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扫码移动阅读 第 41 卷 第 3 期 2020 年 6 月 煤矿机电 Colliery Mechanical & Electrical Technology Vol.41 No. 3 Jun. 2020 程凤霞. 锚杆电液控制系统与上位机通信的实现[J]. 煤矿机电ꎬ2020ꎬ4138 ̄11. doi10. 16545/ j. cnki. cmet. 2020. 03. 003 锚杆电液控制系统与上位机通信的实现∗ 程凤霞 中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司ꎬ 山西 太原 030006 摘 要 介绍了 S7 ̄200 PLC 的特点及 OPC 技术ꎬ提出了以 S7 ̄200 为核心的控制系统与上位机通 信的可行性方案ꎮ 在原电气系统的基础上对硬件进行改造及组态设置、软件设计ꎬ以 OPC Server 为媒介实现与上位机信息交互ꎬ并利用 PC Access 的客户端通信测试功能ꎬ模拟验证与上位机的通 信成功ꎬ对后续类似系统的改造起到了指导作用ꎮ 关键词 可编程控制器PLCꎻ OPC 技术ꎻ OPC Server 组态软件ꎻ PC Access 通信方式ꎻ 客户端 通信 中图分类号TD353 + . 9ꎻ TP271 + . 31 文献标志码A 文章编号1001 -0874202003 -0008 -04 Implementation of Communication between Bolt Electro ̄hydraulic Control System and Host Computer CHENG Fengxia CCTEG Taiyuan Research Institute Co. ꎬ Ltd. ꎬ Taiyuan 030006ꎬ China Abstract The characteristics of S7 ̄200 PLC and OPC technology have been introducedꎬ and the feasible scheme of communication between the control system with S7 ̄200 as the core and the host computer has been put forward. On the basis of the original electrical systemꎬ the hardware has been transformedꎬ the configuration has been setꎬ and the software has been designed. The OPC Server has been used as the medium to implement the information interaction with the host computerꎬ and the communication with the host computer has been simulated and verified by using the client communication test function of PC Accessꎬ which has played a guiding role in the subsequent transformation of similar systems. Keywords programmable logic controller PLCꎻ OPC technologyꎻ OPC Server configuration softwareꎻ PC Access communication modeꎻ client communication ∗山西省自然科学基金资助项目201801D121189 0 引言 煤炭是我国重要的能源资源ꎮ 煤矿开采技术的 发展进步ꎬ不仅依赖于采煤工艺的发展ꎬ还与设备的 技术先进性息息相关ꎮ 计算机工业技术不断发展并 在各行各业得到了普及应用ꎮ 煤炭生产的地面集中 监控信息化平台的使用ꎬ是计算机技术在煤炭自动 化发展过程中的成功应用ꎮ 为了丰富远控平台的采 集信息ꎬ更好地服务于煤矿生产ꎬ采煤工作面设备必 须具有数据远程传输功能ꎬ以便将工作过程中的一 系列关键参数信息通过工业以太网传输到地面监控 中心ꎮ 本文提出了以 S7 ̄200 为核心的控制系统与 上位机通信的可行性方案ꎬ并对锚杆电液控制系统 进行了技术改造ꎮ 1 S7 ̄200 PLC 及 OPC 技术 S7 ̄200 PLC 是一种小型可编程控制器ꎬ它以程 序控制方式实现逻辑控制ꎬ替代了继电器的复杂硬 线连接ꎬ并可轻松实现复杂的自动化控制ꎬ且在煤矿 设备电气系统的设计中得到了广泛应用ꎮ 基于 S7 ̄ 200 的电控系统要实现与上位机的通信ꎬ监控上位 机需单独选择组态软件ꎬ而 WinCC 类国产组态软件 是首要选择ꎮ S7 ̄200 类小型 PLC 在上市初期ꎬ由于 市场定位偏差ꎬ与组态软件开发厂商缺乏沟通ꎬ导致 对这类 PLC 通信驱动的支持不充分ꎬ不能成功地实 现与 S7 ̄200 PLC 系统的直接数据传递ꎬ需要 OPC Server 作为组态软件与 PLC 控制系统的中间桥梁对 系统进行数据采集和控制ꎮ S7 ̄200 控制系统与组 态软件的通信原理如图 1 所示ꎮ 图 1 S7 ̄200 控制系统与组态软件的通信原理 OPC 是 OLE 的缩写ꎬ它不依赖于计算机语言、 操作系统及硬件平台ꎬ是面向对象程序设计的一种 规范ꎬ包括 OPC Server 和 OPC Client 两个部分ꎮ 利 用这两部分ꎬ可在 PLC 控制系统和上位机监控系统 间建立一整套“规则”ꎬ从而实现两者之间数据的透 明访问ꎮ 因此ꎬOPC 成为工业控制领域一种标准的 数据访问机制[1 ̄2]ꎮ 根据硬件的不同ꎬOPC Server 也多种多样ꎮ 支 持 S7 ̄200 PLC 的 OPC Serverꎬ常用专用软件 PC Ac ̄ cess 作为 OPC Server 软件ꎬ实现与任何标准的 OPC Client 端数据信息的传递ꎮ 2 新锚杆电液控制系统的硬件构成 液压锚杆钻机电控系统ꎬ是以西门子控制器 S7 ̄200 为控制核心的数据采集和控制系统ꎬ其具有 系统结构简单ꎬ工作稳定可靠等特点ꎮ 该控制系统 的控制对象有油泵电动机、照明灯、荧光灯、语音报 警装置等ꎬ可采集的信号有电动机电流、行走压力、 锚钻压力、瓦斯报警信号及其他各种保护、控制信 号ꎮ 原电控系统控制单元结构如图 2 所示ꎮ 图 2 原电控系统控制单元结构 以 S7 ̄200 为核心的电控系统要实现与上位机 的通信ꎬ需要具备与 PC Access 通信的硬件接口ꎬ接 口的选择则取决于 PC Access 的通信方式ꎮ PC Ac ̄ cess 支持的通信方式有 PPI 通信、以太网通信、Mo ̄ dem 调制解调器通信ꎮ 在这 3 种通信方式的选择 中ꎬ考虑到通信双方本身硬件的配置、因通信方式而 增加的硬件成本、走线便捷性等ꎬ最后选择以太网通 信来实现双方信息的交互[3 ̄6]ꎮ 新锚杆电液控制系统就是以原电控系统为基 础ꎬ增加了将 S7 ̄200 电控系统连接到工业以太网的 通信处理器 以太网模块ꎬ并使用 STEP 7 Micro/ WINꎬ通过以太网模块对 S7 ̄200 进行远程组态、编 程和诊断ꎮ 升级改造后的电控系统控制单元结构如 图 3 所示ꎮ 图 3 改造后的电控系统控制单元结构 西门子公司具有专用的以太网模块 CP243 ̄1ꎬ 它作为以太网通信处理器ꎬ可以将以 S7 ̄200 为核心 的控制系统连接到工业以太网IE中ꎮ CP243 ̄1 以 太网模块是一种连接在 S7 ̄200 上的智能扩展模块ꎬ 并不是和所有 S7 ̄200 的 CPU 都兼容ꎬ它所适用的 CPU 如表 1 所示ꎮ 表 1 CP243 ̄1 和 S7 200 CPU 的兼容 CPU描述 CPU 222 版本 1.10 或更高 CPU 222 DC/ DC/ DC 和 CPU 222 AC/ DC 继电器 CPU 224 版本 1.10 或更高 CPU 224 DC/ DC/ DC 和 CPU 224 AC/ DC 继电器 CPU 222XP 版 本 2. 00 或 更高 CPU224XPDC/ DC/ DC和CPU 224XP AC/ DC 继电器 CPU 226 版本 1.10 或更高 CPU 226 DC/ DC/ DC 和 CPU 226 AC/ DC 继电器 CP243 ̄1 以太网模块可以独立地处理在工业以 太网上传输的数据ꎬ其特点为 1 通信是基于 TCP/ IP 协议的ꎮ 2 可以作为通信的客户端或服务器端ꎬ从而使 S7 ̄200 CPU 通过以太网和其他 S7 控制系统或 PC 之间进行通信ꎮ 最多可建立 8 个连接ꎮ 3 集成 S7 ̄OPC 服务器之后ꎬ可以实现 PC 应用ꎮ 4 CP243 ̄1 以太网模块可以使得 S7 ̄200 编程 软件、STEP7 ̄Micro/ WIN 通过以太网直接访问 S7 ̄ 200 CPUꎮ 92020 年第 3 期程凤霞锚杆电液控制系统与上位机通信的实现 3 网络组态 以太网基于 IEEE 802. 3 标准ꎬ其通信协议基于 ISO 和 TCP/ IP 技术ꎮ CP243 ̄1 以太网模块是以高达 100 Mbit/ s 的速度经由网络进行数据传输ꎬ并最多 可同时支持 8 个连接ꎮ 上位机要利用 CP243 ̄1 实现通过以太网对 S7 ̄ 200 CPU 的数据访问ꎬ需在软件编写界面中进行以 下设置 用 STEP7 ̄Micro/ WIN 软件ꎬ 在 Tools Ethernet Wizard以太网向导中对 CP243 ̄1 进行配 置ꎬ设定 CP243 ̄1 模块的位置、IP 地址、模块命令字 节及连接数、与上位机的连接配置、存储区分配ꎬ如 图 4 所示ꎮ a 模块位置配置 b IP 地址配置 c 命令字节及连接数配置 d 上位机连接配置 e 存储区配置 图 4 CP243 ̄1 网络模块配置 在配置过程中ꎬ首先根据 S7 ̄200 电控系统中各 个模块的安装位置来确定需要进行配置的 CP243 ̄1 模块ꎮ 由图 3 中可以看到ꎬCP243 ̄1 紧紧挨着 S7 ̄ 200 PLC 安装ꎬ故需要编辑的配置为 ETH 配置 0模 块 0ꎮ 然后为 CP243 ̄1 设定子网掩码、IP 地址等ꎬ 并要保证 CP243 ̄1 的 IP 地址和上位 PC 机的 IP 地 址在一个网段上ꎮ 设置 CP243 ̄1 模块占用的输出字 节地址及访问连接数量ꎮ 在系统设计安装中ꎬ CP243 ̄1 模块安装在紧挨 S7 ̄200 PLC 的 0 号槽ꎬ其 前面的 S7 ̄200 PLC 的输出占用了 QB0 和 QB1 2 个 输出字节ꎮ CP243 ̄1 的输出字节地址按顺序排ꎬ设 定为 QB2ꎮ 电控系统既可作为 Server服务器端ꎬ 也可作为 Client客户端ꎮ 本系统设计中ꎬ电控系 统作为 ServerꎬPC 机作为 Clientꎮ Client 通过访问 Server 中的 PC Accessꎬ实现与 S7 ̄200 PLC 的通信ꎬ 从而直接读取 PLC 中存储的信息ꎮ 访问 Server 的 Client 可以为 1 个ꎬ也可以为多个ꎬ但最多不得超过 8 个ꎮ 在网络中同时访问 Server 的 Client 数量即为 连接数量ꎬ实际应用中ꎬ仅一个监测中心的上位机访 问该电控系统ꎬ故连接数量设置为 1 个ꎮ 接下来ꎬ指 定连接应当用作客户机还是服务器ꎬ并配置每个连 接的相关属性ꎮ 最后ꎬ为 CP243 ̄1 模块的配置信息 设定一个 V 存储区ꎬ该存储区大小根据实际设置而 定ꎮ 在设置时只需指定该存储区的初始地址即可ꎮ 初始地址既可使用系统建议地址ꎬ也可手动设置ꎮ 设置完成后的 V 存储区地址不能与程序中已经使 用的地址相冲突ꎮ 4 软件设计 在原程序基础上要实现数据上传ꎬ需对新加的 网络模块 CP243 ̄1 模块进行初始化设置ꎬ以实现与 PC Access 软件的通信ꎮ S7 ̄200PLC 有专用的网络 功能设定功能块ꎬ可直接在 STEP7 ̄Micro/ WIN 软件 的程序库中进行调用ꎬ而无需再另外编写ꎮ 图 5 为 完成网络功能程序块 ETH0_CTRL 的初始化设置ꎮ 图 5 ETH0_CTRL 初始化 在 ETH0_CTRL 初始化程序块中ꎬCP_Re、Ch_ Re、Error 的地址分别设置为 V4000. 0、VW4002、 VW4004ꎬ区别于 Ethernet WizardCP243 ̄1做配置 时指定的 V 存储区 VB 4558 VB 4716ꎬ也区别于程 01煤矿机电2020 年第 41 卷 序中已经用到的变量地址ꎮ 此 CP243 ̄1 初始化指令 应在每次程序扫描时被调用在程序中ꎬ故在程序中 利用 SM0. 0 调用这个程序块ꎬ将此新程序下载到 S7 ̄200 的 PLC 中ꎬ将 PLC 重新上电并运行ꎬ此时对 CP243 ̄1 网络模块的配置才正式生效ꎮ 5 客户端通信测试 电控系统与上位机监测系统分属于两个不同的 专业领域ꎬ其设计一般由两家厂商分别进行研制ꎮ 在电气控制系统完成后ꎬ对通信是否成功地验证依 赖于上位机的直接通信是很不现实的ꎬ而服务器端 的 PC Access 软件具有测试客户端通信的功能ꎬ这 样便很好地解决了这一问题ꎮ 测试与仿真分 4 步 进行 1 设置通信访问通道ꎮ 打开 PC Access 软件ꎬ 点击 MicroWin 进入 PG/ PC Interfaceꎬ设定通信方式 为 TCP/ IPꎮ 2 创建 PLCꎮ 点击 MicroWin 进入 New PLCꎬ添 加一个 S7 ̄200 的 PLC 站ꎮ 3 创建 Itemꎮ 点击新添加的 S7 ̄200 PLC 站ꎬ 进入 New 添加条目 Itemꎬ定义要从 PLC 读取的内存 数据的地址、数据类型及访问方式ꎮ 4 测试通信质量ꎮ 将建立的 item 拖拽入客户 测试端ꎬ并启动测试客户端ꎬ检测配置及通信的正确 性ꎬ测试结果如图 6 所示ꎮ 图 6 Access 与上位机通信仿真测试结果 从图 6 中可以看到ꎬ被读取内存数据的数值ꎬ其 通信质量为“好”ꎮ 这一测试结果表明 CP243 ̄1 配 置正确ꎬ可以与上位机 OPC Client 正确建立通信ꎬ S7 ̄200 PLC 的数据能够正确通过以太网上传到地 面监控中心ꎮ 6 结论 利用 CP243 ̄1 以太网通信模块对基于 S7 ̄200 PLC 的液压锚杆钻机电控系统进行网络化改造ꎬ可 以通过 PC Access 软件与任何标准的 OPC Client 进 行通信ꎬ而且改造成本低ꎬ周期短ꎬ网络功能编程简 单ꎬ在实际应用中凸显了通信可靠的优点ꎮ 这一成 功应用为西门子小型 PLC 电控系统的改造提供了 很好的思路ꎬ具有一定的借鉴价值ꎮ 电气控制系统 的信息传输至地面监控中心ꎬ与其他设备信息综合 考虑ꎬ可以全面地了解工作面状况ꎬ从而避免了一些 危险的发生ꎬ提高了煤矿的生产率及安全系数ꎮ 参考文献 [1] 蔡翔云ꎬ郑小虎ꎬ姜麟. OPC 规范及开发应用[J]. 昆明理工大 学学报ꎬ2002ꎬ2731 ̄7. [2] 林跃ꎬ张彦武. OPC 技术及其在工控组态软件中的应用[J]. 基 础自动化ꎬ2001ꎬ8241 ̄43. [3] 段润群ꎬ谢云山. 上位机软件与 S7 ̄1200 PLC 的 OPC 通信研究 [J]. 自动化与仪器仪表ꎬ2014513 ̄15. [4] 宋平平ꎬ宋艳丽ꎬ牛慧娟. 基于 S7 ̄300 和 WINCC 的矿井主风机 稀油站监控系统[J]. 煤矿机械ꎬ2009ꎬ3011137 ̄139. [5] 宋雪莹. 关于 PLC 与上位机数据通信的研究[J]. 机械与自动 化ꎬ201320127. [6] 崔桂梅ꎬ顾婧弘ꎬ刘丕亮. 基于西门子 PLC 网络化实验平台的 设计[J]. 实验室研究与探索ꎬ2015ꎬ343212 ̄215. 作者简介程凤霞1981ꎬ女ꎬ助理研究员ꎮ 2008 年毕业于中国 地质大学武汉硕士学位ꎮ 研究方向为煤矿电气自动化ꎮ 发表 论文 4 篇ꎮ 收稿日期2019 -07 -15ꎻ责任编辑姚克 112020 年第 3 期程凤霞锚杆电液控制系统与上位机通信的实现
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