基于PRODAVE技术的西门子PLC监控系统开.doc
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1、目录前言11.背景与意义22.相关技术基础32.1 PLC的发展历史及趋势32.1.1 PLC的发展历史32.1.2 PLC的发展趋势32.2西门子S7系列PLC简介42.3西门子PRODAVE介绍92.3.1 PRODAVE发展概述92.3.2 PRODAVE的运行与函数调用102.3.3 Prodave与PLC连接132.4 Visual Studio简介142.5 C#语言特点153.系统需求分析163.1控制系统整体功能概述163.2上位机监控系统功能概述173.3可行性分析183.3.1技术可行性183.3.2经济可行性183.3.3操作可行性184.监控系统设计194.1系统组成及
2、结构194.2下位机PLC通讯参数设置204.3上位机界面设计224.3.1窗体设计224.3.2添加控件234.4上位机监控系统软件设计244.4.1定义结构体类型264.4.2建立PLC连接函数264.4.3断开与PLC的连接274.4.4激活连接,274.4.5从DB块中读取数据274.4.6向DB块中写入数据284.4.7从M、I、O块中读取数据294.4.8向M、I、O块中写入数据294.4.9 BYTE,INT,BOOL几种类型的数据转换函数304.4.10数据存至SQL数据库314.4.11建立错误日志315.结论33参考文献:34致谢38 前言PLC(Programmable
3、Logic Controler),即可编程控制器,以极高的性价比在工业测控系统中获得了广泛应用,是现代工业自动化三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。随着微电子及测控技术的飞速发展,由PLC 构成的集散控制是现代工业控制的一个重要组成部分。现代工业控制系统大多以PC机为上位机,通过与现场工控设备PLC的数据交换与处理实现对生产过程的自动控制。目前,上位机程序设计主要有两种方式:第一,采用专门的组态软件,如WinCC、组态王等;第二,通过编程语言自行开发。第一种方法操作简单、效率高、对开发人员的要求相对较低,但成本较高;第二种方法相对复杂,要求开发者具有较高的编程水平,开发周期长。但与
4、第一种方法相比具有灵活、成本低的优点1。西门子公司提供的PRODAVE软件包给开发人员提供了大量基于Windows操作系统的DLL函数,供用户解决PLC与PC间的数据交换和数据处理的问题。这帮助开发人员在用第二种方法编写程序时省去了烦琐冗长的通讯部分,只需编写流程处理和数据处理模块,提高了监控系统的开发效率。本文通过对电热炉温度远程监控系统的研究, 探讨了在Microsoft Visual Studio 2008开发环境下,用C#语言开发出基于Prodave技术的西门子PLC监控系统的方法。文中共分五章。第一章,背景意义,主要讲PLC监控系统的背景、意义。第二章,相关技术基础,主要讲述了与本设
5、计有关的基础知识。第三章,系统需求分析,主要讲述系统功能需求及可行性分析。第四章:监控系统设计,主要讲述了具体的设计过程及设计方法。第五章,结论。1.背景与意义PLC(Programmable Logic Controler),即可编程控制器,以极高的性价比在工业测控系统中获得了广泛应用,是现代工业自动化三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。随着微电子及测控技术的飞速发展,由PLC 构成的集散控制是现代工业控制的一个重要组成部分。现代工业控制系统大多以PC机为上位机,通过与现场工控设备PLC的数据交换与处理实现对生产过程的自动控制。西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率,S
6、7-300系列PLC是西门子SIMATIC PLC家族中的成员之一,在西门子工控领域应用中占有重要地位。S7-300系列PLC体积小,软硬件功能强大,系统配置方便,由它组成的系统可以与强大的Profibus现场总线相连接。它推向市场就在各行各业得到了广泛应用。在大多数控制系统中,仅仅是实现控制是不够的,在许多情况下也需要组态监控界面对系统进行监控2。通过监控可以增加人机交互的能力,使操作人员实时地监控系统工作情况并使系统操作变得方便。对S7-300系列PLC组成的控制系统进行监控一般有三种方法:组态软件监控、触摸屏监控、第三方软件编制的监控软件监控。 用组态软件WinCC实现监控,功能强大,灵
7、活性较好,可靠性高。但软件价格高,并需要解决WinCC与S7-300系列PLC的通信问题,在复杂控制系统中可以采用此方法;触摸屏进行监控,可靠性高,监控实现容易,触摸屏与PLC之间的通信问题生产厂商已处理好,用户不用考虑通信问题,可以大大缩短工程周期。但灵活性一般,功能有限,不能满足复杂控制系统的监控要求,而且价格高。在系统可靠性要求高、工期短的情况下可以采用此方法;用第三方软件编制的监控软件实现监控,灵活性好,系统投资低,能适用于各种系统。但是在实际工程应用中遇到了监控计算机与S7-300系列PLC通信问题。由于西门子公司S7-300系列PLC比监控组态软件WinCC推出晚,因此WinCC中
8、没有集成S7-300系列PLC的通信驱动程序。S7-300系列PLC的通信协议也不公开,而且开发系统工作量大、可靠性难保证,对技术人员的经验和技术水平的要求高,还必须购买通信协议软件。因此,用第三方软件编制监控程序也有问题。这些问题给S7-300系列PLC的应用带来了一定的限制。在系统资金投资有限,技术人员水平较高的情况下可以采用此方法。本文即是用第三种方法开发基于PRODAVE软件包的西门子PLC的监控系统,这种方法可以为企业降低成本,提高生产效率。2.相关技术基础2.1 PLC的发展历史及趋势2.1.1 PLC的发展历史在制造工业(以改变几何形状和机械性能为特征)和过程工业(以物理变化和化
9、学变化将原料转化成产品为特征)中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,使得电气控制功能实现的程序化,这就是第一代可编程序控制器,英文名字叫Programmable Controller(PC)。随着电子技术和计算机技术的发生,PC的功能越来越强大,其概念和内涵也不断扩展。上世纪80年代,个人计算机发展起来,也简称为PC,为了方便,也为了反映可编程
10、控制器的功能特点,美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller(PLC),并将“PLC”作为其产品的注册商标。现在,仍常常将PLC简称PC3。上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为3040%。在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。近年,工业计算机技术(IPC)和现场总线技术(FCS)发展迅速,挤占了一部分PLC市场,PLC增长速度出现渐缓的趋势,但其在工业自动化
11、控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。目前,世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品,主要应用在汽车(23%)粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。2.1.2 PLC的发展趋势(1)人机界面更加友好PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业,大大提高了其软件水平,多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件,软件和硬件的结合,提高了系统的性能,同时,为用户的开发和维护降低了成本,使更易形成人机友好的控制系统,目前,PLC网络IPCCRT的模式被广泛应用。(2)网络通讯能力大大加强PLC
12、厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上,逐渐增加了各种通讯接口,而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快,用户对开放性要求很强烈,现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔AB公司主推的三层网络结构体系,即EtherNet、ControlNet、DeviceNet,西门子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS网络等。(3)开放性和互操作性大大发展PLC在发展过程中,各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场,处于群雄割据的局面,各自发展自己的标准,兼容性很差,这给用户使用带来不便,并增加了维护成本。开放是发展的趋势,这已被各厂商所认识,
13、形成了长时期妥协与竞争的过程,并且这一过程还在继续4。开放的进程,可以从以下方面反映:IEC形成了现场总线标准,这一标准包含8种标准,虽然有人说,多种标准就是没有标准,但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后,各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准,或者开发与之相应的新产品。IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3,它规定了指令表(IL)、梯形图(LD)、顺序功能图(SFC)、功能块图(FBD)、结构化文本(ST)五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然PLC开发上各种工具仍不兼容,但基于这些标准的开发系统,使
14、用户在应用过程中,可以较方便地适应不同品牌的产品。OPC基金会推出了OPC(OLE for Process Control)标准,这进一步增强了软硬件的互操作性,通过OPC一致性测试的产品,可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前,多数PLC软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了OPC功能。OPC与现场总线技术的结合,是未来控制系统向FCS技术发展的趋势。(4)PLC的功能进一步增强,应用范围越来越广泛。PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强,不再局限于逻辑控制的应用,而越来越应用于过程控制方面,有人统计,除石化过程等个别领域,PLC均有成功能应用,P
15、LC在相当多的应用取代了昂贵的DCS,从而使原来PLC(顺序控制)DCS(过程控制)的模式变成PLCIPC模式。(5)工业以太网的发展对PLC有重要影响。以太网应用非常广泛,与工业网络相比,其成本非常低,为此,人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于:1)硬件上如何适应工业恶劣环境;2)通讯机制如何提高其可*。以太网能否顺利进入工控领域,还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多,适应这一过程,各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。2.2西门子S7系列PLC简介西门子S7系列PLC5适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7系列的强大功能使其无论在独立运行中
16、,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7系列具有极高的性能/价格比。S7系列出色表现在以下几个方面:极高的可靠性;极丰富的指令集;易于掌握;便捷的操作;丰富的内置集成功能;实时特性 ;强劲的通讯能力;丰富的扩展模块 。S7系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统。PLCS7-300是模块化小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用。各种
17、单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。(1)工作原理PLC采用循环扫描的工作方式,其扫描过程如图2-2所示:图2-1 扫描过程Fig.2-1scan processionPLC是采用“顺序扫描,不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时,CPU根据控制要求(编制好并存于用户存储器中的程序) ,按指令步序号(或地址号) 作周期性循环扫描,如无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序,直至程序结束。然后重新返回第一条指令,开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样
18、阶段:首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入,并将其写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入。随即关闭输入端口,进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段:按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令,经相应的运算和处理后,其结果再写入输出状态寄存器中,输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段:当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中,并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶闸管) 输出,驱动相应输出设备工作。(2)通信网络S7-300 PLC可通过STEP7的用户界面提供通信组态功能,这使得组态非常容易、简
19、单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口,并通过多种通信处理器来连接AS-I 总线接口和工业以太网总线系统6;串行通信处理器用来连接点到点的通信系统;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SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统。图2-2 通信网络系统结构Fig.2-2 The system structure of Communication Network MPI多点接口:MPI可以是主/主协议或主/从协议,协议如何操作依赖于设备类型(设备是S7-200系列CPU时建立主/从连接)。MPI总在两个相互通信的设备之间建立连接
20、,其它主站不能干涉两个设备之间已建立的连接。该网主要用于PLC与工程师站和操作站的短距离连接,通讯距离50米.通讯速率:187.5KBIT/S或12MBITS/S。PROFIBUS网络:PROFIBUS协议设计用于分布式I/O设备(远程I/O)的高速通信。PROFIBUS网络通常有一个主站和几个I/O从站,主站配置成知道所连接的I/O从站的型号和地址。主站初始化网络并核对网络上的从站设备和配置中的是否匹配。主站连续的把输出数据写到从站并从它们读取输入数据。通讯速率:187.5MBITS/S或12MBITS/S。PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准NE50170作保证,并经实际应用验
21、证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。(3) 组成部件S7-300 PLC 模块结构构成,它主要油以下几个部分组成:CPU :中央处理单元,用于计算卡件采集各种数据,我厂大多有CPU314,CPU315,CPU316等系列.如CPU 315-2DP,存储容量为64KB,即我们编写程序最大的存储位为M65536.7。CPU上可插入快速闪存储卡,可用于长期存储重要的数据与功能程序。PS:电源模块,将AC 220V电源转换成 DC 24V电源,供给CPU和I/O模块使用。SM:信号模块,它是模拟量输入输出模块,数字量输入输出模块的总称。IM: 接口模块,用于中央机架与扩展机
22、架的连接,每层机架最多可装8块SM卡,当需要装入更多SM卡时,则需扩展。系统最多搭配4层机架,最多可配置32块信号模块。 CP:通讯处理器,用于PLC之间,PLC与计算机和其他智能设备之间的连接.通讯网卡:用于PLC系统与上位机的数据通讯:主要类型有CP5611,CP5613,CP1613,CP5412A2等通讯网卡,均支持多种通讯协议。图2-3 PLC结构Fig.2-3 The structure of PLC 当我们需要架构起一台PLC系统时,需要配置最基本模块结构:电源模块,CPU,及信号模块,其他模块则可根据系统需要培植(如接口模块,当系统不需扩展机架时,则不需安装).所有模块均安装在
23、金属导轨上,电源模块安装在最左端(1号槽),CPU模块紧靠电源模块(2号槽),如需配置接口模块,则放在CPU模块右侧(3号槽),当不需机架扩展时则安装信号模块,功能模块,通信处理器.(4到11号槽).除电源模块外,卡件与卡件之间在背板上用总线连接器连接,并固定在导轨上,实现信号模块与CPU的连接。(注:槽为设置在后面S7编程软件中设置)(4)存储器构成及访问S7-300系列PLC存储器分为4大存储区:1 装载存储器 2 工作存储器 3 系统存储器 4 外设存储区 ,其中系统存储器在编程组态中需要重点了解。系统存储器又分为:(1)过程映象输入输出(I/O) (2) 内部存储器标志位(M)存储区
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