基于西門子S7-200的電動窗控制系統(tǒng)

摘要：采用S7-200 PLC建立PPI網(wǎng)絡(luò)，并使用組態(tài)軟件組態(tài)王與PPI網(wǎng)絡(luò)中的主站進行通信，實現(xiàn)對某大樓電動窗進行監(jiān)控的PLC分布式系統(tǒng)。從控制要求、硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編程和組態(tài)等方面對系統(tǒng)進行了詳細介紹。實踐表明：通過這種方式建立的PLC監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟性較好，有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：PLC網(wǎng)絡(luò)；PPI；主控PLC；組態(tài)王

0 引言
    西門子工控產(chǎn)品在工控領(lǐng)域應(yīng)用市場中有較高的占有率，S7-200系列PLC是西門子SIMATIC PLC家族中的成員之一，在西門子工控領(lǐng)域應(yīng)用中占有重要地位。S7-200系列PLC體積小，軟硬件功能強大，系統(tǒng)配置方便，一推向市場就在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但是在實際工程應(yīng)用中經(jīng)常會遇到監(jiān)控計算機與S7-200系列PLC通信的問題。由于西門子公司的監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC中沒有集成S7-200系列PLC的通信驅(qū)動程序，所以S7-200不能直接和WinCC相連；S7-200系列PLC的通信協(xié)議也不公開，應(yīng)用第三方軟件編制監(jiān)控程序也有問題。這些問題給S7-200系列PLC的應(yīng)用帶來了一定的限制，本文通過某一工程實例探索了一些使用S7-200作為下位控制器，使用國產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王作為上位監(jiān)控軟件進行通信的方法。

1 系統(tǒng)簡介
    某大樓共有19層，在每個樓層上都安裝了幾個電動開窗器用于通風(fēng)和消防安全。出于集中管理和消防安全的需要，采用分布式控制系統(tǒng)進行控制和管理，在中央控制室設(shè)置了一臺管理計算機，用于管理和監(jiān)控。窗的開關(guān)信號和實際開關(guān)反饋狀態(tài)接到了現(xiàn)場控制器上，通過中央控制室的計算機就能監(jiān)視窗的開關(guān)狀態(tài)，遠程對電動窗進行開啟、關(guān)閉操作，方便管理；另有一路雨量感應(yīng)信號和消防控制信號接到現(xiàn)場控制器上，用于下雨時自動關(guān)窗，有火災(zāi)報警時自動開窗。對控制對象和要求進行分析后決定采用西門子S7-200系列PLC作為現(xiàn)場控制器組成PLC網(wǎng)絡(luò)，每臺PLC作為一個分布式控制器對相應(yīng)的電動窗進行監(jiān)控。在中控計算機上安裝組態(tài)軟件組態(tài)王和PLC網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)對電動窗的管理和監(jiān)控工作。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每臺PLC負責(zé)3個樓層的電動窗的開關(guān)和狀態(tài)監(jiān)視，PLC的安裝位置為3個樓層的中間層。在系統(tǒng)中使用了6臺S7-200CPU224作為現(xiàn)場控制器。由于S7-200 PLC不能直接通過PPI端口互連組成網(wǎng)絡(luò)與主控計算機進行通信，若要增加連網(wǎng)功能必須要增加通信模塊，如增加EM 277進行Proffbus通信，這樣勢必會增加項目的成本。出于滿足功能和控制成本的考慮，在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成上采用了一臺PLC作為主控PLC與其他PLC進行通信，采集其他PLC的信息，發(fā)送指令給其他PLC；主控PLC又與上位機通信，將采集到的其他PLC
的信息傳送到主控計算機，同時將主控計算的指令發(fā)送到其他PLC。

    在PLC型號的選擇上，主控PLC選用CPU224XP，其余PLC選用CPU 224。如圖1所示，1號PLC作為主控PLC不僅要完成自身樓層的邏輯控制，還要完成跟其他PLC之間的通信用于數(shù)據(jù)采集，以及與上位管理計算機的通信。CPU 224XP有2個PPI口，其中port0通過PC／PPI電纜與主控計算機連接，port1以菊花鏈的連接方式與其他PLC連成一個PLC網(wǎng)絡(luò)。由于PLC與PLC之間的通信電纜的長度不是很長，PLC的端口電氣特性上為RS 485信號，所以PLC與PLC的連接直接使用通信電纜連接，未進行信號放大。在PLC網(wǎng)絡(luò)的起始站點和最后一個站點上安裝了終端電阻。
    在主控計算機上使用PC／PPI編程電纜直接與主控PLC相連進行通信。軟件上安裝了組態(tài)軟件組態(tài)王，使用PPI協(xié)議驅(qū)動與主控PLC建立通信。主控PLC利用S7-200的網(wǎng)絡(luò)讀／寫指令直接讀／寫其他PLC的寄存器區(qū)，以此進行信息交換和完成控制功能。
3 控制程序和組態(tài)
    電動窗控制系統(tǒng)的控制要求如下：
    (1)當(dāng)本層發(fā)生火警時，控制本樓層的所有窗打開(其他樓層窗不開)，此時其他任何控制(如開關(guān)、風(fēng)雨信號、中控等)都不能關(guān)窗；當(dāng)火警撤銷時，其他任何控制可正常工作。
    (2)當(dāng)刮風(fēng)下雨時，控制本棟樓的所有窗關(guān)閉，此時開關(guān)和中控不能開窗，但當(dāng)此時本層有火警發(fā)生時，本層所有窗要打開；當(dāng)風(fēng)雨停后，開關(guān)和總控可正常工作。
    由此可見，消防信號的級別最高，當(dāng)某層有消防信號過來時，不論此時窗戶處于何種狀態(tài)都必須打開，其他操作無效；其次為風(fēng)雨信號，若沒有消防信號，所有的窗戶都應(yīng)該關(guān)閉，其他操作無效；最后是正常的開關(guān)信號，包括就地開關(guān)的信號和來自中控計算機的信號。
    根據(jù)上述要求，編寫了相應(yīng)的PLC程序，以某扇窗戶為例，其控制程序如圖2所示。

    對于主控PLC除了要完成相應(yīng)樓層電動窗的邏輯控制以外，還要完成其他PLC的信息采集，以及將上位機的指令傳送到其他PLC的任務(wù)。通過將所有的PLC組成一個PPI網(wǎng)絡(luò)，主控PLC作為PPI主站，在主控PLC中規(guī)劃特定的存儲區(qū)域，使用S7-200的網(wǎng)絡(luò)讀／寫指令就能很好滿足要求。通過這種方式只需在主控PLC端進行必要的設(shè)置和編程，在其他PLC端不需要作任何設(shè)置。在主控PLC中調(diào)用網(wǎng)絡(luò)讀指令NetR將其他PLC的信息讀過來，使用網(wǎng)絡(luò)寫指令將主控計算機的指令發(fā)送到其他PLC。
    在一個PPI網(wǎng)絡(luò)中，與一個從站通信的主站的個數(shù)并沒有限制，但是一個網(wǎng)絡(luò)中主站的個數(shù)不能超過32個。主站既可以讀／寫從站的數(shù)據(jù)，也可以讀／寫主站的數(shù)據(jù)。也就是說，S7-200作為PPI主站時，仍然可以作為從站響應(yīng)其他主站的數(shù)據(jù)請求。一個主站CPU可以讀／寫網(wǎng)絡(luò)中任何其他CPU的數(shù)據(jù)。
    在S7-200的編程軟件S7-200 Micro／Win中有一個網(wǎng)絡(luò)讀／寫指令的配置向?qū)?，只要簡單地使用向?qū)нM行配置，便會自動生成一段通信子程序，在主控PLC的主程序中調(diào)用這段子程序就可以方便地實現(xiàn)主控PLC與其他PPI從PLC的通信。如圖3所示，向?qū)?號PPI從站MB2～MB4的數(shù)據(jù)取出后存到本地PLC(主控PLC)的MB20～MB22區(qū)域，同時本地PLC又將MB17～MB18的數(shù)據(jù)寫到了3號PLC的MB20～MB31區(qū)域。通過這個方式，將遠程PLC的信息存到特定的區(qū)域，將主控PLC的指令寫到遠程PLC的特定區(qū)域就能非常方便地實現(xiàn)信息交換。

    網(wǎng)絡(luò)指令向?qū)瓿珊?，編程軟件會自動生成一個名為NET_EXE的通信子程序，在主控PLC的主程序中調(diào)用這段通信程序，如圖4所示。與此同時要將PPI從站PLC的地址用編程軟件進行設(shè)置，使之與指令向?qū)е姓{(diào)用的PLC地址匹配，在硬件通信鏈路都正常情況下，主控PLC就能實現(xiàn)對整個PPI網(wǎng)絡(luò)中從站PLC的通信。需注意在PPI網(wǎng)絡(luò)中每個站的地址不能重復(fù)。
    主控電腦中的組態(tài)軟件通過PC／PPI電纜與主控PLC CPU224XP的port0建立連接，主控PLC的另一端口port1通過PPI網(wǎng)絡(luò)與其他PLC相連。主控PLC中安裝了組態(tài)軟件組態(tài)王，組態(tài)中有PPI的驅(qū)動，只需采用PPI接口組態(tài)王就能直接主控PLC建立連接。主控計算機只跟主控PLC通信，讀取特定區(qū)域寄存器數(shù)據(jù)，將指令寫到特定區(qū)域中。主控PLC再將這些數(shù)據(jù)通過PPI網(wǎng)絡(luò)送到相應(yīng)的PLC中。通過這種方式實現(xiàn)了主控計算機對整幢樓的電動窗的監(jiān)控工作。

4 結(jié)語
    在某大樓的電動窗監(jiān)控系統(tǒng)中，通過設(shè)立一個主控PLC建立PPI網(wǎng)絡(luò)與其他PLC進行通信，并使用組態(tài)軟件與主控PLC通信，將監(jiān)控信息發(fā)送至主控PLC，由主控PLC與其他PLC進行信息交換的方式，很好地實現(xiàn)了對大樓電動窗的監(jiān)控。該系統(tǒng)調(diào)試完成使用至今，運行正常。通過這種方式進行PLC組網(wǎng)具有一定的參考價值。