PLC通信设备及连接准备知识

PLC 的通信是指PLC 与计算机之间、 PLC 与PLC 之间、 PLC 与其他智能设备之间的数据传输。 要完成PLC 的通信, 需要做好两件事, 即物理连接和通信协议。

1. PLC 网络通信设备

S7 -200 PLC CPU 的主要通信设备如图4 -5 -1 所示。

图4-5-1　S7-200 PLC CPU 的主要通信设备

1) CPU 主机上的集成通信口

S7-200 PLC CPU 主机上的集成通信口是符合欧洲标准EN50170 中Profibus 标准的RS -485 兼容9 针D 型连接器。 S7 -200 PLC 集成通信口引脚与Profibus 名称的对应关系如表4-5-1 所示。

表4-5-1　S7-200 PLC 集成通信口引脚与Profibus 名称的对应关系

2) 网络连接器

网络连接器可以把多个设备连接到网络中, 其有两种类型: 一种仅提供连接到主机的接口, 另一种增加了一个编程接口。 每一种网络连接器都有终端匹配和网络偏置选择开关。 在整个网络中, 电缆的始端和末端一定要有终端匹配和网络偏置才能减少网络在通信过程的传输错误。 因此, 处在始端和终端节点的网络连接器的终端匹配和网络偏置选择开关应拨在ON 位置, 而其他节点的网络连接器的终端匹配和网络偏置选择开关应拨在OFF 位置。 如图4 -5 -2 所示。

图4-5-2　网络连接器

3) 通信电缆

通信电缆主要有Profibus 网络电缆和PC/PPI 电缆。 Profibus 网络电缆是使用屏蔽双绞线的电缆, 网络段的电缆长度、 电缆类型和波特率要求有很大关系, 网络段的电缆越长, 传输速率越低。 PC/PPI 电缆的一端是RS-485 端口, 用来连接PLC 主机, 另一端是RS -232 端口, 用来连接计算机、 编程器、 调制解调器等配有RS -232 端口的设备, 电缆中部的开关盒有4 个或5 个DIP 开关, 用来设置波特率、 传送字符数据格式和设备模式。

4) 网络中继器

当通信网络的长度大于1 200 m 时, 为了使通信准确, 需要加入网络中继器对信号滤波、 放大和整形。 加一个网络中继器以后可以把网络的节点数目增加32 个, 传输距离增加1 200 m。 每个网络中继器都提供了终端匹配和网络偏置选择开关。 整个网络中最多可以使用9 个网络中继器。

5) 其他设备

除了以上设备外, 常用的设备还有通信处理器CP5611、 CP5612、 CP5511、 CP5512 的多机接口卡(MPI 卡) 和EM277 通信模块、 CP243 通信模块、 CP241 通信模块等。

2. 通信协议

1) 通信协议的分类

西门子公司工业通信网络的通信协议包括通用协议和公司专用协议, S7 -200 PLC 支持的通信协议包括PPI 协议、 MPI 协议、 Profibus -DP 协议、 AS -Interface 协议、 USS 协议、Modbus RTU 协议、 以太网协议、 自由口协议等。

(1) PPI 协议。 PPI (Point to Point Interface) 协议是西门子公司专为S7 -200 PLC 开发的一个通信协议, 内置于S7 -200 PLC CPU 中。 PPI 协议物理上基于RS-485 接口, 通过屏蔽双绞线就可以实现通信。

PPI 协议(点对点接口) 是一种主-从协议, 即主站设备发送请求到从站, 从站设备响应。 PPI 协议用于S7 -200 PLC CPU 与编程计算机之间、 S7 -200 PLC CPU 之间, 以及S7 -200 PLC CPU 与HMI (人机界面) 之间的通信。

如果在用户程序中允许选用PPI 主站模式, 一些S7-200 PLC CPU 在运行模式下可以作为主站。 一旦选用PPI 主站模式, 就可以利用网络读(NETR) 和网络写(NETW) 指令读/写其他CPU。 当S7-200 PLC CPU 作为PPI 主站时, 它还可以作为从站响应来自其他主站的请求。

(2) MPI 协议。 MPI (Multipoint interface) 协议是集成在西门子公司的PLC、 操作员界面上的通信接口使用的通信协议, 用于建立小型的通信网络。

MPI 协议(多点接口) 允许主/主和主/从两种通信模式。 选择何种方式都依赖于设备类型。 S7 -200 PLC CPU 只能作MPI 从站, S7 -300/400 PLC 为MPI 主站, 可以用XGET/XPUT 指令来读/写S7 -200 PLC 的变量存储器区。

(3) Profibus 协议。 Profibus 协议通常用于实现分布式I/O 设备的高速通信。 有一个主站和若干个I/O 从站。 S7 -200 PLC CPU 需通过EM277 Profibus-DP 模块接入Profibus 网络。

(4) 以太网协议。 S7 -200 PLC 配备了以太网模块CP243 -1 后, 支持以太网协议。 而以太网模块CP243 -1 IT 除了具有以太网模块CP243 -1 的功能外, 还具有一些IT 功能, 如文件传送(FTP)、 电子邮件(E-mail)、 网页(HTML) 等。

(5) 自由口协议。 自由口协议是S7 -200 PLC CPU 很重要的协议, 在自由口协议的自由口通信模式下, S7 -200 PLC CPU 可以以任何通信协议公开地与其他设备进行通信, 即用户可以自己定义通信协议。 自由口通信模式使用接受中断、 发送中断、 字符中断、 发送指令和接收指令, 以实现S7 -200 PLC CPU 通信口与其他设备的通信。 当处于自由口通信模式时, 通信协议完全由梯形图程序控制。

在自由口通信模式下, 主机只有在RUN 模式时, 用户才可以用相关的通信指令编写用户控制通信口的程序。 当主机处于STOP 方式时, 自由口通信模式被禁止, 通信口自动切换到正常的PPI 协议操作。

2) 通信协议的网络设备

通信协议定义了两类网络设备: 主站和从站。 从站不能主动发起通信数据交换, 只能响应主站的访问, 提供或接收数据。 从站不能访问其他从站。 多数情况下, S7 -200 PLC CPU在通信网络中作为从站。 主站可以发起数据通信, 读写其他站点的数据。 S7 -200 PLC CPU在读写其他S7 -200 PLC CPU 数据时(PPI 协议) 就作为主站(PPI 主站也能接收其他主站的数据访问), S7 -200 PLC 通过附加扩展的通信模块也可以充当主站。

安装编程软件Step 7 -Micro/WIN 32 的计算机一定是主站; 所有的HMI (人机操作界面) 也是主站; 与S7 -200 PLC 通信的S7 -300/400 往往也作为主站。

3. 自由口通信模式

1) 自由口通信模式相关的特殊寄存器

自由口通信模式所使用的波特率、 奇偶校验及有效数据位等参数由特殊寄存器SMB30(端口0) 和SMB130 (端口1) 的各位来设定, 而在信息接收时还要使用特殊寄存器SMB86 ～SMB94 (端口0) 和SMB186 ～SMB194 (端口1) 来完成数据接收的监控和控制。 特殊寄存器各位的定义参见本书附录B。 以下简要介绍几种特殊寄存器和特殊标志位。

(1) 特殊寄存器SMB30 和SMB130。 特殊寄存器SMB30 和SMB130 用于控制通信参数,它们的对应数据位功能相同, 各位的含义如下:

①PP 位: 奇偶校验选择, 00 和10 表示无奇偶校验; 01 表示偶校验; 11 表示奇校验。

②D 位: 有效数据位, 0 表示每个字符8 位有效数据; 1 表示每个字符7 位有效数据。

③BBB 位: 自由口波特率, 000 表示38 400 bps; 001 表示19 200 bps; 010 表示9 600 bps; 011 表示4 800 bps; 100 表示2 400 bps; 101 表示1 200 bps; 110 表示115 200 bps;111 表示57 600 bps。

④MM 位: 协议选择, 00 表示PPI 从站模式; 01 表示自由口协议; 10 表示PPI 主站模式; 11 表示保留(默认为PPI 从站模式)。

(2) 特殊寄存器SMB86 和SMB186。 接收信息时会使用到特殊寄存器SMB86 ～SMB94(端口0) 和SMB186 ～SMB194 (端口1), 其各字节的功能见本书附录B。 PLC 在进行数据接收时, 使用SMB87 或SMB187 来控制接收信息, 使用SMB86 或SMB186 来监控接收信息。

特殊寄存器SMB86 和SMB186 的数据位含义如下:

①N=1: 用户通过禁止命令结束接收信息操作;(www.xing528.com)

②R=1: 因输入参数错误或缺少起始结束条件引起的接收信息结束;

③E=1: 接收到字符;

④T=1: 超时, 接收信息结束;

⑤C=1: 字符数超长, 接收信息结束;

⑥P=1: 奇偶校验错误, 接收信息结束。

(3) 特殊寄存器SMB87 和SMB187 用于定义和识别信息的判据, 其各数据位含义如下:

①EN 表示接收允许, 0 =禁止, 1 =允许;

②SC 表示是否使用特殊寄存器SMB88 或SMB188 的值检测起始信息, 0 =忽略, 1 =使用;

③EC 表示是否使用特殊寄存器SMB89 或SMB189 的值检测结束信息, 0 =忽略, 1 =使用;

④IL 表示是否使用特殊寄存器SMB90 或SMB190 的值检测空闲信息, 0 = 忽略, 1 =使用;

⑤C/M 表示定时器定时性质, 0 =内部字符定时器, 1 =信息定时器;

⑥TMR 表示是否使用特殊寄存器SMB92 或SMB192 的值终止接收, 0 =忽略, 1 =使用;

⑦BK 表示是否使用中断条件检测起始信息, 0 =忽略, 1 =使用。

通过对特殊寄存器SMB87 和SMB187 各个位的设置, 可以实现多种形式的自由口接收通信。

(4) 寄存器中的特殊标志位。 寄存器中的特殊标志位SM4.5 和SM4.6 分别表示端口0和端口1 处于发送空闲状态。 具体中断事件如下:

①字符接收中断事件: 8 (端口0) 和25 (端口1);

②发送完成中断事件: 9 (端口0) 和26 (端口1);

③接收完成中断事件: 23 (端口0) 和24 (端口1)。

2) 自由口发送/接收指令

自由口发送/接收指令的格式及功能见表4 -5 -2 所示。

表4-5-2　自由口发送/接收指令的格式及功能

数据缓冲区TABLE 的第一个数据指明了要发送/接收的字节数, 自第二个数据开始才是要发送/接收的内容。

数据发送(XMT) 指令可以发送一个或多个字符, 最多有255 个字符缓冲区。 数据接收(RCV) 指令可以接收一个或多个字符缓冲区, 最多有255 个字符缓冲区, 在接收任务完成后产生中断事件23 (端口0) 或24 (端口1), 如果有一个中断程序连接到接收完成事件上, 则可以完成相应的操作。 SMB2 为自由口接收字符缓冲区。 在自由口通信模式下, 从0 口或端口1 接收到的每个字符都放在这里, 以便于梯形图程序存取。 SMB3 用于自由口通信模式, 当接收到的字符检测到奇偶校验出错时, 将SM3.0 置“1”; 若没有出错, SM3.0 为“0”。 SM3.1 ～SM3.7 保留。 SMB2 和SMB3 由0 口和端口1 共用。 当0口接收到字符并使得与中断事件8 相连的中断程序执行时, SMB2 包含0 口接收到的字符, 而SMB3 包含该字符的校验状态。 当端口1 接收到字符并使得与中断事件25 相连的中断程序执行时, SMB2 包含端口1 接收到的字符, 而SMB3 包含该字符的校验状态。

3) 自由口通信模式示例

使用本地CPU224 的输入信号I0.1 上升沿控制接收远程CPU224 的20 个字符, 接收完成后, 再将接收到的信息送回远程PLC。 发送完成后使用本地CPU224 的Q1.0 进行提示。 要求: 通信模式为通信协议中的自由口通信模式, 自由口波特率为9 600 bps, 无奇偶校验, 8 位有效数据位; 不设超时时间, 接收和发送使用同一个数据缓冲区, 其首地址为VB100。

要完成该系统, 需要两台CPU224、 两个网络连接器(一个带编程口)、 两根通信电缆(一根为PPI 电缆)。 根据通信协议应设置SMB30 =9, 其梯形图应包含主程序和两个中断程序, 主程序完成系统的初始化和接收信息, 中断程序0 在主程序接收完成后启动发送命令, 中断程序1 完成发送结束后的状态提示。 自由口通信模式示例的梯形图如图4 -5 -3 所示。

图4-5-3　自由口通信模式示例的梯形图

4. PPI 网络通信模式

PPI 网络通信模式可以采用PPI、 MPI、 Profibus 等通用协议, 在S7 -100 PLC 的PPI 网络通信模式中, S7 -200 PLC 一般被默认为从站, 只有当采用PPI 协议时, 才有些S7 -200 PLC 允许工作于PPI 主站模式。 将特殊寄存器SMB30 和SMB130 中的内容设置为16#2, 可以将S7 -200 CPU 设置为PPI 主站模式。

1) 网络读/写指令

在PPI 主站模式下可以使用网络读/写指令, 其指令格式及功能如表4 -5 -3 所示。

网络读/写(NETR/NETW) 指令可以从远程站点最多读/写16 个字节的信息, 同时可以最多激活8 条网络读/写指令。

表4-5-3　网络读/写指令格式及功能

2) 网络通信数据表

执行网络读/写指令时, 主站与从站之间传送数据的数据表TBL 的格式如表4 -5 -4 所示。 网络读/写指令的错误码如表4 -5 -5 所示。

表4-5-4　数据表TBL 的格式

表4-5-5　网络读/写指令的错误码

续表

以上内容重点介绍了PLC 的自由口通信和PPI 网络通信模式。 随着计算机技术的不断发展, 目前PLC 所支持的通信协议和通信模式还有很多, 如Profibus -DP 协议、 以太网协议、IT 网络、 OPC 协议, 以及变频器之间的USS 协议等, 这里将不再一一赘述, 详细内容请参考其他相关书籍。