s7-200smart plc的通信與自動化通信網(wǎng)絡

1、PLC的通信與自動化通信網(wǎng)絡,6.1 計算機通信概述6.1.1 串行通信 1．并行通信與串行通信 并行數(shù)據(jù)通信以字節(jié)或字為單位傳輸數(shù)據(jù)，已很少使用。 串行數(shù)據(jù)通信每次只傳送二進制數(shù)的一位。最少只需要兩根線就可以組成通信網(wǎng)絡。 2．異步通信與同步通信 接收方和發(fā)送方的傳輸速率的微小差異產生的積累誤差，可能使發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)錯位。異步通信采用字符同步方式（見圖6-1），通信雙方需要對采用

2、的信息格式和數(shù)據(jù)的傳輸速率作相同的約定。接收方將停止位和起始位之間的下降沿作為接收的起始點，在每一位的中點接收信息。,奇偶校驗用硬件保證發(fā)送方發(fā)送的每一個字符的數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位中“1”的個數(shù)為偶數(shù)或奇數(shù)。接收方用硬件對接收到的每一個字符的奇偶性進行校驗，如果奇偶校驗出錯，SM3.0為ON?？梢栽O置為無奇偶校驗。 同步通信的發(fā)送方和接收方使用同一個時鐘脈沖。接收方可以通過調制解調方式得到與發(fā)送方同步的接收時鐘信號。 3

3、．單工通信與雙工通信 單工通信只能沿單一方向傳輸數(shù)據(jù)，雙工通信每一個站既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)。 全雙工方式通信的雙方都能在同一時刻接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 半雙工方式通信的雙方在同一時刻只能發(fā)送數(shù)據(jù)或只能接收數(shù)據(jù)。 4．傳輸速率 單位為bit/s或bps 。,6.1.2 串行通信的端口標準 1．RS-232C RS-232C的最大通信距離為15m，最高傳輸速率為20k

4、bit/s，只能進行一對一的通信。RS-232C使用單端驅動、單端接收電路，容易受到公共地線上的電位差和外部引入的干擾信號的影響。 2．RS-422A RS-422A采用平衡驅動、差分接收電路，因為接收器是差分輸入，兩根線上的共模干擾信號互相抵消。在最大傳輸速率10Mbit/s時，最大通信距離為12m。傳輸速率為100kbit/s時，最大通信距離為1200m，一臺驅動器可以連接10臺接收器。,6.2 計算機通信的國際標

5、準6.2.1 開放系統(tǒng)互連參考模型 物理層的下面是物理媒體，例如雙絞線、同軸電纜和光纖等。物理層定義了傳輸媒體端口的機械、電氣功能和規(guī)程的特性。 數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)以幀為單位傳送，每一幀包含數(shù)據(jù)和同步信息、地址信息和流量控制信息等。通過校驗、確認和要求重發(fā)等方法實現(xiàn)差錯控制。 應用層為用戶的應用服務提供信息交換，為應用接口提供操作標準。,3．RS-485 RS-422A是全雙工，用4根導線傳送數(shù)據(jù)。RS

6、-485是RS-422A的變形，為半雙工，使用雙絞線可以組成串行通信網(wǎng)絡，構成分布式系統(tǒng)。,6.2.2 IEEE 802通信標準 1．CSMA/CD （帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問 ）的基礎是以太網(wǎng)。 每個站都是平等的，采用競爭方式發(fā)送信息到傳輸線上，“先聽后講”和“邊聽邊講”。其控制策略是競爭發(fā)送、廣播式傳送、載體監(jiān)聽、沖突檢測、沖突后退和再試發(fā)送。以太網(wǎng)越來越多地在底層網(wǎng)絡使用。 2．令牌總線 令牌

7、繞邏輯環(huán)周而復始地傳送。要發(fā)送報文的站等到令牌傳給自己，判斷為空令牌時才能發(fā)送報文。令牌沿環(huán)網(wǎng)循環(huán)一周后返回發(fā)送站時，如果報文已被接收站復制，發(fā)送站將令牌置為“空”，送上環(huán)網(wǎng)繼續(xù)傳送，以供其他站使用。,3．令牌環(huán)用得少 4．主從通信方式 主從通信網(wǎng)絡有一個主站和若干個從站。主站向某個從站發(fā)送請求幀，該從站接收到后才能向主站返回響應幀。主站按事先設置好的輪詢表的排列順序對從站進行周期性的查詢。6.2.3 現(xiàn)場總線及其國

8、際標準 1．現(xiàn)場總線 IEC對現(xiàn)場總線的定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線”。 2．現(xiàn)場總線的國際標準 （1）IEC 61158 IEC 61158第4版采納了經過市場考驗的20種現(xiàn)場總線（見表6-1）。其中約一半是實時以太網(wǎng)。 （2）IEC 62026 IEC 62026是供低壓開關設備與控制設備使用的控制器電氣接

9、口標準。,6.3 基于以太網(wǎng)的S7協(xié)議通信6.3.1 S7-200 SMART之間的以太網(wǎng)通信 1．S7協(xié)議 S7協(xié)議是專為西門子控制產品優(yōu)化設計的通信協(xié)議，它是面向連接的協(xié)議。 S7-200 SMART只有S7單向連接功能。單向連接中的客戶機（Client）是向服務器（Server）請求服務的設備，客戶機調用GET/PUT指令讀、寫服務器的存儲區(qū)。服務器是通信中的被動方，用戶不用編寫服務器的S7通信程序，S7通信

10、由服務器的操作系統(tǒng)完成。 2． GET指令與PUT指令 GET指令從遠程設備讀取最多222B的數(shù)據(jù)。PUT指令將最多212B的數(shù)據(jù)寫入遠程設備。連接建立后，該連接將保持到CPU進入STOP模式。 3．用GET/PUT向導生成客戶機的通信程序 用GET/PUT向導建立的連接為主動連接，CPU是S7通信的客戶機。通信伙伴作為S7通信的客戶機時，不需要用GET/PUT指令向導組態(tài)，建立的連接是被動連

11、接。 在第1頁（操作）生成名為“寫操作”和“讀操作”的兩個操作。最多允許組態(tài)24項獨立的網(wǎng)絡操作。通信伙伴可以具有不同的IP地址。,在第2、3頁設置操作的類型分別為PUT和GET、要傳送的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)、遠程CPU的IP地址、本地和遠程CPU保存數(shù)據(jù)的起始地址。 在第4頁（存儲器分配）設置用來保存組態(tài)數(shù)據(jù)的V存儲區(qū)的起始地址。 第5頁（組件）顯示用于實現(xiàn)要求的組態(tài)的項目組件默認的名稱。 在第6頁（生成）單擊

12、“生成”按鈕，自動生成用于通信的子程序等。 4．調用子程序NET_EXE,客戶機和服務器的程序首次掃描時將保存接收到的數(shù)據(jù)的地址區(qū)清零，給要發(fā)送的地址區(qū)置初始值。每秒鐘將要發(fā)送的第一個字VW100加1。 5．S7-200 SMART之間的以太網(wǎng)通信實驗 將用戶程序和系統(tǒng)塊下載到作為客戶機和服務器的兩塊CPU。用以太網(wǎng)電纜連接編程計算機、客戶機和服務器，令CPU運行在RUN模式，如果通信成功，可以看到雙方

13、接收到的第一個字VW300每秒鐘加1，接收到的其他的字應是對方用FILL_N指令寫入的初始值。6.3.2 S7-200 SMART與其他S7 PLC的以太網(wǎng)通信 1．S7-300作客戶機的S7通信 在S7通信中，S7-300/400作客戶機，S7-200 SMART作服務器。在STEP 7的硬件組態(tài)工具中，設置以太網(wǎng)端口的IP地址和子網(wǎng)掩碼。在網(wǎng)絡組態(tài)工具中，創(chuàng)建一個S7連接，連接伙伴為默認的“未指定”。在S7連接屬

14、性對話框中，設置S7-200 SMART的IP地址和雙方的TSAP（傳輸層服務訪問點）。連接由S7-300/400建立。 在S7-300/400的OB1中調用功能塊GET/PUT來讀寫S7-200 SMART的數(shù)據(jù)區(qū)。,2．S7-1200作客戶機的S7通信 S7-1200有集成的以太網(wǎng)端口，在博途中設置S7-1200的IP地址和子網(wǎng)掩碼，生成以太網(wǎng)，添加一個S7連接。連接伙伴為“未指定”，由S7-1200建立連接。在該連

15、接的屬性視圖的“屬性”選項卡中，設置S7-200 SMART的以太網(wǎng)端口的IP地址和通信雙方的TSAP。在OB1中調用GET和PUT功能塊來讀寫S7-200 SMART的數(shù)據(jù)區(qū)。 3．S7-1200作服務器的S7通信 S7-200 SMART作客戶機的程序見例程“以太網(wǎng)客戶機”。 在S7-1200的項目中，只需要設置S7-1200的IP地址和子網(wǎng)掩碼，不用編寫通信程序。 6.4 PPI網(wǎng)絡 1．S7-

16、200 SMART的串行通信端口 S7-200 SMART CPU有一個集成的RS-485端口（端口0），還可以選配一塊RS232/RS485 CM01信號板（端口1），它們分別可以與變頻器、人機界面（HMI）等設備通信，每個端口支持4個HMI設備。 RS-485每個網(wǎng)絡最多可以有126個節(jié)點。中繼器用來將網(wǎng)絡分段，每個網(wǎng)段最多32個設備，網(wǎng)絡中各設備的地址不能重疊。12Mbit/s時最大傳輸距離為100m，187.5k

17、bit/s時為1000m。,4．網(wǎng)絡連接器 終端電阻可吸收網(wǎng)絡上的反射波，有效地增強信號強度。網(wǎng)絡終端的連接器上的開關應放在On位置（接入終端電阻），網(wǎng)絡中間的連接器上的開關應放在Off位置。 5．網(wǎng)絡中繼器 中繼器用來將網(wǎng)絡分段，每個網(wǎng)段最多32個設備，中繼器可擴展網(wǎng)絡長度。 6．PPI協(xié)議 PPI是一種主站-從站協(xié)議，HMI是通信主站，S7-200 SMART在通信網(wǎng)絡中作為從站。,6.5

18、 自由端口模式通信6.5.1 通信指令 1．自由端口模式 自由端口模式由用戶自定義與其他設備通信的協(xié)議。Modbus RTU通信協(xié)議和USS協(xié)議就是自由端口模式的通信協(xié)議。 RS-232/PPI多主站電纜和將USB映射為COM口的國產USB/PPI電纜支持自由端口通信。 2．自由端口模式的參數(shù)設置 CPU處于STOP模式時，自由端口模式被禁止，CPU通過PPI協(xié)議與編程設備通信。只有

19、當CPU處于RUN模式時，才能使用自由端口模式。自由端口模式用控制字節(jié)SMB30/130設置端口的波特率和奇偶校驗等參數(shù)（見表6-6）。 3．發(fā)送指令XMT 發(fā)送指令可發(fā)送1~255字節(jié)的數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖區(qū)的第一個字節(jié)是要發(fā)送的字節(jié)數(shù)，它本身并不發(fā)送出去。,4．接收指令RCV 接收指令RCV用于起動或終止接收消息的服務。接收結束后產生中斷。消息接收的狀態(tài)字節(jié)見表6-7。 5．接收指令開始接收數(shù)據(jù)的條件見表

20、6-8。 6．接收指令終止接收的方式見表6-8。6.5.2 自由端口模式的串行通信程序設計 1．接收消息的過程 采用主從方式和異或校驗，計算機為主站，PLC為從站。 1）在邏輯條件滿足時，啟動RCV指令，進入接收等待狀態(tài)。 2）在設置的消息起始條件滿足時，進入消息接收狀態(tài)。 3）如果滿足了設置的消息結束條件，CPU結束消息的接收，退出接收狀態(tài)。 【例6-1】用RCV指令和

21、接收完成中斷接收數(shù)據(jù)。用空閑線條件和初始字符作為消息開始的條件。用消息定時器來結束消息接收，最大字符數(shù)為20。消息定時器的定時時間為實際的傳輸時間的1.5倍。采用異或校驗保證通信的可靠性。 RCV指令的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的第一個字節(jié)VB100用來累計接收到的字節(jié)數(shù)，它本身不是接收到的。,6.5.3 串口通信調試軟件與串口通信實驗 1．USB/PPI適配器 USB/PPI適配器用于連接計算機的USB端口和S7-200 S

22、MART的串行端口。某些國產的USB電纜實際上是USB/RS-232C轉換器和PC/PPI適配器的組合，它將USB端口映射為一個RS-232C端口（俗稱為COM口）。 2．計算機與PLC串口通信的組態(tài) 安裝好USB電纜的驅動程序后，USB端口被映射為RS-232C端口（例如COM3）。 在控制面板中打開“設置PG/PC接口”對話框。選中通信接口列表中的“PC/PPI Cable（PPI）”，單擊“屬性”按鈕，設置傳輸速率

23、和計算機與PLC通信使用的映射的COM端口。 3．串口通信調試軟件簡介 可以選擇字符串、十進制或十六進制這3種數(shù)據(jù)格式，可計算常用的校驗碼，生成常用的多種協(xié)議格式的幀。 6．串口通信調試軟件應用實例 將例程“接收完成中斷Port0通信”下載到CPU，將CPU切換到RUN模式。 關閉編程軟件，打開串口通信調試軟件，設置端口的參數(shù)。,將要發(fā)送的十六進制數(shù)輸入“發(fā)送幀”文本框。單擊“計算校驗碼”按鈕，

24、再單擊“異或”按鈕，將生成的校驗碼附在“發(fā)送幀”文本框中數(shù)據(jù)字節(jié)之后。添加起始字符16#FF。單擊“發(fā)送”按鈕，應能接收到PLC返回的內容相同的消息。關閉串口通信調試軟件，將CPU切換到STOP模式。打開編程軟件，用狀態(tài)圖表觀察從VB100開始的接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。 發(fā)送一個錯誤的校驗碼，顯示接收超時，校驗錯誤指示位Q1.0被置為ON。6.6 Modbus協(xié)議在通信中的應用6.6.1 Modbus 通信協(xié)議

25、 Modbus串行鏈路協(xié)議是主-從協(xié)議，有一個主站，1～247個子站。RTU模式用循環(huán)冗余校驗（CRC）進行錯誤檢查，消息最多256B。通信端口被Modbus通信占用時，不能用于其他用途。6.6.2 Modbus RTU從站協(xié)議通信的編程 用S7-200 SMART作Modbus從站，其程序見圖6-29。其V存儲區(qū)（保持寄存器）的起始地址HoldStart為VB200，庫存儲區(qū)的起始地址為VB2200。3個Max參數(shù)是主

26、站可訪問的I、Q和保持寄存器的最大個數(shù)。,1．MBUS_INIT指令 首次掃描時執(zhí)行一次MBUS_INIT指令，初始化Modbus從站協(xié)議。設置從站地址為1，端口0的波特率為19200bit/s，無奇偶校驗，延遲時間為0，允許訪問所有的I、Q、AI和從VB200開始的1000個保持寄存器字。 2．MBUS_SLAVE指令 用于處理來自Modbus主站的請求服務。 3．分配庫存儲器 4．Modbus

27、 RTU通信幀的結構與Modbus從站協(xié)議功能 本節(jié)的內容主要供上位計算機軟件的編程人員編寫Modbus主站通信程序時使用。《PLC編程及應用》第4版給出了各Modbus功能的請求幀和響應幀的結構，以及計算機作主站、PLC作從站的通信實例。 實際中使用得最多的是PLC作Modbus RTU主站，變頻器等其他設備作從站。,6.6.3 基于Modbus RTU主站協(xié)議的通信 1．MBUS_CTRL指令 MB

28、US_CTRL指令用于初始化、監(jiān)視或禁用Modbus通信。圖6-31中該指令設置端口0的模式為1，啟用Modbus協(xié)議。波特率為19200bit/s，無奇偶校驗，等待從站作出響應的時間Timeout為1000ms。 指令如果被成功執(zhí)行，輸出位Done為ON。Error包含指令執(zhí)行后的錯誤代碼。 2．MBUS_MSG指令 MBUS_MSG指令用于向Modbus從站發(fā)送請求消息，以及處理從站返回的響應消息。

29、EN輸入和輸入?yún)?shù)First同時接通時，MBUS_MSG指令向Modbus從站發(fā)送主站請求。Slave是Modbus從站的地址（1～247）。 參數(shù)RW（讀寫）為0時為讀取，為1時為寫入。 參數(shù)Addr（地址）是要讀寫的Modbus起始地址。 參數(shù)Count用于設置要讀寫的位數(shù)據(jù)的位數(shù)或字數(shù)據(jù)的字數(shù)。最多120個字或1920個位。,參數(shù)DataPtr是間接尋址的地址指針，指向主站CPU中保存與讀/寫請求有關的數(shù)據(jù)

30、的V存儲區(qū)。Modbus地址表中的保持寄存器對應于S7-200的V存儲器字。 CPU在發(fā)送請求和接收響應時，Done（完成）輸出為OFF。響應完成或MBUS_MSG指令因為錯誤中止時，Done（完成）輸出為ON。某一時刻只能有一條MBUS_MSG指令處于激活狀態(tài)。 4．從站的程序 從站程序見圖6-29。圖6-31中MBUS_MSG指令的Modbus地址40001對應于從站的VB200；40005對應于VB208。

31、 5．程序的執(zhí)行過程 1）首次掃描時，用FILL_N指令將保存讀取的數(shù)據(jù)的地址區(qū)VW108～VW114清零，復位MBUS_MSG指令的使能標志M2.0和M2.1。,2）在I0.0的上升沿置位M2.0，執(zhí)行第一條MBUS_MSG指令，將主站的VW100～VW106的值寫入保持寄存器40001～40004，即從站的VW200～VW206。 3）第一條MBUS_MSG指令執(zhí)行完時，Done（M0.1）變?yōu)镺N，M2.0

32、被復位，停止執(zhí)行第一條MBUS_MSG指令。M2.1被置位，開始執(zhí)行第二條 MBUS_MSG指令，讀取保持寄存器40005～40008（從站VW208開始的4個字），保存到主站從VW108開始的4個字。指令執(zhí)行出錯則置位Q0.1。 4）第二條MBUS_MSG指令執(zhí)行完時，Done（M0.2）變?yōu)镺N，M2.1被復位，停止執(zhí)行第二條MBUS_MSG指令。指令執(zhí)行出錯則置位Q0.2。,6.7 S7-200 SMART與變頻器

33、的USS協(xié)議通信6.7.1 硬件接線與變頻器參數(shù)設置 1．連接宏 連接宏類似于配方，V20變頻器的手冊提供了每種連接宏的外部接線圖，選中某種連接宏后，有關的參數(shù)被自動設置為該連接宏的默認值，用戶只需按自己的要求修改少量的參數(shù)值。應用宏針對某種特定的應用提供一組相應的參數(shù)設置。有水泵、風機、壓縮機和傳送帶4個應用宏。 2．硬件接線見圖6-36，兩側的0V端子不能通過保護接地網(wǎng)絡相連。,4．設置連接宏、應用宏和

34、其他參數(shù) 用V20內置的基本操作面板設置變頻器的額定參數(shù)，選中USS連接宏Cn010，通信參數(shù)見表6-12。 6.7.2 USS通信的組態(tài)與編程 2．USS指令 在USS通信中，PLC作主站，變頻器作從站。 3．調用USS_INIT指令 USS_INIT指令用于啟用、初始化或禁用與西門子變頻器的通信。一般在首次掃描時執(zhí)行一次USS_INIT指令。 圖6-38的參數(shù)Mode為1時啟用U

35、SS協(xié)議，波特率為19200bit/s。如果要激活的變頻器的地址為N（N=0～31），令雙字Active的第N位為1?？梢酝瑫r激活多臺變頻器。圖6-38僅激活了1號變頻器。 指令執(zhí)行完后，Done輸出位被立即置位，輸出字節(jié)Error中為協(xié)議執(zhí)行的錯誤代碼。,4．調用USS_CTRL指令 USS_CTRL指令用于控制一臺激活的變頻器。Drive是變頻器的地址（0～31），V20系列變頻器的類型（Type）為1。

36、Speed_SP是用組態(tài)的基準頻率的百分數(shù)表示的頻率設定值，負值將使變頻器反方向旋轉。參數(shù)RUN用于起/停變頻器，OFF2為ON電動機慣性停車，OFF3為ON快速停車。DIR用于控制電動機的旋轉方向。F_ACK是故障確認位。 Speed是基準頻率的百分數(shù)表示的變頻器輸出頻率的實際值。Status是變頻器返回的狀態(tài)字。Run_EN為ON表示變頻器正在運行。D_Dir是電動機的旋轉方向。 5．設置USS通信的V存儲器區(qū)

37、 單擊“文件”菜單中的“存儲器”按鈕，設置USS庫所需V存儲器的起始地址。,6.7.3 USS協(xié)議通信的實驗 1．PLC監(jiān)控變頻器的實驗 用基本操作面板BOP設置好變頻器的參數(shù)。將程序下載后運行程序。用以太網(wǎng)端口監(jiān)控PLC，啟動程序狀態(tài)監(jiān)控功能。用BOP顯示變頻器的頻率。 用右鍵菜單命令設置以百分數(shù)為單位的VD36中的實數(shù)頻率設定值。 用I0.0啟動、停止電動機，用I0.2和I0.3使電機自然停機

38、和快速停機。用I0.3改變電機的旋轉方向。通過改變VD36中的頻率設定值的符號改變電機方向。6.7.4 用PLC讀/寫變頻器的參數(shù) 1．讀/寫變頻器參數(shù)的指令,2．讀/寫變頻器參數(shù)的編程 圖6-43的指令分別用來改寫和讀取1號變頻器的參數(shù)724（數(shù)字量輸入的防抖動時間）。該參數(shù)沒有下標，指令中的下標Index的值可以設為0。DB_Ptr用來設置大小為16B的緩沖區(qū)的地址。Value是要寫入變頻器的參數(shù)值或讀取到的參數(shù)