组态王与西门子S7-200的几种通信方式

       1  引言

       随着工业自动化技术的发展,人们对自动化监控系统的要求越来越高。而在设计开发实时监控系统时，现场设备与上位机软件的通讯是关键技术，下面主要介绍国产流行工控软件“组态王”与西门子S7-200的通信方式。 

       2  组态王简介

       “组态王”是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以Windows 98/Windows 2000/ Windows NT4.0中文操作系统作为其操作平台，具有图形功能完备，界面一致友好，易学易用的特点。该软件包由工程管理器(ProjManager)、工程浏览器(TouchExplorer)、画面运行系统(TouchVew)三部分组成。ProjManager用于新建工

程、工程管理，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据字典的导入和导出。TouchExplorer是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，是应用工程的开发环境，内嵌画面开发系统，可完成对画面的设计、动画的连接等工作。TouchVew是“组态王”软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序的数据交换,通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。在TouchExplorer的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在TouchVew运行环境中才能运行。

       3  S7-200系列PLC

       西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。S7-200系列PLC共有5种基本型号的CPU模块，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，控制点数可以从10点扩展到248点。其中，CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器，CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226 XM适用于复杂的中小型控制系统。所有型号的CPU在内部都集成了1个(CPU221、CPU222、CPU224)或2个(CPU226， CPU226XM)通讯口，该通讯口为标准的RS485口，可在三种方式下工作，即PPI方式、MPI方式和自由通讯口方式。另外，S7-200可通过增加EM277模块接入Profibus-DP网络，通过CP243-1通讯模块连入工业以太网，通过CP243-2模块使其成为AS-i主站。

       4  组态王与西门子S7-200的几种通信方式

       4.1  组态王的通讯机制
       组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现和外部设备的通讯，组态王内置有大量的设备驱动作为外部设备的通讯接口。在开发过程中，只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”，一步步完成连接过程，即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王可以通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据或指令。组态王的驱动程序采用ActiveX技术，每一驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，从而保证运行系统的高效率，如图1所示。因此，组态王可以与一些常用I/O设备直接进行通讯，如可编程控制器(PLC)、智能模块、板卡、智能仪表等。组态王与I/O设备之间的数据交换采用五种方式:串行通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式。
 

图1   组态王与外部设备通讯示意图

 

       4.2  组态王与S7-200的PPI通信方式
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p;     PPI(Point-to-Point)是西门子专为S7-200系列开发的一个通讯协议，为主/从协议，PC机为主站，S7-200为从站。该方式下有两种硬件连接方法，一种是使用PPI电缆将PC机串口和S7-200的通讯口相连，采用串行通讯方式。另一种是PC机通过CP5611通讯卡与S7-200相连。在第一种方式下，使用PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN32安装通讯硬件，在“SET PG/PC Interface”对话框中配置PC/PPI cable,选择Interface Parameter Assignment为PPI，并设置PPI参数默认值,双击通讯框中得刷新图标后建立与S7-200的通信连接。在第二种方式下，将CP5611卡安装在PC机的插槽中，用连接带缆将CP5611卡与S7-200的PORT口相连，安装STEP 7-Micro/WIN32和STEP 7 V5.0 +ServicePack5(或STEP 7 V5.1+ServicePack 2)，运行PG/PC-interface parameterisation，将用户界面配置为CP5611 (PPI)方式。这两种方式的上位机组态王的设置基本相同，首先使用“设备配置向导” 定义外部设备，分别选择西门子S7-200系列PPI通信和西门子S7-200系列通讯卡通信，并设定如下通信参数:波特率9600bps,数据位8位，停止位1位，偶校验。在设定PLC地址时，两种方式有所不同，前者将PLC地址设为默认地址2。后者采用“PLC地址.2”地址格式，小数点前的数字为有效地址PLC的地址(即站号)，小数点后为数字2，所设定的地址范围为2.2～126.2，其中PLC的地址可通过编程软件STEP 7-Micro/WIN设置来实现。
       在组态王的“数据字典”中定义相关变量，选择变量类型为I/O型，并选择连接设备，指定所访问的寄存器名及寄存器类型。注意，组态王只支持V寄存器，如果要监控Q、Ｉ、M寄存器，可以先在PLC程序中将Q、Ｉ、M寄存器传至V寄存器，组态王通过对V寄存器的操作来实现对Q、Ｉ、M寄存器的监控。另外，组态王不支持直接以I/O离散变量的定义，需以字节(BYTE)形式存取，每一BYTE类型(8个BIT位)对应8个开关量的输入或输出状态，即BYTE的0~7位分别对应输入或输出的0~7开关量通道，如果要显示或控制某一开关量通道的状态，可以使用组态王提供的BIT()或BITSET()函数进行取位或置位。在制作好的监控画面中，将画面的图素与定义的变量建立“动画连接”，在TouchVew中运行，即可建立实时通信，得到一个反映工业现场的监控画面。

       4.3  组态王与S7-200的MPI通信方式
       MPI(Multi-Point)为多主站的通信方式。在西门子公司的可编程控制器、操作员界面和编程器上的集成有MPI口，可与PC机、S7-200建立小型的MPI网。由于S7-200只能作为MPI从站，所以装有组态王的PC机与S7-200仍为主/从协议。PC机通过MPI卡(如CP5611通讯卡)接入MPI网中作为主站。其通信设置和使用与前类同。

       4.4  组态王与S7-200的自由口通信方式
       自由口通讯方式是S7-200的一个很有特色的功能。它是一种通讯协议完全开放的工作方式，不受PPI协议的限制,是PPI方式的一个补充。在该方式下的通讯口的协议由外设决定，PLC通过程序来适应外设。从而使得S7-200系列PLC可以与任何具有通讯能力的并且协议公开的设备相通讯,即S7-200可以由用户自己定义通讯协议。
       在与组态王采用自由口协议方式通讯时，为主从的问答方式，装有组态王的上位机为主呼方，下位机S7-200为应答方。亚控公司提供了使用STEP 7 Micro/WIN编写的自由口通讯的PLC初始化程序，该梯形图程序通过接收中断和发送中断以及发送指令(XMT)控制通信口的操作，其默认的PLC通讯端口为PORT0，地址为2,波特率9600bps。若要更改通讯端口、地址和波特率，可在S

TEP 7-Micro/WIN编程软件中将中断程序6(INT_6)中XMT指令的PORT 0口改为所用端口，并在系统块中进行相应更改;将VW8(存放PLC的地址的寄存器)传送PLC的实际地址值;波特率设置可通过更改SMB30的值，该寄存器是自由口控制寄存器，用于存放自由口控制字节。
       在使用亚控的PLC初始化程序具体操作时，首先用PC/PPI电缆将PC机的串口与S7-200的通讯口相连，当CPU为226时，有两个通讯口:PORT0和PORT1,应选择PORT0与组态王进行通讯，因为此时使用PORT1通讯不上。在PC/PPI电缆上有DIP开关，用于设置通讯的波特率，此处设为9600bps,与SET PG/PC intererface中的设置一致。使用PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN32安装和设置PC/PPI电缆，建立计算机与S7-200的连接后将亚控公司提供的自由口通讯的初始化程序下传至PLC中去。在组态王中定义外部设备为西门子S7-200系列编程口通信，并设定如下通信参数:波特率9600bps,数据位8位，停止位1位，无校验，设定PLC地址为默认地址2。其它操作与前相同，运行TouchVew，则可建立组态王与S7-200的自由口通信方式。

       4.5  组态王与S7-200的Profibus-DP通信方式
       Profibus-DP是用于分布式的I/O设备高速通信的一种协议，该协议定义了主站和从站，支持单主或多主系统，各主站间为令牌传递，主站与从站间为主/从传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。
       S7-200可通过增加EM277 Profibus-DP扩展模块的方法支持Profibus-DP网络协议，作为DP从站。使用Profibus-DP协议方式S7-200和组态王通讯时，需要通过OPC方式来实现，组态王不再提供直接的DP驱动，其中西门子提供OPC Server，组态王作为OPC Client进行数据通讯。具体配置过程为:
       (1) 将CP5611通讯卡安装在PC机中，并根据硬件安装向导安装卡的驱动程序，用Profibus-DP通讯电缆将CP5611卡与EM277通讯口相连，CP5611作为DP主站。
       (2) 在PC机上安装Simatic net 6.0软件，它用于组态整个Profibus-DP网络。软件安装后，首先选择SIMATIC NET→Settings→Configuration Console，在PC Station中添加OPC Server程序及CP5611通讯卡;然后使用SIMATIC NET→Settings→Commissioning Wizard→PC Station Wizard创建项目和虚拟PC Station;更改硬件组态时，在弹出PC Station 的配置图中添加EM277的GSD文件后，设置CP5611卡的地址和通讯波特率及协议模式，此处我们将CP5611卡的地址设为1，通讯波特率设为1.5M，协议选择DP，并将CP5611卡操作模式选择设为DP Master;在HW Config窗口的DP Master 总线上添加EM277模块作为DP从站，双击总线上的EM277模块设置其地址(要求与实际模块的拨码设置一致) ,此处我们设为2，并为EM277建立数据交换区，可根据实际需要选择交换区大小;在SET PG/PC Interface设置为S7ONLINE(STEP 7)→PC internal(local), CP_L2_1:→CP5611(PROFIBUS);然后将以上配置信息下载到虚拟PC站中，如图2所示:
 

图2   Profibus-DP硬件组网界面

 

       (3) 通过西门子提供的OPC Server程序读写PLC中的的数据。用鼠标点击SIMATIC NET→Profibus→Softnet Profibus→OPC Scout"，进入OPC Server的项目配置环境;在OPC Server中用鼠标双击"OPC.SimaticNet"，新建一个组名，双击创建的组则可打开"OPC-Navigator"，此时

可看到在配置网络过程中选择的协议;双击“DP”项，在OPC中作相应的定义。定义完毕后，运行OPC Server程序，则可通过Profibus-DP总线协议和PLC建立连接。
       (4) 用组态王读取OPC Server中的数据。在组态王中选择OPC.SimaticNET建立OPC服务器，在“数据字典”中定义变量，变量为I/O型，连接设备为OPC服务器，即OPC.SimaticNET，寄存器中可直接引用OPC中所定义的所有变量元素;在制作好的画面上建立变量的动画连接并运行组态王，则组态王可通过OPC与S7-200通信。

       5  结束语

       利用组态王开发简单，网络通信不需了解协议的具体细节的优点，结合S7-200良好的开放性和兼容性，可建立多种实时监控系统，提高工业自动化水平。