西门子模块6ES7231-7PC22-0XA0型号齐全

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引言
    工业控制领域中PLC作为一种、灵活、可靠的控制器，有着广泛的应用。以PLC控制器为核心，上位PC机为实时监控体的控制系统已成为工业自动化PLC控制系统的一个发展方向。实现PLC与PC的通信可以实现向上级提供诸如工艺流程图、动态数据画面、报表显示等多种窗口技术，使PLC控制系统具有良好的人机界面，通过上位机对PLC数据的读写监控实现现场数据的采集、传送以及生产过程调度的自动化和信息化，其应用前景十分广阔。常用的各种PLC网络有差异，但表现在PLC通信程序、系统联结和系统配置等方面，通信机理有统一性。目前市场上通信组态系统结构复杂，价格昂贵，应用繁琐，不适应用户使用。针对上述问题笔者以西门子公司的S7-200系列的PLC为研究对象，提出了一种用VC实现上位机与PLC的高速可靠的通信方法。

1S7-200系列PLC通信方式
     西门子S7-200系列性能优良，性价比较高，适用范围很广，因此本文主要讨论西门子7-200系列与计算机之间的通信。S7-200系列通信方式有三种:
   (1) 点对点PPI方式与上位机通信:用于与西门子公司的PLC编程器或其他该公司人机接口产品的通信。该种通信方式采用的是MSComm ActivcX控件。PPI是主从协议，网络上的S7-200均为从站，其他CPU,SIMATIC编程器或TD200为主站。如果在用户程序中允许PPI主站模式，一些幻-200CPU在RUN模式下可以作主站，它们可以用网络读和网络写指令读写其他CPU中的数据。PPI没有限制可以有多少个主站与一个从站通信，但是在网络中最多只能有32个从站。PPI通信协议是不公开的;
    (2) Freeport方式与上位机通信:Freeport方式具有与外围设备通信方便、自由，易于微机开发等特点，因此使用自由口方式实现与上位机通信的控制方案较多。但在该通信方式下，上位机与PLC的最大通信能力为128bit/s，这无法满足高速通信的需要;
    (3) Profibus-DP方式与上位机通信:Profibus协议用于几分布式UO设备的高速通信。S7-200CPU需通过EM277oProfibus-DP模块接人Profibus网络，网络通常有一个主站和几个I/0从站。这种方式使得PLC可以通过Profbus的DP通信接口接人Profibus现场总线网络，从而扩大PLC的使用范围。PPI协议和Profibus协议的结构模型都是基于开放系统互连参考模型的7层通信结构。

2PLC网络通信标准简介
    (1) RS -232C标准
    通信的连接接口与连接电缆的相互兼容是通信得以保证的前提。它的实现方法发展迅速，型式较多。其中RS-232C就是实际应用较多的标准之一，它是计算机或终端与调制解调器之间的标准接口。RS-232C功能规范定义了电路之间的连接，以及它的含义。RS-232C

某钢铁公司炼铁厂的高炉容量为380m3，高炉炼铁所用的原料是经过槽下系统处理，符合化学成分及粒度要求后再装入高炉，但此炼铁厂槽下系统的自动化程度不高，存在明显问题：未经工艺处理的烧结矿直接投入高炉，其带有大量粉尘阻碍了高炉内矿石和焦炭的充分燃烧，影响了铁水的质量和效率；下料靠操作人员的手动控制，各种矿石的称重数据误差较大，同时配料系统没有称重补偿处理，就使到达高炉的各种矿石重量误差大，影响炼铁质量；每批料的各种数据都是靠人工记录，不利于监督和数据存档查询等。鉴于原先存在的缺陷，为使生产工艺达到较高的自动化水平，对此炼铁厂的高炉槽下系统进行了改造。

PLC是用微电脑技术制造的通用自动控制设备，它具有指令存储和数字量或模拟量输入输出接口，能进行位运算，并完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，实现复杂的逻辑控制。一般PLC分为主模板、扩展模板、编程器等。每个模板的体积都比较小，相互连接方便。有的PLC还有模/数或数/模转换、专用智能模块、数据处理和通信网络等功能。PLC的最大特点是将控制过程以程序方式存放在存储器中，修改程序也就修改了控制过程，这就给控制过程的设计、调试、修改、扩展带来了极大的方便。PLC的另一特点是能适应工业环境，在电源波动大、温差大、冲击振动较大的恶劣条件下，仍能长时间、不间断运行，抗干扰能力强、稳定性好、具有很好的可靠性。由于PLC的种种优点，它已经成为一种最重要、最普及的工业控制器，占据了电气控制系统中应用最为广泛的核心位置。

一、系统要求

高炉槽下系统改造后，料仓、焦仓都设置振动筛，筛下粉矿经皮带运走，碎焦也经碎焦车运走，这就避免把粉矿和碎焦带入高炉，影响高炉炼铁的透气性能和铁水质量。

每个料仓都装有压力称重传感器，称重信号可及时被PLC采集，PLC的CPU根据采集的称重信号进行相应的处理，以控制料仓和焦仓的开关，从而提高了称重精确度；另一方面通过对PLC编程能自动地实现称重补偿，进一步减小了称重误差，从而达到优化配料的目的。

生产过程中存在大量物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数，槽下系统中的PLC主要就是采集现场传过来的数据，进行数据处理，通过继电器、接触器和电磁阀控制现场设备。控制功能主要由PLC来完成。

PLC将比较重要的数据分别传送给槽下操作室的工控机和高炉值班室的工控机，工控机所采用的软件要对现场数据进行记录、存档和显示，以便于对历史数据进行查询，同时对现场设备运行状况模拟，使操作人员对现场主要设备的运行情况有比较清楚的了解，并带有报警功能，来提高系统可靠性。二、硬件配置

高炉槽下控制系统的操作站由两台研华工控机组成，一台用来显示槽下系统主画面，另一台用来显示生产操作技术参数，两台互为热备份。工控机具体配置为：Pentium IV处理器，2.66GHz主频，512MB内存，80GB硬盘，bbbbbbs 2000操作系统，21英寸Philips CRT。

为了满足上面提到的高炉槽下控制系统要求，采用SIMATIC S7-400 PLC作控制站，该站除电气部分的逻辑控制外，主要完成原料料斗电子称量、料钟炉顶部分工艺参数检测和控制及各种闸门开关状态检测。该控制站由一套S7-400主站通过Profibus-DP连接8个ET-200M远程I/O从站。该系统的硬件配置如图1所示：

（一）控制站PLC的硬件构成

1．电源模板（PS407 10A）：用于对SIMATIC S7-400的供电，将AC或DC网络电压转换为所需的5V DC或24V DC工作电压，输出电流为10A，电源模板安装在机架最左面（从槽位1开始），根据配置，它们可占用槽1到槽3。

2．中央处理器模板（CPU 414-2DP）： 适用于中等性能应用范围中有较高要求的场合，能满足对程序规模和指令处理速度及复杂通信的更高要求。集成的Profibus-DP接口使它能够作为主站，直接连到Profibus-DP现场总线；扩展的存储能力，256KBRAM分别用于程序和数据存储；灵活的扩展性，可连接多达131072个数字量或81932个模拟量的I/O；多点接口（MPI），用MPI最多能够建立32个站的简单网络，其速率最大为12Mb/s。

3．通信处理器模块（CP443-1）：是SIMATIC S7-400用于工业以太网总线系统的通信处理器，它有自己的微处理器，因而能减轻CPU的通信任务和进一步扩展连接，通过CP443-1，S7-400可以实现与编程设备、计算机、HMI设备的通信。

（二）ET200远程控制站

1．IM153-1接口模板：用于将ET-200M作为从站连接到Profibus-DP（铜导线），适用于冗余系统。

2．1＃～8＃IM153-1机架：每个机架上带有所需的数字量I/O模块和模拟量I/O模块。

三、软件配置

高炉槽下系统的软件配置包括上位机的监控组态软件和下位机的PLC编程软件。对于软件，选用西门子的专业工业控制组态软件WinCC6.0；编程软件选用西门子的STEP 7编程软件，它是基于bbbbbbs 2000或bbbbbbs NT，为S7-300/400 PLC配置和编程的标号软件包。

（一）工业监控组态软件

工业监控组态软件WinCC是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理（SA）系统，它是在bbbbbbs环境下，面向对象的32位工业监控组态软件，适合任何自动化控制系统。该组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技术等，使控制系统开发人员不必依靠某种具体专业的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成软件设计，降低了监控画面开发难度。组态软件拥有丰富的工具箱、图形库和操作向导，使开发避免了软件设计中许多重复性开发工作，可提率，缩短开发周期，它已经成为监控系统主要软件开发工具之一。

WinCC提供各种PLC的驱动软件，因此使PLC与上位机的通信变得非常容易，把WinCC和STEP 7结合在一起使用，更是大幅度降低了工程时间，因为在STEP 7中配置的变量表可在WinCC的过程编程中直接使用。

槽下配料上料监控系统主要完成对槽下物料称重、配料和上料环节的数据采集和控制，实现对物料称重、配料和上料环节的监控，使物料颗粒状况满足高炉生产工艺的要求、配料精确和上料及时。根据现场时间工程状况和控制要求，槽下控制系统软件设计了以下几个界面：高炉槽下系统、上料制度、配料制度、生产查询界面、报警记录。

利用对WinCC软件的二次开发，完成高炉槽下系统的生产工艺过程的监控和管理，并可用来显示所有现场模拟量数据，如温度、压力、流量、料线等。同时利用它的报警记录，还可发现并控制在配料过程中，当焦仓、中间仓、矿仓的重量超过设定的仓中上限时，可提供关于错误和操作状态的综息，利于及早检测重要情况。

图2所示为槽下监控系统的主界面，其主要功能是直观的显示现场各种设备的运行情况，包括称量斗料满料空信号、矿门开关信号、矿筛和给料机工作情况、焦仓料满料空情况、焦仓门开关信号、碎焦车运行情况、翻板运行情况、中间仓门开关信号以及矿车运行情况等，并实现了联锁控制功能。如在料空时矿门不能打开，矿门打开时矿筛、给料机不能工作，矿车到底时中间仓门和焦仓门才能打开等。该监控界面可使操作人员在操作室便能对现场各设备的运行状况一目了然。

（二） PLC编程

通过STEP 7，用户可进行系统配置和程序编写、调试，在线诊断PLC硬件配置状态、控制PLC运行状态和I/O通道状态等。

在STEP 7中，可用语句表编程语言（STL）、梯形逻辑编程语言（LAD）、功能块图编程语言（FBD）。LAD是STEP 7编程语言的图形表达方式，它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似；STL是STEP 7编程语言的文本表达方式，与机器码相似；FDB是STEP 7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达。本系统采用梯形图方式编程。

根据控制要求，在设计整个流程的过程中，采用STEP 7结构化编程，即把复杂的自动化任务分解为能反映过程工艺、功能或可反复使用的小任务，把实现不同功能的程序放在不同块中，然后在主程序模块OB1中根据需要进行调用，OB1为启动块，在系统启动时调用。OB1作为循环扫描块，每次执行完后从头执行，周而复始。

四、通信方式

（一）WinCC与PLC之间的通信

S7的PLC网络有几种典型类型：（1）多点接口网络（MPI），CPU可同时与多个设备建立通信联系；（2）TCP/IP协议网络；（3）工业现场总线（Profibus），是一种实时、开放性工业现场总线网络。它的特点是：使用数字传输，易于正确接收和差错检验，保了数据的可靠性和准确性，有利于降低工厂底层设备之间的电缆连接成本，易于安装、维修和扩充，能及时发现故障，便于及早处理。它的最大优点是具有充分利用智能设备的能力；（4）工业以太网（Industrial Ethernet），是一种符合IEEE802.3标准的开放式通信网络。专门设计它来经济地解决工业环境中所要求的通信任务。这种子网的主要优点在于其传送数据的速度快、简单的扩展性和开放性，及其高利用率和在全球的分布性。只需花费很小的气力就可配置工业以太网子网。

本系统采用了工业以太网，在上位机端，与工业以太网网络的连接通过通信处理器CP1413建立；在下位机端，PLC装有CPU414-2 DP模块，通过通信处理器模块CP443-1建立至网络的连接。通过工业以太网，把高炉工艺参数设定值和对电气设备的操作从人机接口传送到各PLC，把各设备的状态和工艺、电气参数及故障由PLC收集，并送到人机接口的CRT显示。

（二）S7-400与ET200站间的通信

S7-400 PLC借助于通信接口模块IM153-1将ET-200M作为从站连接到Profibus-DP，与分布式ET-200M站通过Profibus-DP组成主从式通信网络，这种网络主要应用于现场级的网络连接，为现场级使

随着计算机技术的不断发展，水电厂自动化水平也在逐步进步，对于电站监控设备的自动化水平和可靠性提出了很高的要求。可编程控制器是目前控制领域中使用最为广泛的控制装置之一。

水电厂的自动操纵系统应用了可编程控制系统（PC）进行机组操纵控制，突破了传统的继电器硬线逻辑控制，可编程实际上是一种有逻辑控制的“软继电器”，实现了以PC为核心的计算机监控系统。

1选型

通过广泛的收料和调查，基于各种理由，中小型水电厂常选择国内及中外合资生产的可编程控制设备。

水电厂采用SU—5、6系列中档PC机，模块化结构，采用16位微化处理器，最大I/O点数分别达到256和512，除具有一般开关量模块外，还可配备模拟量模块、高速记数模块、中断输进模块和通讯模块，尤其强大的通讯功能是一般中档PC机不具备的，具有较高的性价比。

2设计

2.1模块配置

考虑到目前要能方便地实现以PC机为基础的计算机监控，同时预留一定数目的机箱槽口和位置，方便今后的扩充，PC依靠这些模块可实现功能上的扩展。

可编程作为“新一代继电器”，控制程序不宜太复杂，牵涉面也不宜太广，PC的输进输出模块有8点、16点和32点三种，为了使机箱不占用过大空间，又使接线方便，常选择16点模块。

2.2电源设计

电源很大程度上影响了PC的可靠性，几乎所有的PC都要配用自己的电源，电厂除了有一套DC220V电源供操纵、保护使用外，还设置一套DC24V电源供模拟信号及PC用，PC模块均选用DC24V电压级。采用DC24V信号，较低的电源电压可降低本钱，调试也变得相当便利、安全。DC24V的输进、输出回路电气上与DC220V操纵回路、信号回路隔离开来，用不同的电缆连接。

2.3输出模块及出口继电器

PC机的输出模块有继电器、晶体三极管、可控硅等三种输出形式。水电厂机组自动控制过程中，其输出控制对象大多是电磁阀、跳合闸电磁线圈等，工作在开关状态，含有电磁瞬变过程，而且操纵电压多为DC220V，轻易引起操纵过电压，宜选用继电器型输出模块。输出主要选用继电器输出，以尽可能直接用于驱动执行。在输出模块后，设置了出口继电器，即使操纵回路出现故障，不致直接损坏输出模块。出口继电器选择体积小、接点容量尽可能大，带插拔式安装插座，便于更换。

综上所述，某厂发电机机旁PC配置图如图1所示。
CPU模块SU-6B-CDC24V
通讯模块U-01DMDC24V
输进模块U-05NDC24V，16点
输出模块U-05TDC24V，16点
空模块DC24V，16点
编程器S-01P手持式，1台

2.4程序设计

PLC的软件由系统治理程序和用户应用程序两部分组成，操纵回路的所有逻辑关系均由PC软件完成，重要回路设置由手动操纵回路，PC程序直接依照梯形图编制（梯形图中的I表示输进接点，M表示内部继电器，Q表示输出接点）可编程的开机过程梯形图，如图2所示。

当上位计算机发出开机命令后，发电机组控制器查询各开关状态，如开关状态不满足开机条件，则控制器向上位机应答命令错误，并退出该操纵；当开关状态符合开机条件，确认后执行该操纵。

机组起动要满足以下条件：机组事故引出继电器未动作，M020常闭接点接通；断路器未合闸，M006常闭接点接通；制动系统无压力（41YX），I000闭合；停机继电器未动作，M004常闭接点闭合；开机继电器未动作，M003常闭接点接通。以上起动预备条件具备，起动预备继电器M002线圈带电，常开接点闭合，Q001输出及41QZJ起动预备继电器动作，41BD信号灯亮，表明起动完成。此时，可在中控室利用41KK（I001）控制开关；在机旁PC盘利用41KA（I002）按钮；在微机室利用开、停机画面，经过比较，满足条件后特殊继电器SP061常开接点闭合、计算机键盘发出开机命令M100输进信号脉冲，M100常开接点闭合、M003闭合、开机继电器M003线圈带电，其常开接点闭合。通过M003开机继电器、M004停机继电器常闭接点、M007发电状态继电器常闭接点，实现自保持；M003闭合使输出继电器Q002输出开总冷却水，冷却水投进，并使开机继电器41JQJ动作。写进开机寄存器R1720指令，寄存器复位，完成开机过程。

3可编程序控制器的特点

可靠性高，抗干扰能力强。由于PLC由带有光电耦合环节的高抗干扰的输进输出接口电路构成，PC在恶劣工作环境下有较高的抗干扰能力，其部件有较长的工作寿命，出现故障恢复时间较短。

接线简单，维护检验方便。由于输进输出接点只需接在PC的输进输出模块上，而常规继电器还需在继电器之间进行接线。控制功能通过软件编程实现，控制回路的接线简单，可减少由于接线引发的故障，检查判定故障迅速，易于维护。

较强的灵活性和扩展性。可实现复杂的控制功能，由于PC内部具有很多的“软继电器”，定时器、计数器等，所以更改控制功能只要修改程序，而不需要改变接线，即可方便的进行控制方式的更改或完善。

设计工作量少，安装和调试。由于省往了部分继电器，控制盘大为简化，从程序输进、接线到单个回路调试，比常规继电器控制大大缩短了调试时间，而且编程器有在线调试、自动插进、语法检测等功能，给安装、调试带来很多方便，节省了大量的工作。

方便的通讯功能。便于实现与其他控制系统的接口，扩大控制系统的功能。PC与上位计算机可以进行数据通讯，机组自动操纵过程中开关量状态可在上位机进行监视，同时，上位计算机也可以对PC发出各种指令，如开、停机操纵等。

4结束语

由于现场安装、配线和调试方便，其输出有停电保持功能，其工作可靠，性能稳定，可编程控制技术近年来已在很多中小型水电厂得到广泛的应用。

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