西门子模块6ES7222-1EF22-0XA0功能介绍

　1 引言

　　西门子S5系列PLC在我国工业生产中运用广泛，然而随着时间的推移和生产规模的不断扩大，目前这些运行中的S5 PLC有些已经逐渐无法适应新的生产需要，而且西门子公司已经不再生产S5系列PLC，一旦这些PLC某些部件发生故障将很难找到可替换的零配件。因此一些企业急需将原有的S5系列PLC升级为S7系列或者其它品牌的PLC。然而在某些生产环境中为了保证生产的连续性，不可能将所有的S5 PLC一次性全部替换，只能通过逐步、分级替换的方式来完成。在替换过程中新老PLC之间的通讯问题是能否完成新老PLC系统之间无缝连接以及系统升级能否顺利完成的关键。

　　本文主要论述了一种用于在特殊情况下解决S5 PLC与S7 PLC之间实现点对点通讯的解决方案。

　　2 项目概述

　　某公司立体仓库用于负责该公司产品的中转和储运工作，是保证整个生产能够顺利进行的关键环节。该自动化仓库采用先进的计算机网络监控方案，将整个生产过程分为o，1，2共3级进行管理。

　　其中，2级为计算机管理级别，负责生产任务的设定、管理，生产数据的维护、数据库的管理和维护、监控状态显示等功能，是整个中间库监控系统的大脑。

　　1级系统为西门子S5—155H PLC，负责将2级计算机产生的控制任务转化为0级系统能够识别的具体的任务代码，并将该代码发送给0级系统，调度0级进行相应的工作。同时，实时接收0级系统发送来的当前状态和任务执行情况，并将其传送给2级的计算机管理系统。1级PLC与2级计算机之间的通讯是通过以太网方式进行的，和。级之间的通讯过程是通过点对点通讯进行的。1级系统相当于自动化仓库中的神经系统。

　　o级系统为多个西门子S5系列PLC，具体控制各个不同的动作执行机构完成各项出入库任务。0级系统接收从1级PLC发送来的经过转换的任务代码，根据已经编制好的程序执行具体的动作过程，并将自己的工作状态通过1级PLC反馈给2级系统。当一项任务完成后，0级PLC将进入等待状态，等着2级安排新的任务。0级系统相当于整个系统的手和脚。

　　由于长时间大负荷运行以及设备老化等原因需要将1级管理系统的S5 PLC全部升级为功能更为强大的s7—400 PLC。在改造过程中要尽量避免对0级和2级系统程序的改动，而且新的S7—400 PLC要首先能够和O级的S5 PLC协调工作保证生产的正常进行。并且还要保证将0级PLC更换为S7—400 PLC后，O级和1级PLC协调稳定的运行。

　　3 项目实施中关键问题

　　系统升级的关键是解决新1级系统S7—400PLC和O级系统以及2级系统的通讯问题。由于原系统中O级系统S5 PLC的CPU配置为155U;点对点通讯为CP544(3964R通讯协议，RK512报文)，和1级系统之间使用的是点对点连接方式，1级系统和2级系统之间采用的是以太网连接方式。因此1级系统的S7—400 PLC CPU选用416—3;点对点通讯模块选用CP441—2加两个20mA电流环接口(3964R通讯协议，RK512报文);以太网模块为CP443—1。CP441—2模块通过RK 512协议与。级PLC通讯，CP443—1模块通过以太网与2级系统进行通讯。

　　但是在进行小规模试验的时候发现S7—400和S5进行点对点通讯的时候，短时间内运行没有问题，但是如果连续数天长时间运行的时候偶尔会出现丢失数据包的现象，这在24 h不间断的进出库操作过程中是不允许出现的，在去除了试验环境内所有可能的干扰源后，问题依旧存在。

　　4 解决方案

　　我们所采用的RK512协议包含物理层，数据链路层和传输层。每一个命令报文都有一个响应报文，保证数据的无差错传送，而且该通讯协议采用类似客户机服务器的通讯模式，通信的主动端通过“FETCH”读出被动端的数据，通过“SEND”修改被动端的数据。而且该协议目前主要用于与S5 PLC的串口进行通讯。

　　因此从通讯协议的选择上来说是正确的，不是协议本身的问题造成通讯过程中的丢包问题。于是我们从硬件方面的问题去查找，但是通过替换法检查，无论是S5还是S7—400 PLC通讯模块本身都没有问题。因此初步认为是由于西门子S5与S7—400之间点对点通讯模块存在某些不兼容的环节。我们决定通过第3方产品来实现S5与S7—400之间的间接通讯来解决这个问题。

　　通过查找发现WoodHead公司的产品可以进行各种常见通讯协议的转换，实现不同设备之间的通讯过程。基于这一点考虑，相同通讯协议之间进行通讯应该也可以实现。制定了一套测试方案并得到了一个GT4010网关进行S5和S7之间的点对点通讯测试。

　　GT4010 4串口网关(型号：APP—GTW—S4R)，每个通道内配置20 mA电流环通讯接口。GT4010通讯网关的通讯原理是通过不同的接口电路如20 mA电流环或者Modbus，连接支持不同的通讯协议的通讯节点，将需要进行通讯的数据采集到自己的数据库中，经过协议转换后再发送到目的节点上，如图1所示。

　　通过免费串口通讯配置软件GT4010 Con—sole如图2所示，可进行端口协议配置和数据自动读写功能。测试系统连接图如图3所示。

　　s7—400通过CP441—2点对点通讯模块与G，r4010进行连接，为此在CP441一侧需安装9632电流环接口模块，在GT4010一侧需安装5BC20电流环接口模块，具体的接线形式如图4所示。

S5—155与GT4010的连接是通过CP544(或者CP525)进行的，其接线形式和CP441类似。具体接线形式如图5所示。

　　5 系统测试

　　为了能够全面测试整个通讯系统工作的情况，设计了两种通讯工作形式：方法1分别在S5和S7上编制点对点通讯程序，以S5和S7为数据收发的主动方，主动向GT4010发送和读取数据，GT4010只作为数据中转站使用;方法2以GT4010作为数据收发的主动方，在S5和S7上没有通讯程序，由GT4010直接读取和写入相应的数据块中，GT4010作为数据通讯网关使用。

　　为了能够真实检测通讯效果，在测试时间上，确定为8 h，一周5 d不间断大数据量的数据读取，这样的工作强度完全超过了改造后实际系统的工作状况。如果在这样的测试中系统能够满足要求，那么在实际工作状态下应该可以实现系统设计要求。

　　两次的测试分别用了一周时间完成，通过监控STEP7中的目的数据块中的数据变化过程，没有发现有数据中断、丢失、错误等情况，系统完全实现了设计要求，能够满足实际工作环境下的应用。在这样的结果基础上，方法2应该是好的工作形式，因为这种方法充分发挥了多协议网关作为通讯网关的优势作用，减轻了PLC的通讯编程负担，释放了CPU的资源，使得PLC可以完成更多的控制工作。而且，这种工作方式，通讯网络结构更简单，不仅可以实现点对点通讯还可以实现一点对多点和多点对多点的通讯，而且使网络功能划分更合理，简化了网络结构，提高了系统的可靠性。

　　1 引言

　　目前，输送带控制系统在工业领域有着广泛的应用。例如，火电厂的燃料煤是通过煤场的输送带送进锅炉的。由于煤粉污染大，作业环境恶劣，因此，需要对输送带实现自动控制。此外，输送带控制系统也广泛运用于井下采矿和食品业等。对于输送带实现自动控制以及其运行的可靠性与稳定性直接影响着生产发展。采用传统的接触继电器控制系统，不仅接线复杂、抗干扰能力差，易因接触不良而造成故障，而且功能扩展性差。PLC系统因其可靠性高、编程简单、功能完善而越来越受到青睐，传统的接触继电器控制系统已逐步被PLC系统所取代。本文介绍了基于PLC的输送带控制系统，该系统通过PLC控制输送带的运行与停止、翻身电机和推杆电机的正反转，实现了生产过程的自动化。该系统的上位机部分采用VB编程，通过RS232实现了PLC与上位机的通信，能够通过上位机来对现场进行实时监控。

　　2输送带控制系统描述及其系统运行要求

　　输送带控制系统由系统控制柜和传送带本体两部分组成。系统控制柜的操作面板上装有计数显示器、电源指示灯、故障指示灯、急停按钮、启动按钮、停止按钮、角度调整按钮、PLC输入输出端子以及电源接口等。计数显示器用来记录、显示传送带输送工件的数量;电源指示灯用来反映控制系统是否已经通电;故障指示灯用来显示有无故障，若有紧急情况，操作人员可按紧急按钮，系统将立即停止运行，只有急停按钮复位后系统才可重新启动;角度调整按钮是用来服务于翻身电机的。由于翻身电机在运行时受惯性、摩擦等因素，使得翻身电机在多次运行之后会产生累加误差，使其不能返回初始位置，通过角度调整进行校正，使翻身电机回到初始位置。输送带俯视图如图1所示，输送带本体是由输送带电机、翻身电机、推杆电机及其传动装置所构成的，用来完成用户所要实现的工艺流程。

　　该系统有如下运行要求：

　　(1)按下启动按钮后，系统开始运行，电机动作。

　　(2)当传感器1检测到传送带1上物体后，计数器加1，并显示累计的数据，同时PLC开始延时(时间的长短大于或等于工件从传感器1到翻身电机处所需的时问)。

　　(3)延时时问到，翻身电机动作。运行一段时问，也就是正转90。后，停顿若干秒，翻身电机反转复位，复位所用时间与正转所用时间相同。这样翻身电机将工件翻个身送到传送带2上。

　　(4)当传感器2检测到传送带2上有工件时，延时一段时间(时间的长短等于工件从传感器2被送到推杆处所需的时间)，推杆动作，将工件推出传送带后复位。在推杆动作期问传动带1、2以及翻身电机不能工作，推杆复位后传送带、翻身电机才能动作。

　　(5)物体在输送带运行的时候，是根据两个传感器的触发来决定工作时序的。为避免产生误动作，手及其他物体不要离光电传感器的探头太近，以免产生误动作。

　　3确定系统的输入输出点数及PLC类型

　　要配置的PLC，其输入、输出点数分别与系统的输入、输出设备相对应。本控制系统的输入设备有：启动按钮、停止按钮、角度调节按钮、急停按钮、传感器1、传感器2等。输出信号包括：急停输出、传送带运行输出、翻身电机正转输出、翻身电机反转输出、推杆电机正转输出、推杆电机反转输出、系统运行指示输出、故障输出等。根据输入、输出点数，系统选用三菱FXlS一20MR型PLC，它有12个输人点和8个输出点，能够满足系统的要求。控制系统的I/O分配表如表所示。

　　4 系统的软件设计

　　4.1下位机程序设计

　　三菱FX系列PLC采用的是FXGPXIN编程环境。根据电路结构和系统要求，系统的程序流程如图2所示。这个程序主要由程序初始化模块、传感器检测模块、角度调整模块等组成。

　　4.1.1程序初始化模块

　　系统开始运行时，要先检测故障按钮和急停按钮的情况。若有故障，故障输出点Y7输出，同时将系统运行点Y6、传送带运行点Y1复位，将相应的定时器和计数器也复位。当有紧急情况按下急停按钮时，急停点Y0输出，同时复位Y1、Y2、Y7及相应的定时器。系统通电后，若没有急停和停止按钮按下，输送带开始运行。

　　4.1.2传感器检测模块

　　若有货物在输送带1上，货物首先会经过传感器1，计数器加1，同时定时器T。开始延时l0s。l0s后翻身电机开始反转，将货物翻身后再正转，恢复初始位置，货物运行在输送带2上，传感器2将检测到有货物经过，启动定时器T2，延时20s，20s后推杆电机开始动作，将货物推出去后复位，如此循环。传感器1的输出对应着PLC的输入点X004，传感器2的输出对应着PLC的输入点X005。传感器1对应的PLC程序梯形图如图3所示。

4.1.3角度调整模块

　　角度调整是服务于翻身电机的。翻身电机的初始位置是指翻身的剖面与皮带面在同一水平位置。由于翻身电机在运行时受惯性、摩擦等因素影响，翻身电机在多次运行后会产生累加误差，使得翻身电机不能返回初始位置，因此要进行角度调整，使其回到初始位置。角度调整的具体做法是通过对角度调整按钮X002输入调整信号，则定时器T，定时0.5s，翻身电机翻转0.5s时间能翻转的角度，实现翻身电机微调的目的，直至翻身电机处于初始位置为止。相应的PLC梯形图如图4所示。

　　4.1.4特殊辅助继电器的使用

　　在本系统的软件设计中，用了许多辅助继电器。辅助继电器M在程序中的作用相当于继电器控制系统中的中间继电器，用于中间状态的暂存、移位、辅助运算等。PLC的内部继电器分为普通型、掉电保持型和赋予特殊用途型三种。系统除了用普通继电器外，还用到了两个特殊用途的继电器：M8002和M8012。M8002的功能是在程序运行的个周期产生一个脉冲宽度为一个扫描周期的脉冲输出，供初始化使用;M8012是提供100ms的周期性脉冲输出拉J。

　　4.2下位机PLC与上位机的通信

　　FX系列PLC的编程接口采用RS422标准，而计算机的串行口采用RS232标准。因此，作为实现PLC与计算机通信的接口电路，必须将RS422标准转换成RS232标准。PLC的RS422接口配接DB一25型连接器，而PC机一般用DB一9型连接器。将RS232的RS、CS短接，这样对计算机发送数据来说，PLC总是处于就绪状态。也就是说，计算机在任何时候都可以将数据送到PLC内。又由于DR、ER交叉连接，因此，对计算机接收数据来说，必须等待至PLC处于准备就绪状态。

　　FX系列PLC与计算机之间的通信采用RS232标准，其传输速率固定为9 600bit/s，奇偶校验位采用偶校验，数据以帧为单位发送和接收。一个帧由起始位、命令位、地址位、停止位和校验位组成。

　　FX系列PLC与计算机之问的通信是以上位机发出初始命令，上位机实现对PLC的读写和强行置位，PLC对其做出响应的方式进行通信的，上位机共发出0、1、7、8四种命令，通过ENQ、ACK和NAK，上位机协调与PLC的通信应答。

　　5上位机软件设计

　　上位机监控部分采用bbbbbbs9x/2000/NT环境下运行的Visual Basic(VB)开发的监控软件。用VB开发串行通信程序时有两种方法，一种是bbbbbbs API函数，另一种是VB支持的通信控件MSCOM M.OCX。利用bbbbbbs API函数是通过调用读写等函数来操作串口。两种比较，使用MSCOM M.OCX控件编程方便，具有更完善的发送和接收功能。本系统需要设置的MSCOMM.OCX的相关属性值主要有：①CommPort，设置或传回通信连接端13代号。②Settings，设置初始化参数，以字符串的形式设置或传回连接速度、奇偶校验、数据位、停止位等四个参数。③PortOpen，设置或传回通信连接端13的状态。④bbbbb，从输入寄存器传回并移除字符。⑤Output，将一个字符串写入输出寄存器。⑥bbbbbLen，指定由串行端口读入的字符串长度。⑦InBufferCount，传回在接收寄存器中的字符数。上位机需要对输送带进行监控，监控界面分为监视和控制两大部分组成。整个系统的实时工作状态可形象地显示在上位机的屏幕上，并且根据具体情况做必要的控制。操作人员可以不用接触输送带系统的控制面板，就可以实现用电脑控制输送带的自动化生产的目的。

　　系统上位机主界面如图5所示。根据输送带的功能，控制面板上设有启动、停止、急停、故障、角度调节按钮。按动某功能按钮，系统就从串行口发出响应命令字符串，输出端将做出相应的动作，在窗体侧Timer2设定扫描频率为0.2s/次，则系统每隔0.2s扫描一次，若返回信息符合对应操作的情况，则界面上相应的指示灯亮，实现实时监控的目的。同时通信窗口出现“写出成功”字样。监视部分对执行装置的工作情况及时做出反应，一旦出现故障，要立即发出相应动作命令，进行及时补救。

　　当按下控制命令按钮后，调用控制程序，cmd、adds、SUM分别被赋值，其中cmd为命令代码，adds为需要进行操作的元件地址，SUM为校验和。控制写出函数首先向PLC发送通信请求命令“05H”，然后进入LOOP循环，等待PLC回答，接收缓冲区字符数为1，则PLC有回答。然后判断PLC是否准备好接收，如果准备好，则将cmd、adds、SUM组合成完整的字符串，写入到串口发送缓冲区，由RS232串行通信口发送到PLC，然后启动接收延时，等待PLC回答。如果PLC回答正忙或查询等待超过限制时间，则在消息窗口提示“PLC忙或连线出错!”，提示使用者重试或检查连线。

　　6 结束语

　　在调试的过程中，出现了输送带跑偏、推杆电机无法动作的现象，经检查发现是机械故障，调整以后运行状态良好，达到了设计的基本要求。本文所述的输送带控制系统，已成功运用于某月饼厂家。系统由于采用了PLC控制技术，实现了生产自动化，提高了生产效率和经济效益，实践证明，该系统工作性能可靠，具有很强的实用性。