程鳳霞

(中國煤炭科工集團(tuán) 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(shù)的發(fā)展進(jìn)步，不僅依賴于采煤工藝的發(fā)展，還與設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)性息息相關(guān)。計算機(jī)工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展并在各行各業(yè)得到了普及應(yīng)用。煤炭生產(chǎn)的地面集中監(jiān)控信息化平臺的使用，是計算機(jī)技術(shù)在煤炭自動化發(fā)展過程中的成功應(yīng)用。為了豐富遠(yuǎn)控平臺的采集信息，更好地服務(wù)于煤礦生產(chǎn)，采煤工作面設(shè)備必須具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能，以便將工作過程中的一系列關(guān)鍵參數(shù)信息通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。本文提出了以S7-200為核心的控制系統(tǒng)與上位機(jī)通信的可行性方案，并對錨桿電液控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造。

1 S7-200 PLC及OPC技術(shù)

S7-200 PLC是一種小型可編程控制器，它以程序控制方式實(shí)現(xiàn)邏輯控制，替代了繼電器的復(fù)雜硬線連接，并可輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動化控制，且在煤礦設(shè)備電氣系統(tǒng)的設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用?；赟7-200的電控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，監(jiān)控上位機(jī)需單獨(dú)選擇組態(tài)軟件，而WinCC類國產(chǎn)組態(tài)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(tài)軟件開發(fā)廠商缺乏溝通，導(dǎo)致對這類PLC通信驅(qū)動的支持不充分，不能成功地實(shí)現(xiàn)與S7-200 PLC系統(tǒng)的直接數(shù)據(jù)傳遞，需要OPC Server作為組態(tài)軟件與PLC控制系統(tǒng)的中間橋梁對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。S7-200控制系統(tǒng)與組態(tài)軟件的通信原理如圖1所示。

圖1 S7-200控制系統(tǒng)與組態(tài)軟件的通信原理

OPC是OLE的縮寫，它不依賴于計算機(jī)語言、操作系統(tǒng)及硬件平臺，是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的一種規(guī)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(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)間建立一整套“規(guī)則”，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的透明訪問。因此，OPC成為工業(yè)控制領(lǐng)域一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制[1-2]。

根據(jù)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(shí)現(xiàn)與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client端數(shù)據(jù)信息的傳遞。

2 新錨桿電液控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

液壓錨桿鉆機(jī)電控系統(tǒng)，是以西門子控制器S7-200為控制核心的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，其具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。該控制系統(tǒng)的控制對象有油泵電動機(jī)、照明燈、熒光燈、語音報警裝置等，可采集的信號有電動機(jī)電流、行走壓力、錨鉆壓力、瓦斯報警信號及其他各種保護(hù)、控制信號。原電控系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原電控系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)

以S7-200為核心的電控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(wǎng)通信、Modem調(diào)制解調(diào)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(wǎng)通信來實(shí)現(xiàn)雙方信息的交互[3-6]。

新錨桿電液控制系統(tǒng)就是以原電控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加了將S7-200電控系統(tǒng)連接到工業(yè)以太網(wǎng)的通信處理器——以太網(wǎng)模塊，并使用STEP 7 Micro/WIN，通過以太網(wǎng)模塊對S7-200進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)、編程和診斷。升級改造后的電控系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造后的電控系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)

西門子公司具有專用的以太網(wǎng)模塊CP243-1，它作為以太網(wǎng)通信處理器，可以將以S7-200為核心的控制系統(tǒng)連接到工業(yè)以太網(wǎng)(IE)中。CP243-1以太網(wǎng)模塊是一種連接在S7-200上的智能擴(kuò)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(wǎng)模塊可以獨(dú)立地處理在工業(yè)以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其特點(diǎn)為：

1) 通信是基于TCP/IP協(xié)議的。

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

3) 集成S7-OPC服務(wù)器之后，可以實(shí)現(xiàn)PC應(yīng)用。

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

3 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

以太網(wǎng)基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，其通信協(xié)議基于ISO和TCP/IP技術(shù)。CP243-1以太網(wǎng)模塊是以高達(dá)100 Mbit/s的速度經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并最多可同時支持8個連接。

上位機(jī)要利用CP243-1實(shí)現(xiàn)通過以太網(wǎng)對S7-200 CPU的數(shù)據(jù)訪問，需在軟件編寫界面中進(jìn)行以下設(shè)置：用STEP7-Micro/WIN軟件，在Tools——Ethernet Wizard(以太網(wǎng)向?qū)?中對CP243-1進(jìn)行配置，設(shè)定CP243-1模塊的位置、IP地址、模塊命令字節(jié)及連接數(shù)、與上位機(jī)的連接配置、存儲區(qū)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(jié)及連接數(shù)配置

(d) 上位機(jī)連接配置

(e) 存儲區(qū)配置

在配置過程中，首先根據(jù)S7-200電控系統(tǒng)中各個模塊的安裝位置來確定需要進(jìn)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(shè)定子網(wǎng)掩碼、IP地址等，并要保證CP243-1的IP地址和上位PC機(jī)的IP地址在一個網(wǎng)段上。設(shè)置CP243-1模塊占用的輸出字節(jié)地址及訪問連接數(shù)量。在系統(tǒng)設(shè)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(jié)。CP243-1的輸出字節(jié)地址按順序排，設(shè)定為QB2。電控系統(tǒng)既可作為Server(服務(wù)器)端，也可作為Client(客戶端)。本系統(tǒng)設(shè)計中，電控系統(tǒng)作為Server，PC機(jī)作為Client。Client通過訪問Server中的PC Access，實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)中同時訪問Server的Client數(shù)量即為連接數(shù)量，實(shí)際應(yīng)用中，僅一個監(jiān)測中心的上位機(jī)訪問該電控系統(tǒng)，故連接數(shù)量設(shè)置為1個。接下來，指定連接應(yīng)當(dāng)用作客戶機(jī)還是服務(wù)器，并配置每個連接的相關(guān)屬性。最后，為CP243-1模塊的配置信息設(shè)定一個V存儲區(qū)，該存儲區(qū)大小根據(jù)實(shí)際設(shè)置而定。在設(shè)置時只需指定該存儲區(qū)的初始地址即可。初始地址既可使用系統(tǒng)建議地址，也可手動設(shè)置。設(shè)置完成后的V存儲區(qū)地址不能與程序中已經(jīng)使用的地址相沖突。

4 軟件設(shè)計

在原程序基礎(chǔ)上要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，需對新加的網(wǎng)絡(luò)模塊CP243-1模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)與PC Access軟件的通信。S7-200PLC有專用的網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)定功能塊，可直接在STEP7-Micro/WIN軟件的程序庫中進(jìn)行調(diào)用,而無需再另外編寫。圖5為完成網(wǎng)絡(luò)功能程序塊ETH0_CTRL的初始化設(shè)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(shè)置為V4000.0、VW4002、VW4004，區(qū)別于Ethernet Wizard(CP243-1)做配置時指定的V存儲區(qū)VB 4558～VB 4716，也區(qū)別于程序中已經(jīng)用到的變量地址。此CP243-1初始化指令應(yīng)在每次程序掃描時被調(diào)用在程序中，故在程序中利用SM0.0調(diào)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(yùn)行，此時對CP243-1網(wǎng)絡(luò)模塊的配置才正式生效。

5 客戶端通信測試

電控系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)分屬于兩個不同的專業(yè)領(lǐng)域，其設(shè)計一般由兩家廠商分別進(jìn)行研制。在電氣控制系統(tǒng)完成后,對通信是否成功地驗(yàn)證依賴于上位機(jī)的直接通信是很不現(xiàn)實(shí)的，而服務(wù)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(jìn)行：

1) 設(shè)置通信訪問通道。打開PC Access軟件，點(diǎn)擊MicroWin進(jìn)入PG/PC Interface，設(shè)定通信方式為TCP/IP。

2) 創(chuàng)建PLC。點(diǎn)擊MicroWin進(jìn)入New PLC，添加一個S7-200的PLC站。

3) 創(chuàng)建Item。點(diǎn)擊新添加的S7-200 PLC站，進(jìn)入New添加條目Item，定義要從PLC讀取的內(nèi)存數(shù)據(jù)的地址、數(shù)據(jù)類型及訪問方式。

4) 測試通信質(zhì)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(jié)果如圖6所示。

圖6 Access與上位機(jī)通信仿真測試結(jié)果

從圖6中可以看到，被讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)的數(shù)值，其通信質(zhì)量為“好”。這一測試結(jié)果表明CP243-1配置正確，可以與上位機(jī)OPC Client正確建立通信，S7-200 PLC的數(shù)據(jù)能夠正確通過以太網(wǎng)上傳到地面監(jiān)控中心。

6 結(jié)論

利用CP243-1以太網(wǎng)通信模塊對基于S7-200 PLC的液壓錨桿鉆機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造，可以通過PC Access軟件與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client進(jìn)行通信，而且改造成本低，周期短，網(wǎng)絡(luò)功能編程簡單，在實(shí)際應(yīng)用中凸顯了通信可靠的優(yōu)點(diǎn)。這一成功應(yīng)用為西門子小型PLC電控系統(tǒng)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(tǒng)的信息傳輸至地面監(jiān)控中心，與其他設(shè)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(fā)生，提高了煤礦的生產(chǎn)率及安全系數(shù)。