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1  引言

随着工业生产的不断发展,工业控制软件取得了长足的进步。然而,由于生产规模的扩大和过程复杂程度的提高,工业控制软件设计面临着巨大的挑战,那就是要集成数量和种类不断增多的现场信息。传统的方式是通过开发设备专有驱动程序来实现对数据的访问。这就带来诸多问题,如耗费大量重复性的劳动,不同设备供应商的驱动程序之间的不一致,硬件性能不能得到广泛支持,驱动程序不能适应升级后的硬件以及发生存取冲突等。解决上述问题的关键在于一个统一的接口标准。正是基于这种需要产生了OPC标准。

iFIX是基于bbbbbbsNT/ 2000平台和多种工业标准之上的功能强大的组态软件,有极大的易用性和可扩展性,方便系统集成,广泛应用于工业现场。iFIX集成了COM/DCOM、OPC等先进的现代软件技术。

S7-200系列小型可编程序控制器PLC适用于各行各业中小机器设备的控制,适合各种场合中的检测、监测及控制的自动化,具有极高的性能价格比,用途广泛。PC ACCESS是西门子推出的专用于S7-200 PLC的OPC Server(服务器)软件,它向OPC客户端提供数据信息,可以与任何标准的OPC Client(客户端)通讯。 

本文介绍了通过OPC技术实现上位机IFIX组态软件和下位机西门子S7-200系列PLC的通信原理及过程。

2  OPC技术概述

2.1  OPC定义

OPC(OLE  for Process Control)是一套以微软COM,  DOOM (Distributed COM)技术为基础,基于bbbbbbs操作平台,为工业应用程序之间提供高效的信息集成和交互功能的组件对象模型接口标准。OPC实际上是提供了一种规范,通过这种规范,系统能够以服务器/客户端标准方式从服务器获取数据并将其传递给任何客户应用程序。这样,只要生产商开发一套遵循OPC规范的服务器与数据进行通信,其他任何客户应用程序便能通过服务器访问设备。

2.2  OPC基本结构

OPC技术的实现由两部分组成,OPC服务器部分  及OPC客户应用部分。其应用模式如图1所示。OPC服务器是一个典型的现场数据源程序,它收集现场设备数据信息,通过标准的OPC接口传送给OPC客户端应用。OPC客户应用是一个典型的数据接收程序,如人机界面软件(HMI)、数据采集与处理软件(SCADA)等。OPC客户应用通过OPC标准接口与OPC服务器通信,获取OPC服务器的各种信息。符合OPC标准的客户应用可以访问来自任何生产厂商的OPC服务器程序。

PLC从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
 
CPU的构成
 
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
 
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
 
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
 
I/O模块
 
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。
 
常用的I/O分类如下：
 
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
 
模拟量：按信号类型分，有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
 
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
 
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受大的底板或机架槽数限制。
 
电源模块
 
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源(220VAC或110VAC)，直流电源(常用的为24VDC)。
 
底板或机架
 
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。1 DCS系统概述
集散控制系统DCS指的是控制与现场分散、地域安装分散、管理和显示集中。在自动化领域，越来越多的企业建立了包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化管控平台，建立了以工业控制网络技术为基础的企业信息化平台。
2 PLC系统
PLC是由早期继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的，它是以微处理器为主的一种工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，可靠性高、功能强大、控制灵活、操作维护简单。
3 网络通信技术
工业以太网在技术上与商用以太网兼容，但在环境适应性、可靠性、安全性和安装使用方面满足工业现场的需要。它具有一系列的优点，具体表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；可持续发展的空间大等。它提供了控制网络的数据传输的以太网标准。主要有：
（1）10Base—T以太网一同轴电缆，10Mbit／s；
（2）快速以太网一光缆或双绞线，100Mbit／s；
（3）Gigabit以太网一光缆或双绞线，1Gbit／s；
（4）10Gigabit／kGigabit以太网一支持广域网WAN和城域网MAN。它以通信网络作为纽带，网络结构可分为总线型、环型和星型式，采用总线式网络的DCS如I／AS等。它采用网络通信技术。这是DCS的关键技术，它使得控制与管理都具实时性，并解决系统的扩充与升级问题。DCS 与PLC之间的数据通讯和控制的实现就是通过网络通信技术来完成的。
4 Modbus协议
Modbus协议是典型的工业以太网，原为美国Modbus公司PLC产品通信协议，由于其使用十分广泛，后来由Modbus组织，于2002年发展为ModbusTCP／IP规范。
Modbus协议在工业控制中有着极其广泛的应用。DCS与PLC之间的通信技术就是在此协议基础上实现的。Modbus协议主要内容有以下几个方面。
（1）接口标准RS485是计算机或终端与Modem之间的一种接口标准，是在RS232C标准的基础上发展而来的。在许多工业环境中，要求用少的信号线来完成通讯任务。目前广泛使用的RS485串行接口总线正是适应这种需要而出现的。采用RS485互连的网络信号传输线为双绞线，某一时刻两个站只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收数据，只能支持半双工通讯。RS485用于多站互连十分方便，除了节省昂贵的信号线，它还可以高速远距离传送。
（2）功能码在支持Modbus的系统之间交换数据的类型由功能码FC控制。可用于实现位一位数据交换的功能码有：FCO1读线圈（输出）状态、FC02读输入状态、 FC05强制单线圈、FC15强制多线圈。可用于寄存器间数据交换的功能码有：FC03读保持寄存器、FC04读输入寄存器、FC06预设单寄存器、FC16预设多寄存器。每种功能码对应特定的起始地址范围，数据传输量因类别不同而异。
（3）传输参数传输参数包括传输率、数据位、停止位和校验位。在串行通讯中，每个字节被逐位按一定的顺序发出。对于异步串行通讯，为保证收发双方同步，不仅应使收发双方传输速率相同，还要在每个数据位的基础上附加辅助位。
a）传输率（波特率）：指数据传输的速度，单位是位／秒（bps）。
b）数据位：描述多少位代表一个传输的字符。
c）停止位：定义传输两个字符可能的小时间间隔。
d）校验位：用于判断字符传输错误，保护数据。
它定义完成传输数据位的总量是奇数或者偶数。当选择“NO校验”时，不传输校验位，这会降低数据传输的安全。
（4）协议参数协议参数主要有：从站地址、操作方式、多字符延迟时间。
a）从站地址：指定Modbus从站地址，哪个CP将响应。1个主站多可向247个从站发出通讯请求，Modbus报文形式为请求／响应帧方式，仅当主站请求指令字符串以“00”开头时，会被所有从站接收。
b）操作方式：有正常方式和冲突禁止两种。冲突禁止方式下忽略收到的错误信息继续传输。
c）多字符延迟时间：正常情况下，字符和字符的发送时间间隔很小。对于接受方，如果发现字符间隔超出允许值，可认为信息帧结束或传输异常。
5 结束语
在实际应用中，我厂DCS网内、120万t综合自动化调度网、新建80万t调度网及各DCS与PLC系统通过网络通信技术实现了全厂调度自动化，为进一步提升公司生产和管理水平奠定了坚实的基础