西门子6ES7222-1BD22-0XA0大量库存

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随着屏通人机一代一代的HMI的推出，屏通HMI在工业现场运行的可靠性得到用户的称赞，用户普遍感到，把屏通HMI连入PLC系统可以带来一系列的好处。 

屏通人机触摸屏(以下简称HMI)，采用的是屏通公司自行发展的NEO-RTOS操作系统，经历了15年不断的更新，独立发展出一种优良稳定的组态软件平台，特别是在与PLC通讯的反应速度及画面显示等。随着屏通人机一代一代的HMI的推出，屏通HMI在工业现场运行的可靠性得到用户的称赞，用户普遍感到，把屏通HMI连入PLC系统可以带来一系列的好处。

1. HMI 与PLC实现通信的意义

把HMI连入PLC应用系统具有以下四个方面作用：

1)构成以HMI为上位机，单台或多台PLC为下位机的小型集散系统，可用HMI实现操作站功能。

2)在PLC应用系统中，把HMI开发成简易工作站或者工业终端，可实现集中显示、集中报警及资料收集功能。

3)把HMI开发成 多台同类或异类PLC资料转换终端，可通过通讯接口接口接入多台PLC，进行同类或异类的PLC资料的交换。

4)把HMI开发成网间连接器(网关功能)，进行协议转换，可实现PLC与其它上位计算机或其它HMI网络的互联。

另一种为多点结构，HMI与多台PLC共同连在同一条串行总线上，如下图所示。多点结构采用主从式存取控制方法，通常以HMI为主站，多台PLC为从站，通过周期轮询进行通信管理。例如西门子S7-300的MPI通信，屏通HMI可以多屏多PLC形成一个通信结构。

2. HMI 与PLC实现通信的方法

把HMI连入PLC应用系统是为了向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，为PLC应用系统提供良好、物美价廉的人机界面。

为了实现HMI与PLC的通信，用户应当做如下工作：

1)判别HMI上配置的通信口是否与要连入的PLC匹配，若不匹配，则增加通信模块，一般硬件实体通信口为RS232/RS422/RS485。

2)要清楚PLC的通信协议，按照协议的规定与HMI通信。PLC中配有通信机制，一般都不需用户编程。屏通人机的编程软件PM Designer(中文：触控)齐备各家PLC的专用通信协议，用户非常容易就能将HMI与PLC通讯，无须在编写通信程序。

3)利用屏通人机的编程软件PM Designer的软件平台，利用PC编制用户要求的画面及功能。

从原则上讲，HMI连入PLC网络并没有什么困难。只要HMI能配备该种PLC相同的通信口以及通信协议，按要求的接线方式连接，并在编程软件设好参数,下载编译好程序到HM即可。用这种方法把HMI连入PLC网络的好处是价格非常便宜。例如使用PC上配上PLC制造厂生产的专用通信卡及专用通信软件,比使用HMI连接PLC的价格要高数倍甚至十几倍。

首先用户普遍感兴趣的问题是，能否利用HMI中已普遍配有的串行通信把HMI连入PLC，这也正是本节所要重点讨论的问题。

带有串行通信接口的HMI与PLC通信并不一定行得通，只有满足如下条件才能实现通信。

1) 只有带有串行通信接口的PLC及采用串行方式通信的 PLC网络才有可能与带串行通信接口的HMI互连。同时还要求双方采用的总线标准要一致，例如双方都是RS-232C，或者都是RS-422(RS-485)，否则要通过“总线标准变换单元”(转换适配器)变换之后才能互连。另外较常见无法通信成功的原因是,通信连接线的连接错误，请参考屏通HMI手册及PLC手册上的接线方式连接。

3. HMI与PLC实现通信的条件

2) 要通过对双方的初始化，使波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验都相同,以及设定好的PLC站号。

3) 用户必须熟悉互联的PLC采用的是那一通信协议。严格地按照协议规定为在编程软件中选择相同的通信协议。现在许多家PLC同时带有几种类型的通信协议，使用者需要在PLC中选择一种与HMI通信。

满足上述三个条件，HMI就可以与PLC互联通信。如果不能满足这些条件则无法实现互联。

  1. HMI 与PLC实现通信的意义

把HMI连入PLC应用系统具有以下四个方面作用：

1)构成以HMI为上位机，单台或多台PLC为下位机的小型集散系统，可用HMI实现操作站功能。

2)在PLC应用系统中，把HMI开发成简易工作站或者工业终端，可实现集中显示、集中报警及资料收集功能。

3)把HMI开发成多台同类或异类PLC资料转换终端，可通过通讯接口接口接入多台PLC，进行同类或异类的PLC资料的交换。

4)把HMI开发成网间连接器(网关功能)，进行协议转换，可实现PLC与其它上位计算机或其它HMI网络的互联。

另一种为多点结构，HMI与多台PLC共同连在同一条串行总线上，如下图所示。多点结构采用主从式存取控制方法，通常以HMI为主站，多台PLC为从站，通过周期轮询进行通信管理。例如西门子S7-300的MPI通信，屏通HMI可以多屏多PLC形成一个通信结构。

2. HMI 与PLC实现通信的方法

把HMI连入PLC应用系统是为了向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，为PLC应用系统提供良好、物美价廉的人机界面。

为了实现HMI与PLC的通信，用户应当做如下工作：

1)判别HMI上配置的通信口是否与要连入的PLC匹配，若不匹配，则增加通信模块，一般硬件实体通信口为RS232/RS422/RS485。

2)要清楚PLC的通信协议，按照协议的规定与HMI通信。PLC中配有通信机制，一般都不需用户编程。屏通人机的编程软件PMDesigner(中文：触控)齐备各家PLC的专用通信协议，用户非常容易就能将HMI与PLC通讯，无须在编写通信程序。

3)利用屏通人机的编程软件PM Designer的软件平台，利用PC编制用户要求的画面及功能。

从原则上讲，HMI连入PLC网络并没有什么困难。只要HMI能配备该种PLC相同的通信口以及通信协议，按要求的接线方式连接，并在编程软件设好参数,下载编译好程序到HM即可。用这种方法把HMI连入PLC网络的好处是价格非常便宜。例如使用PC上配上PLC制造厂生产的专用通信卡及专用通信软件,比使用HMI连接PLC的价格要高数倍甚至十几倍。首先用户普遍感兴趣的问题是，能否利用HMI中已普遍配有的串行通信把HMI连入PLC，这也正是本节所要重点讨论的问题。

带有串行通信接口的HMI与PLC通信并不一定行得通，只有满足如下条件才能实现通信。

1) 只有带有串行通信接口的PLC及采用串行方式通信的PLC网络才有可能与带串行通信接口的HMI互连。同时还要求双方采用的总线标准要一致，例如双方都是RS-232C，或者都是RS-422(RS-485)，否则要通过“总线标准变换单元”(转换适配器)变换之后才能互连。另外较常见无法通信成功的原因是,通信连接线的连接错误，请参考屏通HMI手册及PLC手册上的接线方式连接.

3. HMI与PLC实现通信的条件

2) 要通过对双方的初始化，使波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验都相同,以及设定好的PLC站号。

3)用户必须熟悉互联的PLC采用的是那一通信协议。严格地按照协议规定为在编程软件中选择相同的通信协议。现在许多家PLC同时带有几种类型的通信协议，使用者需要在PLC中选择一种与HMI通信。

满足上述三个条件，HMI就可以与PLC互联通信。如果不能满足这些条件则无法实现互联。

4. PC与PLC互联的结构形式

用户把带异步通信适配器的HMI与PLC互联通信时通常采用如下图所示的两种结构形式。一种为点对点结构，HMI的COM口与PLC的编程器接口(必须是串行通信口)之间实现点对点链接。

        目前屏通人机HMI具备多个串口，必要时也能两个以上的HMI连接到PLC,形成多个HMI连接一个PLC的结构,

屏通HMI 发展出通透功能，把PC开发成PLC编程终端，可将HMI变成编程器接口接入PLC，进行编程、调试及监控。

另外屏通HMI具备多个串口，也能同时接上两种以上不同类型的PLC,这样可以透过HMI中转,使两种不同类型的PLC资料能够交换。

介绍了基于PC上位机的多台PLC联网通信的方法，实现了多个设备之间的数据共享和协调控制，提高了系统控制的可靠性和灵活性。该联网通信方法简单，可靠性高，具有一定实际应用价值。

0 引言

可编程控制器是在继电器和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术和通信技术为一体，以工业自动控制为目标的的新型控制装置，在工业现场得到了广泛的应用。把PLC与PLC或者PLC与计算机以及其他智能装置通过传输介连接起来，就可实现通信或组建网络，从而构成功能更强，性能更好的PLC网络控制系统。这样可以较大的提高PLC的控制范围、和控制规模，实现多个设备之间的数据共享和协调控制，提高控制系统的可靠性和灵活性，增加系统的监控和科学管理水平，便于用户的程序开发和应用[1，2]。同时，以PC机为上位机实现对各PLC的监控管理及对控制数据的处理，还提供了人机界面友好的操控平台。

1 通信系统联网结构

可编程控制器的联网结构主要指从物理上把各个节点连接起来形成网络，实现通信，构成更强大的控制系统，常用的连接结构主要有链接结构和网络结构。在通信网络中，各网络节点、各用户主机进行通信，必须遵守一套事先制定的规则协议，1979年国际标准化组织提出了一套开放式系统互联参考模型，定义了各种设备连在一起进行通信的结构框架。

组网控制系统的控制器为三菱FX2N-48MR型可编程控制器，选用RS-232C/485转换接口以及FX-485ADP通信模块组成1：8的联网控制系统，实现控制和监控数据的发送与接收，上位计算机监视PLC间的数据通信，开发程序的修改由上位机PCc机编写与下载。上位机与PLC联网通信系统结构图如图1所示。

2 通信协议及通信格式

1) 系统的通信协议

三菱FX2N-48MR PLc的传输参数和传输控制协议设置在内部寄存器D8120，寄存器参数设置可由b0设置数据长度;b1b2设置奇偶校验;b3位停止位设置;b4-b7位控制波特率的设置位;b13位为和校验位;b14位为协议位;b15位为传输控制协议设置。在该组网控制系统中通信方式采用半双工，同步方法采用起始停止位方式同步，传输速率为9600bps，起始位为1位，数据长度为7位，奇偶校验为偶校验，停止位1位，使用校验和，采用三菱公司专用协议，D8120设置为H6082。

2) 站号的设置

网络控制系统中明确各个PLC控制器的站号，用可编程控制器提供的数字来确定计算机在访问的哪个可编程控制器。在三菱FX2N-48MR型PLC中，站号由D8121寄存器来确定，可以应用指令MOVE KX D812l，其中x可从00H到0FH。在该系统中站号设定为0—7。系统采用面向字符的通信协议，以帧为单位，上位机与下位机每次只传送一帧信息，主站发出命令帧发起通信，被访问的从站PLC相应含有自己从站号的命令，从站发出一个响应帧，该从站就通知主站与哪台从站进行通信。

ENQ计算机发出请求，ASCII码为05H：ACK PLc对计算机的提问做出确认回答，ASCII码为06H;NAK PLC对计算机的提问做出否认回答，ASCII码为15H;STX信息帧开始标志，ASCII码为02H;ETX信息帧结束标志，ASCII码03H。PC机向PLC发出的命令PLC不理解时用NAK回答。

3) PC机向PLC发送报文格式

PC机向PLC发送的报文格式如下：

其中STX为开始标志02H;ETx为结束标志03H;CMD为命令的ASCII码;SUMH，SUML为CMD到ETX按字节求累加和，溢出不计。由于每字节十六进制数变为两字节ASCII代码，故校验和SUMH与SUML。

PLC对PC机应答报文格式如下：

对读命令的应答报文数据段为要读取的数据，一个数据占两个字节，分上位下位。对写命令的应答报文无数据段，而用ACK及NAK作为应答内容。

4) 传输过程

PC机与FX2N-48MR之间采用应答方式通信，传输出错则组织重发。PLC根据PC机的命令，在每个循环扫描结束处的END语句后组织自动应答，*用户在PLC一方编写程序。

    3.通信的实现

根据PC机与FX2N-48MR PLC的传输应答过程编制出如图3所示的通信程序流程图。按照流程图可以编写出通信程序实现PC机与PLC之间的串行通信以完成数据的读取。

在分析我国城市路灯远程监控系统发展的基础上，结合我国当前实际情况，提出了基于GPRS无线通信与电力线载波通信PLC的远程路灯监控系统的总体方案与系统构成，并讨论了系统的工作原理、硬件组成及其软件实现方法。该系统实现了对路灯的远程控制，并能对路灯的电力参数、开关量和报警信息进行实时监控，具有良好的应用前景。 

1 GPRS技术简介

GPRS(General PACket Radio Service，通用分组无线业务)是一种基于*二代移动通信系统GSM的无线分组交换技术，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS的传输速率较高可达171.2 kbps，实际应用中的平均速率也高达53.6kbps。GPRS为移动用户和数据网络之间提供连接，为移动用户提供高速无线接口和X.25服务。GPRS采用数据分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以有多个用户共享，因而资源被有效利用。用户永远在线，按流量计费，降低了服务成本。

利用GPRS进行具有如下的优点：

①接入范围广。GPRS是在现有的GSM网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、快速、地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。

②传输速。理论值较高可达171.2 kbps，是当前GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍。下一代GPRS业务的速度甚至可以达到384 kbps，完全可以满足用户应用需求。

③登陆快捷。GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为2 s。

④永远在线，提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系。即使没有数据传送，终端也一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。

⑤按流量计费。用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，按照用户接收和发送数据包的数量计费。没有数据流量时，用户即使挂在网上也不收费。

⑥切换自如。用户在进行数据传送时，不影响语音信号接收。数据业务和语音业务的切换有自动和手动2种方式，具体形式依据不同终端而定。

2 系统总体结构

按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器3层网络结构。系统的总体结构如图1所示。

*1层中央控制室是l台PC服务器，负责整个城市路灯的监控;*2层集中控制器负责一条街上全部路灯的控制;*3层路灯控制器负责同一灯杆上的所有灯具。其中，l层与2层之间使用了GPRS无线通信网，这两层之间距离远，虽然通信成本较高但通信成员少。2层与3层应用了窄带电力线载波通信技术，利用现有的电力线传输信号，不用另外铺设线缆，几乎没有运行成本，特别适合通信对象多的情况。

另外，本设计还具有电量计量等功能，由电压互感器和电流互感器对各路段路灯的电力参数进行实时，将采集到的数据进行分析和存储，或者通过监控中心的巡检把现场各路段工作参数(包括电压电流开关量等)传回监控中心。监测终端能自动检测到跳闸、断路、电压异常、供电故障、开关灯控制异常等突发事件，并及时将告警数据上传监控中心，以供监控中心值班人员及时了解情况做出处理。GPRS通信网络是监控中心与无线数据采集监测终端的通道，选用固定方式通过GPRS网络将所采集到的工作参数主动、及时地上传到监控中心。

3 系统硬件设计

3.1 GPRS发送模块电路设计

GPRS模块主要实现无线上网的功能。市场上有一些成熟的产品，譬如说Sony/Eircsson公司的M47c、Simens公司的MC35等。这里选用Cello公司的CMS91，它是一种双频段GSM/GPRSlO级模块，主要优点有低功耗、接口简单、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS10、开发多媒体应用、价格较低等。同时，它也提供SMS(短消息服务)和语音功能。GPRS模块提供RS232接口，可以通过它来完成对模块的控制，譬如拨号和切换模式等。一旦通过模块连接上Internet，采集到的数据就可以用TCP/IP传输方式发送到任意一台具有公网IP地址的主机上去，从而实现采集数据的无线传输。图2给出了由CMS91构成的GPRS发送模块的电路原理图。

在该设计中，CMS91模块相当于1个无线调制解调器用户的应用系统，需要通过PPP(LCP//IPCP)先和运营商的Internet接入服务器连接，然后才能应用TCP/IP/UDP或者更高一层的应用层程序(如HTTP、FTP等)进行通信。该模块已经集成了1个天线模块，实际使用时需接入SIM卡插座。GPRS终端是通过RS232接口与设备进行通信的，利用电平转换芯片MAX232实现了微处理器的TTL电平与RS232电平的转换。MAX232能满足TIA/EIA-232-F和1TU v.28标准的要求，其工作电源电压为3～5.5 V，有1个驱动器和1个，数据速率较高可达250 kbps，该芯片具有静电保护功能和自动掉线的特点。

3.2 电力线载波模块设计

电力线接口模块由线驱动器和线接口组成，它的主要功能是：

①发送模式中，用于将ST7537送来的传送信号(AT0)放大和滤波;

②接收模式中，从电力线给ST7537的接收口提供接收信号;

③有抵制尖峰脉冲和过载的保护电路。

电力线接口模块的框图如图3所示。线驱动器起放大ST7537的输出信号(AT0)的作用。为了使线驱动器适用于电力线，使用了线接口。在线接口中使用了变压器，其功能为：

◆把其他电路与电力线隔离开;

◆把传输信号送到电力线上去;

◆从电力线中提取出接收信号;

◆滤除传输信号中的谐波。

电力线接口模块的电路原理图如图4所示。

复合晶体管Q1、Q2、Q3、Q4组成推挽式放大器。电阻R1、R2可使放大器获得较佳性能。当(接收模式)时，ST7537输出信号PABC=1和使双较型晶体管Q1和Q5截止，切断了功率放大器的电源，功放不工作。

变压器由1个主绕组和2个副绕组组成。绕组比例为4：1：1，其参数为：主绕组9.4μH，副绕组140μH，C1=2.2 nF。为了防止非线性畸变，C2的线性必须非常好，C3滤除从电力线过来的50/60 Hz的信号，并有短路保护功能。当相位不知时，使用附加电容C4加到C3上去，组成放电回路，避免发生触电危险。

为了避免尖峰信号对电路的破坏，采用1个双向稳压管。当电压值大于或等于稳压管电压时，稳压管就会短接到地，保护接口电路地器件不会被烧坏。

另外，该系统采用了Dallas半导体公司的DS1302涓流充电时钟芯片。该芯片是可编程I2C串行接口时钟芯片，还提供31字节的非易失SRAM用于数据存储。优点是电路结构简单，可以通过单片机的任意I/O口作为SCL和SDA信号线，编程简单，成本较低。

4 系统软件设计

系统主要采用无线Modem CMS91来进行历史数据、实时数据以及报告信息的远程传输。通过单片机AT指令对CMS91进行上网前的设置和数据的传输。当收到CMS91的正确反馈回答后，1条物理信道就在CMS91和GPRS网络之间建立起来。单片机通过向Modem发送不同的AT命令来控制其工作。

CMS91加电后，应用程序需通过P0口操作CMS91的ON/OFF控制位，CMS91正式启动的过程大约3～5 s，若CMS91接有有效的SIM卡，CMS91将附着在GPRS网络。对CMS91的串口读写操作仍然由中断服务程序来实现，复位上电后，程序先进行工作频率等参数的设置，然后进行拨号和PPP协商。PPP协商成功后，将得到系统本地IP，一旦获得自己的IP，系统实际上就已经连入Internet，但要和连入Internet的另一IP终端通信，就还需要与另一IP终端进行端对端的TCP连接。在TCP连接成功后，整个程序将保持这个连接状态。进入TCP连接状态后，可能会收到TCP连接的另一IP终端发来的数据，在层层解包处理之后，便可以得到TCP层之上的种种应用层数据。如果要向对方发送数据，则要先进行中断请求发送，在等到TCP连接建立之后方可发送。这部分TCP/IP协议的处理由CMS91内嵌的单片机来完成。

GPRS模块发送子程序和接收子程序的流程如图5所示。

5 结论

本文设计的基于GPRS和PLC的远程路灯监控系统，相对于以往的时钟以及光电控制路灯，能够对路灯线路进行有效的监控，实现遥控、遥测和遥信功能，而且运行稳定、可靠。该设计采用GPRS和PLC进行通信，*重新铺设线缆和构建新的通信网络，运行成本很低，具有很好的应用和推广价值。