錨桿電液控制系統與上位機通信的實現*

程鳳霞

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤炭是我國重要的能源資源。煤礦開采技術的發展進步，不僅依賴于采煤工藝的發展，還與設備的技術先進性息息相關。計算機工業技術不斷發展并在各行各業得到了普及應用。煤炭生產的地面集中監控信息化平臺的使用，是計算機技術在煤炭自動化發展過程中的成功應用。為了豐富遠控平臺的采集信息，更好地服務于煤礦生產，采煤工作面設備必須具有數據遠程傳輸功能，以便將工作過程中的一系列關鍵參數信息通過工業以太網傳輸到地面監控中心。本文提出了以S7-200為核心的控制系統與上位機通信的可行性方案，并對錨桿電液控制系統進行了技術改造。

1 S7-200 PLC及OPC技術

S7-200 PLC是一種小型可編程控制器，它以程序控制方式實現邏輯控制，替代了繼電器的復雜硬線連接，并可輕松實現復雜的自動化控制，且在煤礦設備電氣系統的設計中得到了廣泛應用。基于S7-200的電控系統要實現與上位機的通信，監控上位機需單獨選擇組態軟件，而WinCC類國產組態軟件是首要選擇。S7-200類小型PLC在上市初期，由于市場定位偏差，與組態軟件開發廠商缺乏溝通，導致對這類PLC通信驅動的支持不充分，不能成功地實現與S7-200 PLC系統的直接數據傳遞，需要OPC Server作為組態軟件與PLC控制系統的中間橋梁對系統進行數據采集和控制。S7-200控制系統與組態軟件的通信原理如圖1所示。

圖1 S7-200控制系統與組態軟件的通信原理

OPC是OLE的縮寫，它不依賴于計算機語言、操作系統及硬件平臺，是面向對象程序設計的一種規范，包括OPC Server和OPC Client兩個部分。利用這兩部分，可在PLC控制系統和上位機監控系統間建立一整套“規則”，從而實現兩者之間數據的透明訪問。因此，OPC成為工業控制領域一種標準的數據訪問機制[1-2]。

根據硬件的不同，OPC Server也多種多樣。支持S7-200 PLC的OPC Server，常用專用軟件PC Access作為OPC Server軟件，實現與任何標準的OPC Client端數據信息的傳遞。

2 新錨桿電液控制系統的硬件構成

液壓錨桿鉆機電控系統，是以西門子控制器S7-200為控制核心的數據采集和控制系統，其具有系統結構簡單，工作穩定可靠等特點。該控制系統的控制對象有油泵電動機、照明燈、熒光燈、語音報警裝置等，可采集的信號有電動機電流、行走壓力、錨鉆壓力、瓦斯報警信號及其他各種保護、控制信號。原電控系統控制單元結構如圖2所示。

圖2 原電控系統控制單元結構

以S7-200為核心的電控系統要實現與上位機的通信，需要具備與PC Access通信的硬件接口，接口的選擇則取決于PC Access的通信方式。PC Access支持的通信方式有PPI通信、以太網通信、Modem調制解調器通信。在這3種通信方式的選擇中，考慮到通信雙方本身硬件的配置、因通信方式而增加的硬件成本、走線便捷性等，最后選擇以太網通信來實現雙方信息的交互[3-6]。

新錨桿電液控制系統就是以原電控系統為基礎，增加了將S7-200電控系統連接到工業以太網的通信處理器——以太網模塊，并使用STEP 7 Micro/WIN，通過以太網模塊對S7-200進行遠程組態、編程和診斷。升級改造后的電控系統控制單元結構如圖3所示。

圖3 改造后的電控系統控制單元結構

西門子公司具有專用的以太網模塊CP243-1，它作為以太網通信處理器，可以將以S7-200為核心的控制系統連接到工業以太網(IE)中。CP243-1以太網模塊是一種連接在S7-200上的智能擴展模塊，并不是和所有S7-200的CPU都兼容，它所適用的CPU如表1所示。

表1 CP243-1和S7 200 CPU的兼容

CP243-1以太網模塊可以獨立地處理在工業以太網上傳輸的數據，其特點為：

1) 通信是基于TCP/IP協議的。

2) 可以作為通信的客戶端或服務器端，從而使S7-200 CPU通過以太網和其他S7控制系統或PC之間進行通信。最多可建立8個連接。

3) 集成S7-OPC服務器之后，可以實現PC應用。

4) CP243-1以太網模塊可以使得S7-200編程軟件、STEP7-Micro/WIN通過以太網直接訪問S7-200 CPU。

3 網絡組態

以太網基于IEEE 802.3標準，其通信協議基于ISO和TCP/IP技術。CP243-1以太網模塊是以高達100 Mbit/s的速度經由網絡進行數據傳輸，并最多可同時支持8個連接。

上位機要利用CP243-1實現通過以太網對S7-200 CPU的數據訪問，需在軟件編寫界面中進行以下設置：用STEP7-Micro/WIN軟件，在Tools——Ethernet Wizard(以太網向導)中對CP243-1進行配置，設定CP243-1模塊的位置、IP地址、模塊命令字節及連接數、與上位機的連接配置、存儲區分配，如圖4所示。

(a) 模塊位置配置

(b) IP地址配置

(c) 命令字節及連接數配置

(d) 上位機連接配置

(e) 存儲區配置

在配置過程中，首先根據S7-200電控系統中各個模塊的安裝位置來確定需要進行配置的CP243-1模塊。由圖3中可以看到，CP243-1緊緊挨著S7-200 PLC安裝，故需要編輯的配置為ETH配置0(模塊0)。然后為CP243-1設定子網掩碼、IP地址等，并要保證CP243-1的IP地址和上位PC機的IP地址在一個網段上。設置CP243-1模塊占用的輸出字節地址及訪問連接數量。在系統設計安裝中，CP243-1模塊安裝在緊挨S7-200 PLC的0號槽，其前面的S7-200 PLC的輸出占用了QB0和QB1 2個輸出字節。CP243-1的輸出字節地址按順序排，設定為QB2。電控系統既可作為Server(服務器)端，也可作為Client(客戶端)。本系統設計中，電控系統作為Server，PC機作為Client。Client通過訪問Server中的PC Access，實現與 S7-200 PLC的通信，從而直接讀取PLC中存儲的信息。訪問Server的Client可以為1個，也可以為多個，但最多不得超過8個。在網絡中同時訪問Server的Client數量即為連接數量，實際應用中，僅一個監測中心的上位機訪問該電控系統，故連接數量設置為1個。接下來，指定連接應當用作客戶機還是服務器，并配置每個連接的相關屬性。最后，為CP243-1模塊的配置信息設定一個V存儲區，該存儲區大小根據實際設置而定。在設置時只需指定該存儲區的初始地址即可。初始地址既可使用系統建議地址，也可手動設置。設置完成后的V存儲區地址不能與程序中已經使用的地址相沖突。

4 軟件設計

在原程序基礎上要實現數據上傳，需對新加的網絡模塊CP243-1模塊進行初始化設置，以實現與PC Access軟件的通信。S7-200PLC有專用的網絡功能設定功能塊，可直接在STEP7-Micro/WIN軟件的程序庫中進行調用,而無需再另外編寫。圖5為完成網絡功能程序塊ETH0_CTRL的初始化設置。

圖5 ETH0_CTRL初始化

在ETH0_CTRL初始化程序塊中，CP_Re、Ch_Re、Error的地址分別設置為V4000.0、VW4002、VW4004，區別于Ethernet Wizard(CP243-1)做配置時指定的V存儲區VB 4558～VB 4716，也區別于程序中已經用到的變量地址。此CP243-1初始化指令應在每次程序掃描時被調用在程序中，故在程序中利用SM0.0調用這個程序塊，將此新程序下載到S7-200的PLC中，將PLC重新上電并運行，此時對CP243-1網絡模塊的配置才正式生效。

5 客戶端通信測試

電控系統與上位機監測系統分屬于兩個不同的專業領域，其設計一般由兩家廠商分別進行研制。在電氣控制系統完成后,對通信是否成功地驗證依賴于上位機的直接通信是很不現實的，而服務器端的PC Access軟件具有測試客戶端通信的功能，這樣便很好地解決了這一問題。測試與仿真分4步進行：

1) 設置通信訪問通道。打開PC Access軟件，點擊MicroWin進入PG/PC Interface，設定通信方式為TCP/IP。

2) 創建PLC。點擊MicroWin進入New PLC，添加一個S7-200的PLC站。

3) 創建Item。點擊新添加的S7-200 PLC站，進入New添加條目Item，定義要從PLC讀取的內存數據的地址、數據類型及訪問方式。

4) 測試通信質量。將建立的item拖拽入客戶測試端，并啟動測試客戶端，檢測配置及通信的正確性，測試結果如圖6所示。

圖6 Access與上位機通信仿真測試結果

從圖6中可以看到，被讀取內存數據的數值，其通信質量為“好”。這一測試結果表明CP243-1配置正確，可以與上位機OPC Client正確建立通信，S7-200 PLC的數據能夠正確通過以太網上傳到地面監控中心。

6 結論

利用CP243-1以太網通信模塊對基于S7-200 PLC的液壓錨桿鉆機電控系統進行網絡化改造，可以通過PC Access軟件與任何標準的OPC Client進行通信，而且改造成本低，周期短，網絡功能編程簡單，在實際應用中凸顯了通信可靠的優點。這一成功應用為西門子小型PLC電控系統的改造提供了很好的思路，具有一定的借鑒價值。電氣控制系統的信息傳輸至地面監控中心，與其他設備信息綜合考慮，可以全面地了解工作面狀況，從而避免了一些危險的發生，提高了煤礦的生產率及安全系數。