基于PLC的自动智能仓储系统的通讯解析

1  自动智能仓储系统简介
               
　　智能仓储系统是集机、电、微机、数据库为一体的产品。使用智能仓储系统的目的是能高效率地利用存储空间提高保管使用率且存放安全。可编程控制器plc以其可靠性、灵活性、适应工厂现场控制等诸多优点在自动仓储控制系统中得到了充分体现。plc能对上位机传送的数据进行分析判断完成数据采集、逻辑运算输入输出控制等功能，然后把指令发给变频器控制电机操作完成动作。
            
2  自动智能仓储系统组成
              
　　本例智能仓储系统的现场人机界面采用触摸屏，对电机的控制采用变频器，控制系统主控单元采用siemens s7-200　plc。智能仓储系统中plc的输入设备有按钮、行程开关、接近开关，输出设备有继电器、接触器。因智能仓储系统的输入量太多，本项目采用了两个plc数字量扩展模块em221，如图1所示。
                                             
   
   图1  em221扩展智能仓储系统的外接输入图
   
3 plc与外部设备的通信协议
              
　　西门子s7- 200系列的plc可以在四种通信模式下工作：ppi模式、mpi模式、profibus - dp模式和自由口通信模式。
               
　　ppi协议用于点对点接口, 是一个主/从协议。ppi方式用于与西门子公司的plc编程器或其它产品通信其通信协议是不公开的。
               
　　mpi协议适用于多点接口, 可以是主/主协议或主/从协议。
               
　　profibus-dp是西门子支持的现场总线网络。这种方式使得plc可通过profibus的dp通信接口接入现场总线网络从而扩大plc的使用范围。
               
　　自由口(freeport)通信模式是对用户完全开放的。自由口通信模式是由用户程序来控制cpu的串口通信。它是s7-200系列plc一个很有特色的功能。
               
　　本项目选用的s7200-226有两个通信口，一个通过em277采用mpi协议与触摸屏通信，一个采用自由口通信与变频器通信。在软件编写时，采用使用ppi协议pc/ppi电缆与pc通信。
            
　　3.1 使用ppi协议的plc编程电缆
               
　　本例智能仓储系统的plc程序在pc(个人计算机)上使用西门子的step7-micro/win32软件编写，step7-micro/win32是用于s7-200系列plc的开发工具，它使用pc机上的com口通过一条pc/ppi编程电缆连到plc的编程口上。虽然pc机的标准串口为rs232，但西门子公司提供的pc/ppi电缆带有rs232/rs485电平转换器因此在不增加任何硬件的情况下可以很方便地将plc和pc机互联。运行软件step7－micro/win32的pc(个人计算机)可以认为是一个ppi主站。
   1  自动智能仓储系统简介
               
　　智能仓储系统是集机、电、微机、数据库为一体的产品。使用智能仓储系统的目的是能高效率地利用存储空间提高保管使用率且存放安全。可编程控制器plc以其可靠性、灵活性、适应工厂现场控制等诸多优点在自动仓储控制系统中得到了充分体现。plc能对上位机传送的数据进行分析判断完成数据采集、逻辑运算输入输出控制等功能，然后把指令发给变频器控制电机操作完成动作。
            
2  自动智能仓储系统组成
              
　　本例智能仓储系统的现场人机界面采用触摸屏，对电机的控制采用变频器，控制系统主控单元采用siemens s7-200　plc。智能仓储系统中plc的输入设备有按钮、行程开关、接近开关，输出设备有继电器、接触器。因智能仓储系统的输入量太多，本项目采用了两个plc数字量扩展模块em221，如图1所示。
                                             
   
   图1  em221扩展智能仓储系统的外接输入图
   
3 plc与外部设备的通信协议
              
　　西门子s7- 200系列的plc可以在四种通信模式下工作：ppi模式、mpi模式、profibus - dp模式和自由口通信模式。
               
　　ppi协议用于点对点接口, 是一个主/从协议。ppi方式用于与西门子公司的plc编程器或其它产品通信其通信协议是不公开的。
               
　　mpi协议适用于多点接口, 可以是主/主协议或主/从协议。
               
　　profibus-dp是西门子支持的现场总线网络。这种方式使得plc可通过profibus的dp通信接口接入现场总线网络从而扩大plc的使用范围。
               
　　自由口(freeport)通信模式是对用户完全开放的。自由口通信模式是由用户程序来控制cpu的串口通信。它是s7-200系列plc一个很有特色的功能。
               
　　本项目选用的s7200-226有两个通信口，一个通过em277采用mpi协议与触摸屏通信，一个采用自由口通信与变频器通信。在软件编写时，采用使用ppi协议pc/ppi电缆与pc通信。
            
　　3.1 使用ppi协议的plc编程电缆
               
　　本例智能仓储系统的plc程序在pc(个人计算机)上使用西门子的step7-micro/win32软件编写，step7-micro/win32是用于s7-200系列plc的开发工具，它使用pc机上的com口通过一条pc/ppi编程电缆连到plc的编程口上。虽然pc机的标准串口为rs232，但西门子公司提供的pc/ppi电缆带有rs232/rs485电平转换器因此在不增加任何硬件的情况下可以很方便地将plc和pc机互联。运行软件step7－micro/win32的pc(个人计算机)可以认为是一个ppi主站。
            
　　3.1.1 pc/ppi电缆的连接
               
　　将pc/ppi电缆有“pc”的rs-232端连接到计算机的rs-232通信接口，标有“ppi”的rs-485端连接到cpu模块的通信口，拧紧两边螺丝即可。
               
　　pc/ppi电缆上的dip开关选择的波特率应与编程软件中设置的波特率一致。初学者可选通信速率的默认值9600bps。4号开关为1，选择10位模式，4号开关为0是11位模式，5号开关为0，选择rs-232口设置为数据通信设备(dce)模式，5号开关为1，选择rs-232口设置为数据终端设备(dte)模式。未用调制解调器时4号开关和5号开关均应设为0。
            
　　3.1.2 pc/ppi电缆通信设置
               
　　step7--micro/win 32的指令树中单击“通信”图标，或从菜单中选择“检视→通信”选项，将出现通信设置对话框，“→”表示菜单的上下层关系。在对话框中双击pc/ppi电缆的图标，将出现pc/pg接口属性的对话框。单击其中的“属性(properties)”按扭，出现pc/ppi电缆属性对话框。初学者可以使用默认的通信参数，在pc/ppi性能设置窗口中按“default(默认)”按扭可获得默认的参数。
            
　　3.2 plc与变频器间的自由口通信模式
               
　　在工业控制中，交流电机的拖动越来越多的由变频器完成，传统的变频拖动控制采用开关量和模拟量信号对变频器进行控制，信号易受干扰，出现通信错误。本项目采用plc对变频器控制，减小了系统布线，避免现场可能的各种电磁干扰对控制设备的影响，有效地提高了系统的抗干扰能力。
               
　　在本项目中，plc与变频器间的通信采用基于uss的自由口通信模式。
            
　　3.2.1通信口初始化
               
　　在进行通信之前, 必须先对通信口初始化。s7-200系列plc主要是通过对相关的特殊寄存器smb30(smb130)及其它特殊寄存器进行设置来实现的,
            
　　可通过smb30(通讯口0)允许自由口模式，但只有在cpu处于run模式时自由口模式才能允许。当cpu处于stop模式时，自由口通讯停止，通讯口转换成正常的ppi协议操作。
            
　　3.2.2 uss协议
               
　　step 7－micro/win32提供了uss指令库，uss指令库可以对变频器进行串行通讯控制，uss指令库使用s7-200 cpu的自由口通讯模式编程实现。
               
　　uss协议的通信字符格式为一位起始位、一位停止位、一位偶校验位和八位数据位。数据报文最大长度位256个字节，包括3字节的头部、1字节的校验码和主数据块，数据块按照字的方式组织，高字节在前。主站与从站间的报文格式为：
               stx   lge   adr   1   2   …   …   n   bcc
             stx：起始字符，总是02h；
             lge：报文长度，n+2；
             adr：从站地址及报文类型；
             bcc：bcc 校验符。
            
　　在adr和bcc之间的数据字节称为uss的净数据。主站和从站交换的数据都包括在每条报文的净数据区域内。净数据区由pkw区和pzd区组成。
                           pkw    pzd
             pke   ind   pwe1   …   …   pwen   pzd1   …   …   pzdn
            
　　pkw：此区域用于读写参数值、参数定义或参数描述文本并可修改和报告参数的改变。其中：pke：参数标记，用来控制传动装置的参数读写。位0~10为参数号位，12~15为参数读写控制。
               ind：参数索引，是16位的区域，通用传动装置应设为0。
             pwe：参数值。pzd为过程控制数据域，根据发送/接收报文格式的有所不同。
             stw为控制字。
             zsw为状态字。
             sw为设置点。
             iw为实际值。
             pzd  报文格式
             pzd1 pzd2 pzd3 pzd4
             stw sw1 sw3 sw2 主站到从站
             zsw iw1 iw3 iw2 从站到主站
             3.3 plc与触摸屏间的mpi通信模式
            
   
　　3.3.1触摸屏
               
　　触摸屏的采用降低了人机沟通的障碍。人机界面(hmi)是操作人员与机器设备之间双向沟通的桥梁，是用户可以自由地组合文字、按钮、图形、数字等来处理、监控、管理或应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。使用人机界面，不必太多控制按钮便可实现手动、自动等多种功能，增进了人员与设备的信息交流，数据的修改，故障报警的识别变得易如反掌。
            
　　3.3.2触摸屏与plc间的mpi通讯
               
　　本例工程中屏与s7-200 plc通过mpi口通讯，屏的编程软件是winncc flexible 2008。plc与触摸屏间通过em277模块转接。
               
　　em277模块是专门用于profibus-dp协议通信的智能扩展模块。em277机壳上有一个rs-485接口，通过接口可将s7-200系列cpu连接至网络，它支持profibus-dp和mpi从站协议，本工程采用mpi从站协议。em277模块上的地址选择开关可进行地址设置，地址范围为：0～99。em277能读写s7-200 cpu中定义的变量数据块。这样，使触摸屏能与plc交换任何类型的数据。
            
4  结束语
               
　　在自动仓储系统中，plc发挥了极其重要的作用。本文重点介绍了自动仓储系统中s7-200plc、触摸屏和变频器之间的通信方案。经过2台样机试验，证明采用该方案的智能仓储系统通信的数据准确，系统功能稳定。