锚杆电液控制系统与上位机通信的实现*

程凤霞

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤炭是我国重要的能源资源。煤矿开采技术的发展进步，不仅依赖于采煤工艺的发展，还与设备的技术先进性息息相关。计算机工业技术不断发展并在各行各业得到了普及应用。煤炭生产的地面集中监控信息化平台的使用，是计算机技术在煤炭自动化发展过程中的成功应用。为了丰富远控平台的采集信息，更好地服务于煤矿生产，采煤工作面设备必须具有数据远程传输功能，以便将工作过程中的一系列关键参数信息通过工业以太网传输到地面监控中心。本文提出了以S7-200为核心的控制系统与上位机通信的可行性方案，并对锚杆电液控制系统进行了技术改造。

1 S7-200 PLC及OPC技术

S7-200 PLC是一种小型可编程控制器，它以程序控制方式实现逻辑控制，替代了继电器的复杂硬线连接，并可轻松实现复杂的自动化控制，且在煤矿设备电气系统的设计中得到了广泛应用。基于S7-200的电控系统要实现与上位机的通信，监控上位机需单独选择组态软件，而WinCC类国产组态软件是首要选择。S7-200类小型PLC在上市初期，由于市场定位偏差，与组态软件开发厂商缺乏沟通，导致对这类PLC通信驱动的支持不充分，不能成功地实现与S7-200 PLC系统的直接数据传递，需要OPC Server作为组态软件与PLC控制系统的中间桥梁对系统进行数据采集和控制。S7-200控制系统与组态软件的通信原理如图1所示。

图1 S7-200控制系统与组态软件的通信原理

OPC是OLE的缩写，它不依赖于计算机语言、操作系统及硬件平台，是面向对象程序设计的一种规范，包括OPC Server和OPC Client两个部分。利用这两部分，可在PLC控制系统和上位机监控系统间建立一整套“规则”，从而实现两者之间数据的透明访问。因此，OPC成为工业控制领域一种标准的数据访问机制[1-2]。

根据硬件的不同，OPC Server也多种多样。支持S7-200 PLC的OPC Server，常用专用软件PC Access作为OPC Server软件，实现与任何标准的OPC Client端数据信息的传递。

2 新锚杆电液控制系统的硬件构成

液压锚杆钻机电控系统，是以西门子控制器S7-200为控制核心的数据采集和控制系统，其具有系统结构简单，工作稳定可靠等特点。该控制系统的控制对象有油泵电动机、照明灯、荧光灯、语音报警装置等，可采集的信号有电动机电流、行走压力、锚钻压力、瓦斯报警信号及其他各种保护、控制信号。原电控系统控制单元结构如图2所示。

图2 原电控系统控制单元结构

以S7-200为核心的电控系统要实现与上位机的通信，需要具备与PC Access通信的硬件接口，接口的选择则取决于PC Access的通信方式。PC Access支持的通信方式有PPI通信、以太网通信、Modem调制解调器通信。在这3种通信方式的选择中，考虑到通信双方本身硬件的配置、因通信方式而增加的硬件成本、走线便捷性等，最后选择以太网通信来实现双方信息的交互[3-6]。

新锚杆电液控制系统就是以原电控系统为基础，增加了将S7-200电控系统连接到工业以太网的通信处理器——以太网模块，并使用STEP 7 Micro/WIN，通过以太网模块对S7-200进行远程组态、编程和诊断。升级改造后的电控系统控制单元结构如图3所示。

图3 改造后的电控系统控制单元结构

西门子公司具有专用的以太网模块CP243-1，它作为以太网通信处理器，可以将以S7-200为核心的控制系统连接到工业以太网(IE)中。CP243-1以太网模块是一种连接在S7-200上的智能扩展模块，并不是和所有S7-200的CPU都兼容，它所适用的CPU如表1所示。

表1 CP243-1和S7 200 CPU的兼容

CP243-1以太网模块可以独立地处理在工业以太网上传输的数据，其特点为：

1) 通信是基于TCP/IP协议的。

2) 可以作为通信的客户端或服务器端，从而使S7-200 CPU通过以太网和其他S7控制系统或PC之间进行通信。最多可建立8个连接。

3) 集成S7-OPC服务器之后，可以实现PC应用。

4) CP243-1以太网模块可以使得S7-200编程软件、STEP7-Micro/WIN通过以太网直接访问S7-200 CPU。

3 网络组态

以太网基于IEEE 802.3标准，其通信协议基于ISO和TCP/IP技术。CP243-1以太网模块是以高达100 Mbit/s的速度经由网络进行数据传输，并最多可同时支持8个连接。

上位机要利用CP243-1实现通过以太网对S7-200 CPU的数据访问，需在软件编写界面中进行以下设置：用STEP7-Micro/WIN软件，在Tools——Ethernet Wizard(以太网向导)中对CP243-1进行配置，设定CP243-1模块的位置、IP地址、模块命令字节及连接数、与上位机的连接配置、存储区分配，如图4所示。

(a) 模块位置配置

(b) IP地址配置

(c) 命令字节及连接数配置

(d) 上位机连接配置

(e) 存储区配置

在配置过程中，首先根据S7-200电控系统中各个模块的安装位置来确定需要进行配置的CP243-1模块。由图3中可以看到，CP243-1紧紧挨着S7-200 PLC安装，故需要编辑的配置为ETH配置0(模块0)。然后为CP243-1设定子网掩码、IP地址等，并要保证CP243-1的IP地址和上位PC机的IP地址在一个网段上。设置CP243-1模块占用的输出字节地址及访问连接数量。在系统设计安装中，CP243-1模块安装在紧挨S7-200 PLC的0号槽，其前面的S7-200 PLC的输出占用了QB0和QB1 2个输出字节。CP243-1的输出字节地址按顺序排，设定为QB2。电控系统既可作为Server(服务器)端，也可作为Client(客户端)。本系统设计中，电控系统作为Server，PC机作为Client。Client通过访问Server中的PC Access，实现与 S7-200 PLC的通信，从而直接读取PLC中存储的信息。访问Server的Client可以为1个，也可以为多个，但最多不得超过8个。在网络中同时访问Server的Client数量即为连接数量，实际应用中，仅一个监测中心的上位机访问该电控系统，故连接数量设置为1个。接下来，指定连接应当用作客户机还是服务器，并配置每个连接的相关属性。最后，为CP243-1模块的配置信息设定一个V存储区，该存储区大小根据实际设置而定。在设置时只需指定该存储区的初始地址即可。初始地址既可使用系统建议地址，也可手动设置。设置完成后的V存储区地址不能与程序中已经使用的地址相冲突。

4 软件设计

在原程序基础上要实现数据上传，需对新加的网络模块CP243-1模块进行初始化设置，以实现与PC Access软件的通信。S7-200PLC有专用的网络功能设定功能块，可直接在STEP7-Micro/WIN软件的程序库中进行调用,而无需再另外编写。图5为完成网络功能程序块ETH0_CTRL的初始化设置。

图5 ETH0_CTRL初始化

在ETH0_CTRL初始化程序块中，CP_Re、Ch_Re、Error的地址分别设置为V4000.0、VW4002、VW4004，区别于Ethernet Wizard(CP243-1)做配置时指定的V存储区VB 4558～VB 4716，也区别于程序中已经用到的变量地址。此CP243-1初始化指令应在每次程序扫描时被调用在程序中，故在程序中利用SM0.0调用这个程序块，将此新程序下载到S7-200的PLC中，将PLC重新上电并运行，此时对CP243-1网络模块的配置才正式生效。

5 客户端通信测试

电控系统与上位机监测系统分属于两个不同的专业领域，其设计一般由两家厂商分别进行研制。在电气控制系统完成后,对通信是否成功地验证依赖于上位机的直接通信是很不现实的，而服务器端的PC Access软件具有测试客户端通信的功能，这样便很好地解决了这一问题。测试与仿真分4步进行：

1) 设置通信访问通道。打开PC Access软件，点击MicroWin进入PG/PC Interface，设定通信方式为TCP/IP。

2) 创建PLC。点击MicroWin进入New PLC，添加一个S7-200的PLC站。

3) 创建Item。点击新添加的S7-200 PLC站，进入New添加条目Item，定义要从PLC读取的内存数据的地址、数据类型及访问方式。

4) 测试通信质量。将建立的item拖拽入客户测试端，并启动测试客户端，检测配置及通信的正确性，测试结果如图6所示。

图6 Access与上位机通信仿真测试结果

从图6中可以看到，被读取内存数据的数值，其通信质量为“好”。这一测试结果表明CP243-1配置正确，可以与上位机OPC Client正确建立通信，S7-200 PLC的数据能够正确通过以太网上传到地面监控中心。

6 结论

利用CP243-1以太网通信模块对基于S7-200 PLC的液压锚杆钻机电控系统进行网络化改造，可以通过PC Access软件与任何标准的OPC Client进行通信，而且改造成本低，周期短，网络功能编程简单，在实际应用中凸显了通信可靠的优点。这一成功应用为西门子小型PLC电控系统的改造提供了很好的思路，具有一定的借鉴价值。电气控制系统的信息传输至地面监控中心，与其他设备信息综合考虑，可以全面地了解工作面状况，从而避免了一些危险的发生，提高了煤矿的生产率及安全系数。