基于PLC的工业以太网控制技术实现.docx

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基于PLC的工业以太网控制技术实现

中国矿业大学毕业设计（论文）任务书

任务下达日期：

2004年2月15日

设计（论文）日期：

2004年2月15日至2004年6月7日

设计（论文）题目：

基于PLC的工业以太网控制技术实现

设计（论文）专题题目：

设计（论文）主要内容和要求：

1．S7系列PLC的上位机软件的设计。

2．S7－300系列控制模块的掌握和认识。

3．S7－300系列控制模块的连接和设计。

4．基于S7－300的工业以太网的设计。

5．基于以太网控制的实现。

院长签字：

指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计（论文）指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计（论文）评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

计算机科学与技术学院

本科毕业设计

论文答辩委员会审定书

所提论文基于PCL的工业以太网控制技术实现

IndustrialEthernetcontrolrealizationtechnicallybaseonPLC

符合本科毕业设计论文要求、业经本委员会评审认可。

答辩组成员：

指导教师：

院答辩委员会主任：

教授

2004年6月

中国矿业大学毕业设计（论文）答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩

学院领导小组负责人：

年月日

基于PLC的工业以太网控制技术实现

IndustrialEthernetcontrolrealizationtechnicallybaseonPLC

学生姓名：

郭建光Student:

jianguangguo

指导教师：

周勇Advisor:

yongzhou

中国矿业大学计算机科学与技术学院毕业设计论文

AThesis

SubmittedtoSchoolofComputerScienceandTechnology

ChinaUniversityofMiningandTechnology

inPartialFulfillmentoftheRequirements

fortheUndergraduateThesisinComputerScience

June2004

Xuzhou,Jiangsu,China

2004年6月

摘要

本论文提出的“基于PLC的工业以太网控制的实现”，是通过研究工业以太网与西门子S7-300系列PLC，最终实现交通灯信号控制。

安装有STEP7软件的上位机通过以太网与CPU315-2DP的以太网部件连接，在CPU315之间实现硬件组态。

并在计算机中利用STEP7软件编写程序。

利用计时器、比较指令等方法模拟交通灯控制，并将此模拟程序下载到PLC的CPU中，实现基于PLC的工业以太网控制交通灯信号。

关键词

工业以太网、PLC、STEP7

Abstract

Thisthesisputsforwardof　“IndustrialEthernetcontrolrealizationtechnicallybaseonPLC”,bystudytheEthernetantheSIEMENSseriesS7-300PLC,realizationthetransportationlightsignalcontrol.ThecomputerwitchinstalledthesoftwareofSTEP7　connectwiththeCPU315-2DPsEthernetpartsbytheEthernet,andconnecttheotherhardware.MakeuseofyourcomputertowritetheprogrambythesoftwareofSTEP7.Makeuseofthetimer,comparisoninstructionetc.methodtoimitatesthecontrolsofthetransportationlight,anddownloadtheprogramtotheCPUofthePLC.RealizationIndustrialEthernettocontrolthetransportationlightsignalbaseonPLC.

Keywords

IndustrialEthernet,PLC,STEP7

中文摘要i

英文摘要ii

目录vi

表列x

图列xii

第一章工业以太网概述1

工业以太网概述1

工业以太网的特点2

工业以太网的应用情况3

工业以太网络的构成3

工业以太网重要性能4

第二章S7-3005

S7-300软件5

S7-300的硬件7

S7-300的以太网模块―CPU3439

第三章基于以太网的交通灯控制系统12

系统概述12

系统的主要内容15

系统的梯形图17

第五章结论23

附录A符号说明

致谢24

参考文献25

英文原文26

中文译文44

表列

表：

S7-300技术数据11

图列

图：

使用STEP7步骤5

图：

S7组合硬件和软件6

图：

交通灯网络结构图12

图：

IP地址分配前13

图：

IP地址分配后14

图：

十字路口交通示意图15

图：

交通灯时序控制16

图：

SIMATICManager编程界面17

图：

OB1-Network118

图：

OB1-Network218

图：

FC1-Network118

图：

FC1-Network219

图：

FC1-Network319

图：

FC1-Network419

图:

FC1-Network520

图：

FC1-Network620

图：

FC1-Network620

图：

FC1-Network721

图：

FC1-Network821

图：

FC1-Network921

图:

FC1-Network1022

图:

Symbols22

第一章工业以太网概述

随着世界范围内网络和信息技术的日趋成熟，在工业通信和自动化应用中日益采用以太网和TCP/IP协议作为最主要的通信接口和手段，向网络化、标准化、开放性方向发展将是各种控制系统技术发展的主要潮流。

以太网作为目前应用最广泛、成长最快的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了超乎寻常的发展。

同时，基于IP的全程一体化寻址，为工业生产提供的标准、共享、高速的信息化通道解决方案，也必将对控制系统产生深远的影响。

1.1工业以太网概述

构建以现场总线为基础的企业信息网络系统，一直是控制领域的美好前景。

从企业的网络架构来看，一般可分为四层：

企业管理层、生产管理层、过程监控层和现场控制层。

传统的控制系统在管理层大都采用以太网，而在过程监控层和现场层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。

目前，以太网技术正以惊人的速度渗透到网络结构的最底层，控制网中融入IP技术是值得注意的动向：

世界上几乎所有著名的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP协议的以太网接口的产品，这种革命式的变化，大体可归纳为以下几方面的原因：

开放的标准和强大的兼容性带来巨大的发展潜力

近来工业以太网的发展已有取代现场总线的趋势，或者说现场总线的发展必然向工业以太网靠近，工业以太网因其协议开放而有广泛应用的潜力。

以太网技术标准的开放性保证了未来仍可获得最大限度的技术支持，并可伴随着技术的进步不断提高网络的通信性能，这一点是其他厂家专有协议网络构架无法比拟的。

来自国际标准组织、工业设备制造厂商等的强大的推动力

国际标准组织和行业协会也都看到了工业以太网的巨大潜力，也正在极力推进在工业中采用以太网和TCP/IP协议，一些互操作的协议也在制定中。

世界知名的工业设备生产制造商开始推出自己的基于以太网的产品，这些产品包括：

可编程控制器、集散控制系统和各种智能I/O。

这必将促进不同厂家、不同种类、不同类型的设备非常方便的集成在同一个应用系统中，并最大限度地消除信息孤岛的产生。

来自以太网标准自身的发展潜力

以太网的诞生，为各种应用解决了通信瓶颈，而诸如图像、高速数据等新的应用，也推动了以太网的发展，它已经成为目前最流行的网络技术。

所有的操作系统和应用程序都与以太网兼容，诸如TCP/IP、IPX、NetBEUI和DECNet之类的上层协议栈也与以太网兼容。

1998年是以太网网络设备发展的里程碑，使用这种技术的产品达到了86％。

以太网正沿着从10Mbps、100Mbps直到10Gbps的速度快速发展，在工业应用中采用以太网完全可以充分保障实时性数据的实时传输和通信对带宽的需求，使今天的应用保持最大的灵活性，并充分保障用户的投资和长远利益。

在生产企业建立以IP为核心的信息网络架构，实现各层信息之间的无缝连接，使整个网络变的信息透明，网络的结构也将变的更加简单、安全。

以太网普遍的应用给用户带来极大的便利

以太网已在办公系统中无处不在，有非常多的应用服务，而且也非常熟悉。

在工业环境中使用，可以减少用户对系统的培训时间，调试安装方便。

由于许多企业在自动化层采用与信息层完全相同的网络和协议，从而使自动化信息可以轻松的集成到工厂的MIS、ERP、SCM、CRM系统中，减少了信息集成的时间费用。

简化了企业的复杂的信息级别。

同时可以通过Internet的优势在世界的任意一个角落可以掌握实时的生产信息。

工业以太网的特点　　　

工业以太网是一种对网络产品的新的解析，虽然与普通商用以太网符合同一系列标准，但是由于工业以太网设备的工作环境与办公环境存在较大差别，二者在各个层面上还是存在着较大的差异。

有人对工业以太网设备与普通商用以太网设备之间的区别做了比较，从表中我们可以看出，工业以太网设备要求工作温度范围较宽、封装牢固（抗振和防冲击）、导轨安装、电源冗余、24VDC可靠供电以及更高的稳定性和网络冗余等，这是普通商用以太网系统所不能比拟的。

而这一切都是基于工业自动化越来越多地要求工业以太网解决方案必须满足鲁棒性和可靠性方面的专门需要。

工业以太网的应用情况

工业以太网是基于IEEE（Ethernet）的强大的区域和单元网络。

利用工业以太网，SIMATICNET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。

企业内部互联网（Intranet），外部互联网（Extranet），以及国际互联网（Internet）提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。

继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网（FastEthernet，符合IEEE的标准）也已成功运行多年。

采用何种性能的以太网取决于用户的需要。

通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。

为用户带来的利益：

市场占有率高达80%，以太网毫无疑问是当今LAN（局域网）领域中首屈一指的网络。

以太网优越的性能，为您的应用带来巨大的利益：

·通过简单的连接方式快速装配。

·通过不断的开发提供了持续的兼容性，因而保证了投资的安全。

·通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。

·各种各样联网应用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。

·通过接入WAN（广域网）可实现公司之间的通讯，例如，ISDN或Internet的接入。

　　SIMATICNET基于经过现场应用验证的技术,SIMATICNET已供应多于400,000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，包括有高强度电磁干扰的区域。

工业以太网络的构成

（1）一个典型的工业以太网络环境，有以下三类网络器件：

·网络部件:

·连接部件：

　　　FC快速连接插座

　　　ELS（工业以太网电气交换机）

　　　ESM（工业以太网电气交换机）

　　　SM（工业以太网光纤交换机）

　　　MCTP11（工业以太网光纤电气转换模块）

·通信介质：

普通双绞线、工业屏蔽双绞线和光纤

（2）SIMATICPLC控制器上的工业以太网通讯外理器。

用于将SIMATICPLC连接到工业以太网

（3）PG/PC上的工业以太网通讯外理器。

用于将PG/PC连接到工业以太网。

工业以太网重要性能：

为了应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠，SIMATICNET为以太网技术补充了不少重要的性能：

·工业以太网技术上与兼容，使用ISO和TCP/IP通讯协议

·10/100M自适应传输速率

余24VDC供电

·简单的机柜导轨安装

·方便的构成星型、线型和环型拓扑结构

·高速冗余的安全网络，最大网络重构时间为秒

·用于严酷环境的网络元件，通过EMC测试

·通过带有RJ45技术、工业级的Sub-D连接技术和安装专用屏蔽电缆的FastConnect连接技术，确保现场电缆安装工作的快速进行

·简单高效的信号装置不断地监视网络元件

·符合SNMP（简单的网络管理协议）

·可使用基于web的网络管理

·使用VB/VC或组态软件即可监控管理网络

第二章s7－300

S7-300的软件

STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑、功能块图或语句表。

使用STEP7软件，可以在一个项目下生成你的S7程序。

S7可编程控制器包括一个供电单元，一个CPU,以及输入和输出模板（I/O模板）。

可编程逻辑控制器（PLC）用S7程序监视和控制你的机器。

在S7程序中通过地址寻址I/O模板。

图：

使用STEP7步骤

如果要生成一个使用了许多输入和输出的综合程序，我们最好先作组态硬件。

这样的优势在于STEP7在硬件的组台编辑器中显示可能的地址。

如果你选择第二项，则要自记决定每个地址，只能依据你所选的组件，而不能通过STEP7调入这些地址。

在硬件组态中，你不仅可以定义地址，还可一修改模板的参数和特性。

例如，如果要操作几个CPU，则必须区分各个CPU的MPI地址。

SIMATIC管理器是一个中央窗口，STEP7启动时激活。

缺省设置启动STEP7助手，它可以在创建项目是给你支持。

项目结构用来以一定的顺序保存和排列所有数据和程序。

STEP7支持用符号编程，在OB1中创建程序。

在STEP7中，可以用标准语言梯形逻辑（LAD），语句表（STL）或功能块图（FBD）生成S7程序。

在实际中你必须决定使用哪种语言，一般使用梯形逻辑（LAD）和语句表（STL）的比较多，而且在SIMATIC管理器中各种语言之间可以互相转换，这样就能够各种语言之间互补编程了。

S7程序中，你可以创建有功能块和数据块的程序。

功能块（FB）在程序的分级结构中位于组织块之下。

它包含程序的一部分，这部分程序可以在OB1中被多次调用。

功能块的所有形参和静态数据都存储在一个单独的、被指定给该功能块的数据块（OB）中。

为使你以后能在OB1中编写调用功能块的指令，必须生成相应的数据块。

一个背景数据块（OB）总是被指定给一个功能块。

组态硬件：

一旦你创建了一个有SIMATIC站的项目，就可以组态硬件了。

硬件使用STEP7组态。

这些组态数据以后可以通过下载传送到可编程控制器。

在实际当中，为对错误作出快速反应，可以使用拖放功能将块一个一个地传送到CPU。

为测试目的还可能需要修改已经下载到CPU的快。

要这么作，在在线窗口双击所需要的块，打开LAD/STL/FBD编程窗口。

然后像往常一样编程该块。

这个编完的块会立即在CPU中生效。

图：

S7组合硬件和软件

S7-300硬件

（1）S7-300概述：

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。

SIMATICS7-300可编程序控制器是模块化结构设计。

各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。

（2）S7-300系统组成：

·中央处理单元（CPU）：

各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。

·信号模块（SM）：

用于数字量和模拟量输入/输出

·通讯处理器（CP）：

用于连接网络和点对点连接

·功能模块（FM）：

用于高速计数，定位操作（开环或闭环定位）和闭环控制。

·负载电源模块（PS）：

用于将SIMATICS7-300连接到120/230伏交流电源，或24/48/60/110伏直流电源。

·接口模块（IM）：

用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。

S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。

运行时无需风扇。

·SIMATICS7-300适用于通用领域：

·高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。

（3）S7-300有两种类型：

·标准型：

温度范围从0℃到60℃

·环境条件扩展型：

温度范围从-25℃到+60℃更强的耐受振动和污染特性。

（4）S7-300功能：

SIMATICS7-300的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护

①高速的指令处理

~μs的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。

②浮点数运算

用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算

③方便用户的参数赋值

一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。

④人机界面（HMI）

方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内。

因此人机对话的编程要求大大减少。

SIMATIC人机界面（hmi）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。

S7-300操作系统自动地处理数据的传送。

⑤诊断功能

CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：

超时，模块更换，等等）。

⑥口令保护

多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。

⑦操作方式选择开关

操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。

这样就防止非法删除或改写用户程序。

（5）S7-300通讯

①SIMATICS7-300具有多种不同的通讯接口：

·多种通讯处理器用来连接AS-I接口、和工业以太网总线系统

·串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统

·多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。

②CPU支持下列通讯类型：

·过程通讯：

通过总线（AS-I或PROFIBUS）对I/O模块周期寻址（过程映象交换）

·数据通讯：

在自动控制系统之间或人机界面（HMI）和几个自动控制系统之间，数据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。

（6）S7-300结构

·DIN标准导轨安装：

只需简单地将模块钩在DIN标准的安装导轨上，转动到位，然后用螺栓锁紧。

·集成的背板总线：

背板总线集成在模块上，模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背后。

·更换模块简单并且不会弄错：

更换模块时，只需松开安装螺钉。

很简单地拔下已经接线的前连接器。

在连接器上的编码防止将已接线的连接器插到其他的模块上。

·可靠的接线端子：

对于信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子

·TOP连接：

采用一个带螺钉或夹紧连接的1至3线系统进行预接线。

或者直接在信号模块上进行接线。

·确定的安装深度：

所有的端子和连接器都在模块上的凹槽内，并有端盖保护，因此所有的模块都有相同的安装深度。

没有槽位的限制：

信号模块和通讯处理模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统自行组态。

S7－300的以太网模块―CP343

CP343-1用于将SIMATICS7-300连接到工业以太网。

·10/100Mbit/s通讯速率自检测，支持全双工/半双工连接

·RJ45接口

·可调整的KeepAlive功能

·可通过网络进行远程编程和调试

·基于SNMP的远程诊断

·通过S7路由实现网络间的PG/OP通讯

通讯服务

·TCP/IP和UDP传输协议

·PG/OP通讯

·S7通讯

·S5兼容通讯

客户收益

·直接将S7-300集成到100Mbit/s的工业以太网中，对复杂系统也一样

·通过使用S5兼容通讯，实现对现有投资的保护

·没有槽位规则，使用灵活

·基于TCP/IP协议，可通过广域网（WAN）进行远程编程。

也可以使用电话连接（例如ISDN）

·最多可访问16个SIMATICS7-300上的操作员接口系统

·无需RFC1006，也可以使用合作伙伴系统中的插座接口

·可以通过工业以太网直接调试，即不需要现场PG

应用

通过CP343-1自带的微处理器，可以减轻CPU的通讯任务，并可建立附加的连接

通过CP343-1，S7-300可以与以下设备通讯：

·编程设备、处理器和HMI设备

·其他SIMATICS7系统

·SIMATICS5PLC

设计

CP343-1提供SIMATICS7-300系统设计的所有优点

·设计紧凑，坚固的塑料外壳

·15针Sub-D接口，可实现AUI和双绞线接口的自动转换

·RJ45接口用于连接到工业以太网

·安装简便，可直接安装在S7-300DIN导轨上

·运行时不需要风扇，不需要后备电池

·可用于扩展机架（需与IM360/361一起使用）

·更换CP343-1模块时不需要PG

功能

·CP343-1通过自带的微处理器，独立的处理工业以太网上的数据通讯

·层1至层4符合国际标准，支持ISO、TCP/IP和UDP的多协议运行

·CP343-1拥有一个预设的唯一IP地址，可通过网络直接投入运行

·对下列通讯服务来说，CP343-1工作在多协议操作状态

-PG/OP通讯

-S7通讯

-S5兼容通讯

诊断

通过NCMS7,提供丰富的诊断功能：

·CP的状态模式

·普通的诊断和统计功能

·连接的诊断