成本較低，硬件連接簡單，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)交換的完全控制，缺點在于通信速度較慢，且需要在上位機(jī)及PLC端編寫通信程序，實現(xiàn)較為復(fù)雜，適用于對通信速率及實時性要求不高、投入資金有限的場合。

當(dāng)上位機(jī)采用編程軟件開發(fā)監(jiān)控軟件時，采用OPC方式優(yōu)點在于成本較低，連接調(diào)試簡單，缺點在于通信速度較慢；采用自由口通訊方式優(yōu)點在于編程靈活，對數(shù)據(jù)交換可實現(xiàn)完全控制，缺點在于通信速度較慢，且需要分別在上位機(jī)及PLC端編寫通信程序，實現(xiàn)較為復(fù)雜；采用PPI方式優(yōu)點在于連接簡單，硬件成本較低，缺點在于需對PPI協(xié)議有較為深入的了解，編程較復(fù)雜。

4 結(jié)論

以上給出了上位機(jī)與S7-200 PLC之間的6種數(shù)據(jù)交換方法，這些方法對于不同要求的系統(tǒng)能較好實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。總體說來，當(dāng)上位機(jī)采用WinCC組態(tài)軟件實現(xiàn)監(jiān)控時，功能強(qiáng)大，可靠性高，但軟硬件成本較高，且需要解決WinCC與S7-200 PLC之間的通信問題，適用于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)；而當(dāng)上位機(jī)采用編程軟件開發(fā)監(jiān)控軟件時，靈活性好，軟硬件成本較低，但系統(tǒng)開發(fā)工作量較大，難以保證可靠性，對開發(fā)人員技術(shù)水平要求較高，適用于軟硬件投資有限，希望實現(xiàn)靈活控制功能的系統(tǒng)。在工程實踐中可根據(jù)具體需求選擇不同的方法。

[1]孟強(qiáng),梅大成,秦勃,葉強(qiáng).以單片機(jī)作為S7-200PLC從站的PPI協(xié)議的設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2012,31(17):57-59,62.

[2]王杰,高昆侖,王萬召.基于OPC通信技術(shù)的火電廠DCS后臺控制[J].電力自動化設(shè)備,2013,33(4):142-147.

[3]謝明磊.PLC自由口通信在特殊量監(jiān)測中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010,(10),69-71.

[4]龍慧.基于S7-200 PLC的自動化生產(chǎn)線多站PPI通信實現(xiàn)[J].電氣傳動,2012,42(9):77-80.

Data exchange methods for host computer and S7-200 PLC

LIU Wen-bo1, WANG Meng-xiao1, WANG Feng2

在控制系統(tǒng)中為了實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，上位機(jī)需要與下位PLC之間實時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，針對此問題，研究并總結(jié)了在上位機(jī)采用專用組態(tài)軟件及自編監(jiān)控軟件，并以S7-200 PLC作為下位機(jī)的情況下，上位機(jī)與下位機(jī)之間的多種數(shù)據(jù)交換方法，并分別給出了它們的具體實現(xiàn)方式，通過數(shù)據(jù)交換，能有效實施對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和集中管理。

上位機(jī)；S7-200；數(shù)據(jù)交換

劉文波（1981 -），男，湖北天門人，講師，博士，研究方向為控制理論與控制工程。

TP273+.5

A

1009-0134(2015)07(下)-0028-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).08

2015-03-18

陜西省科技計劃經(jīng)費資助項目（2014K05-03）；陜西科技大學(xué)科研啟動基金項目（BJ11-07）