2 2 2 　第 27卷 第 8期 　2008年 8月 Vol. 27 No. 8　 Aug. 2008　 实 验 室 研 究 与 探 索 RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY 基于西门子 S7 200的 PLC实验系统设计 姜建芳 , 　刘 　吟 , 　邓明鉴 , 　黄 　辉 (南京理工大学 自动化学院 ,江苏 南京 210094 ) 摘 　要 :论文依托高校 PLC实验室建设项目 ,设计与实现了一套满足教学与科研需求的 PLC实验系统 。 该系统较好地融合和运用了软 硬件结合的被控对象仿真技术 、单片机应用技术 、USB 通讯技术和 OPC 技术 ,为教学和科研奠定了良好的软件和硬件基础 ,具有重要的现实意义 。论文着重研究和讨论了实验 系统硬件和软件部分的设计思想及具体实现 。 关键词 :被控对象仿真 ; PLC;单片机 ; USB; OPC 中图分类号 : TP271　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 1006 - 7167 (2008) 08 - 0203 - 05 De sign of PLC Expe rim enta l System Ba sed on S iem ens S7 200 J IAN G J ian fang, 　L IU Y in, 　D EN G M ing jian, 　HUAN G Hu i (College of Automation, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China ) Abstract: This paper discussed the design and realization of a PLC ( Programmable Logic Controller) experimental sys tem for lab construction in college, which satisfies the need of teaching and researching. The system makes full use of hardware simulation technology,MCU app lication technology, USB communication technology and OPC (OLE for soft Process Control) technology, which lays a good foundation for teaching and researching. The paper summarized the de velopment of PLC experiment equipment and the simulation of controlled p lant. Key words: controlled object simulation; PLC; MCU; USB; OPCCLC number: TP2 CLC num ber: TP271　　　D ocum en t code: A　　　Article ID : 1006 - 7167 (2008) 08 - 0203 - 05 1　引 　言 可编程序控制器 ( Programmable Logic Controller, 简称 PLC) ,是以微处理器为基础 ,综合了计算机技术 、 控制技术 、通讯技术等技术 ,并在近年来发展迅速 、应 用极广的一类工业装置 。 PLC教学由于其突出的工程 性和广泛的应用性 ,并且对培养学生良好的工程意识 、 较强的实践能力 、敏锐的创新能力和较高的综合素质 具有举足轻重的作用 。 PLC课程不仅仅是教给学生软件编程方法 ,更重 要的是帮助学生建立起实际的 PLC控制系统概念 ,使 学生正确的掌握 PLC控制系统的组成及其各部分的 作用和相互关系 ,为学生在今后的 PLC技术应用中打 收稿日期 : 2008 - 05 - 20 作者简介 :姜建芳 , (1954 - ) ,男 ,山西长治人 ,教授 ,主要从事工业 84315872 ×323; 025 自动化计算机控制系统集成技术研究。 Tel. : 025 84316413。 下扎实的控制系统软硬件设计基础 。 当前理工科高校均开设了 PLC课程 ,实验教学是 该课程的重要环节 ,但大多数高校在此课程教学上均 存在着实验教学设备投资不能满足当前 PLC课程教 学实验环节的需要 。针对此问题南京理工大学自动化 系研发了 PLC实验系统 ,该系统能够充分利用现有的 实验室计算机资源 ,与 PLC实验装置构建成了具有较 强教学实验功能的 PLC实验系统 。 在 PLC控制系统中被控对象是不可缺少的重要 组成部分 。在 PLC实验教学中 ,传统的 PLC实验系统 存在着投资大 、被控对象重用性差 、复杂被控对象难于 实现等问题 。而该 PLC实验系统 ,充分利用现有的计 算机软硬件资源建立了 PLC实验系统中被控对象的 仿真平台 。较好地解决了 PLC 课程实验被控制对象 建立难的问题 。 2　实验系统设计方案 软 硬件结合仿真被控对象的 PLC实验系统总体 

402 实 　验 　室 　研 　究 　与 　探 　索 第 27卷 　 上分为两大部分 : 一台 PLC 实验系统计算机和一台 PLC实验箱 ,两部分通过 USB 电缆和 PC / PP I电缆进 行各种数据的通讯 (如图 1所示 ) 。其中 ,硬件仿真被 控对象部分是另行设计的一个实验操作面板 ,将 PLC 的输入 /输出端口用导线引至该面板上的各纽子端口 。 这种硬件仿真被控对象模式是该实验系统扩展的一种 工作方式 ,暂不使用 ,论文以后的内容都是基于软 硬 件结合仿真被控对象模式而展开研究和讨论的 。 在整个实验系统中 , PLC控制器部分采用西门子 公司 的 S7 200 系 列 产 品 , 包 括 : 一 个 主 控 模 块 CPU224、一个数字量输入模块 EM221 和数字量输出 模块 EM222、一个模拟量输入模块 EM231和模拟量输 出模块 EM232。 软 硬件结合仿真被控对象的硬件部分 ,以后称之 为信号处理系统 ,是按照模块化 、可扩展性好的思想进 行设计的 ,主要分为主机板 、数字量扩展板和模拟量扩 展板三大模块 ,分别与 PLC的 CPU 模块 、数字量扩展 模块和模拟量扩展模块相对应 ,从而方便对该信号处 理系统进行功能上的扩展 ;软 硬件结合仿真被控对象 的软件部分 ,是由专门的被控对象仿真软件实现 ,并通 过 USB 电缆与信号处理系统连接 ,进而与 PLC各模块 的输入 /输出端口相连 。通过这种软 硬件结合的被控 对象仿真模式 ,学生只需在计算机上就可以完成对 PLC输入 /输出端口的控制和采集操作 。 控制系统监控部分与 PLC之间通过 PC / PP I电缆 进行通讯 ,对 PLC内部各寄存器的状态进行监控 ;控 制系统编程调试部分与 PLC之间也通过 PC / PP I进行 通讯 ,实现 PLC控制程序的下载和在线调试功能 。 图 1　PLC实验系统总体结构图 3　硬件部分设计 实验系统的硬件部分主要由 PLC 各模块和信号 处理系统各模块组成 。下面详细介绍信号处理系统的 设计与实现 ,其硬件总体结构如图 2所示 : 　　作者所设计的信号处理系统是以单片机为核心器 件开发的 ,主要由主机板 、数字量扩展板 、模拟量扩展 板三大部分组成 。主机板与其他各扩展板之间是通过 统一的双排插座 ,即“菊花链 ”的方式进行级联的 ,这 样就可以很方便地根据实际需要来添加不同种类和数 量的模块 ;而信号处理系统与计算机之间则是通过主 机板上的 USB 口或串口进行通讯的 。下面对这三大 模块分别进行介绍 。 图 2　信号处理系统的总体硬件结构图 3. 1　主机板的设计 主机板的设计主要分为六大部分 :单片机系统电 路设计 ,电源电路设计 ,通讯电路设计 ,数字量部分输 入电路设计 ,数字量部分输出电路设计 ,模拟量部分信 号隔离电路设计 。 考虑到系统所需资源数及要达到的性能要求 ,作 者选用了 Cygnal公司 C8051F系列中的 C8051F320型 号单片机 ,具有 25个输入 /输出引脚 ,并自带 USB 控 制器 。 主机板的通讯电路提供了两种接口 : USB 口和 RS232 口 , 分 别 由 单 片 机 自 带 的 USB 控 制 器 和 MAX3232芯片实现 。 由于单片机的通用输入 /输出端口数量有限 ,因此 在主机板的数字量输入电路和输出电路中 ,分别选用 了 8 位的高速并入 /串出芯片 74HC166 和串入 /并出 芯片 74HC595,只需占用单片机的少数几个输入 /输出 端口来对这两种芯片进行采集和控制 ,而且在性能允 许的条件下还可以串联足够数量的 166和 595芯片 , 从而达到对主机板的数字量输入 /输出端口进行扩展 的目的 。 在单片机的通用输入 /输出端口中 ,有一部分是模 拟量部分的控制信号 ,通过主机板上的扩展接口连接 到模拟量扩展板上 。由于数字信号会对模拟信号产生 比较大的干扰 ,而且模拟信号的频率要比数字信号高 , 因此在模拟信号和数字信号之间加入了高速光电隔离 器 6N137,这就是模拟量部分信号隔离电路 。 主机板上有两个电源接口 ,一个外接 24 V DC,一 个外接 5 V DC。其中 24 V电源主要是为主机板的数 字量输入端信号供电 , 5 V 电源以及经 SP1117转换得 到的 3. 3 V 电源 ,分别为主机板上的 595和 166芯片 供电 。 3. 2　数字量扩展板的设计 数字量扩展板的作用是 :对主机板上的数字量输 

2 200的 PLC实验系统设计 　　 2 502 姜建芳 ,等 :基于西门子 S7 2 　第 8期 入 /输出端口进行扩展 。主要由数字量部分输入电路 、 数字量部分输出电路 、两个通用扩展接口以及一个电 源接口组成 。其中 ,第一个扩展接口获取了前一块扩 展板上数字量和模拟量部分的控制信号及电源 、地信 号 ,然后又通过第二个扩展接口将所有这些信号传输 到下一块扩展板 ,这就完成了一个模块扩展的过程 。 数字量输入和输出部分的电路原理图与主机板上 对应的部分基本相同 ,略有区别的是 ,主机板上并入 / 串出芯片 166以及串入 /并出芯片 595 的控制信号均 直接来源于单片机的输入 /输出端口 ,而该扩展板上相 关芯片的控制信号是从第一个扩展接口上获得的 。 数字量扩展板由两个电源供电 ,一个是来自外接 24 V DC的电源接口 ,为数字量输入端信号供电 ,另一 个电源来自第一个扩展接口上的 5 V ,是由主机板上 的 5 V DC电源提供的 。还有一个经过 SP1117芯片的 5 V转 3. 3 V电压 ,为该板上的 166芯片供电 。 3. 3　模拟量扩展板的设计 模拟量扩展板的电路板主要由模拟量输入和输出 部分 、两个扩展接口和一个电源接口组成 。当模拟量 部分的控制信号从单片机输入 /输出端口引出至主机 板上的扩展接口之后 ,再由模拟量扩展板上的第一个 扩展接口引入 ,然后信号一边传输至模拟量输入和输 出电路中 ,一边传输至板上的第二个扩展接口 ,以便进 入到下一块扩展板来完成模块扩展的功能 。 模拟量输入部分电路的设计思路是 :从 PLC模拟 量输出模块端口采集一定量程内的电压信号 ( - 10 V ～10 V )和电流信号 ( 0～20 mA ) ,经过相应的运算放 大器调理电路之后 ,均调理成合适量程 ( 0～5 V )内的 电压信号 ,然后将调理好的电压信号通过专门的 A /D 芯片 ADS7816进行模 /数转换 ,输出相应的数字信号 传输至单片机的输入 /输出端口 。其中 , ADS7816的转 换精度为 12位 ,与 PLC 模拟量输出模块的分辨率相 匹配 。 模拟量输出部分电路的设计思路是 :由专门的 D / A转换芯片 TLV5610产生固定范围内 ( 0 ～2. 5 V )的 电压信号 ,然后通过相应的运算放大器调理电路及电 流转换芯片 ,调理成与 PLC模拟量输入模块的输入范 围一致的电压信号 ( 0～10 V , 0～5 V , - 5 V ～5 V , - 2. 5 V～2. 5 V )和电流信号 ( 0～20 mA ) ,最后由各个 通道输出到 PLC模拟量输入模块端口 。其中 ,所选用 的 8通道的 D /A转换芯片 TLV5610的转换精度为 12 位 ,与选用的 A /D芯片精度相匹配 。 模拟量扩展板有一个外接 24 V DC的电源接口 , 通过 LM2576 ADJ 和 MC34063 电源芯片分别转换成 + 15 V和 - 15 V 的电压 ,为运算放大器供电 ,再通过 7805电源芯片将产生的 + 15 V 转换成 + 5 V 电压 ,为 该板的各集成电路芯片供电 。 4　软件部分设计 实验系统的软件部分主要包括 :下位机软件部分 与上位机软件部分 。其中 ,下位机软件包括单片机程 序和功能调试软件 ;上位机软件部分包括 USB 通讯软 件实现 、OPC服务器 、控制系统中被控对象仿真软件 和监控软件 ,以及实验系统管理软件 。下面对上述各 种软件的设计与实现分别进行介绍 。 4. 1　下位机软件设计 下位机的软件部分主要包括两个方面 :单片机程 序的设计和信号处理系统调试软件 。单片机程序主要 包括以下几部分 :初始化程序 、数字量读写子程序 、模 拟量读写子程序 、定时器中断子程序和 USB 中断子程 序 。单片机主程序的总体流程如图 3 所示 。其中 ,每 发生一次 USB 中断响应 ,就在相应的 USB接收缓存区 中刷新数据 ,然后主程序读取该缓存区中的新数据并 做具体的数字量读写 、模拟量读写等解析操作 。 图 3　单片机主程序总体流程图 4. 2　上位机软件的设计 一个完整的 PLC控制系统包括控制器 PLC、被控 对象和监控 。在本实验系统中 ,通过一个系统管理软 件将仿真被控对象部分 、监控部分 、编程与调试部分均 集成在同一台计算机中 。当学生做实验时 ,为了方便 验证自己编写的 PLC程序的正确性 ,可以通过专门的 被控对象仿真软件和监控软件 ,很直观地观察到程序 的运行结果 。 为构建出一个完整的 PLC控制系统 ,作者采用了 西门子专门的被控对象仿真软件 SIM IT和监控软件 W inCC,分别通过不同的硬件直接和间接地获取 S7 200 PLC的各种信息 ,其中 , SIM IT对象是通过 USB 电 缆 ,经信号处理系统的输入 /输出端口和 S7 200 PLC 外部输入 /输出端口进行信息的交换 ,而 W inCC 是通 过 PC / PP I电缆可直接获得 S7 200 PLC内部各寄存器 的信息 。然而这种通讯方式存在两个问题 :一 , SIM IT 软件内部提供了面向以太网 、PROF IBUS、MP I等的接 口 ,但是没有提供面向 USB设备的接口 ;二 ,W inCC软 件内部也有提供面向以太网 、PROF IBUS、MP I等的接 

2 2 2 实 　验 　室 　研 　究 　与 　探 　索 第 27卷 　 2 602 口 ,但是没有提供面向 PP I的接口 。基于以上两个原 因 ,作者采用了 OPC 的通讯方式 , 使用不同的两个 OPC服务器 ,分别将 SIM IT和 W inCC作为其客户端与 USB 和 PP I设备通讯 。 4. 2. 1　USB通讯部分的设计 PLC实验系统的计算机与信号处理系统上的单片 机主要是通过 USB 建立通讯的 。在用 USB 进行通讯 时作者使用的是 Cygnal公司提供的 USBXp ress工具 包 ,它提供了计算机接口函数 、设备固件接口函数以及 主机 (Host,即计算机 )和设备 (Device,即单片机 )进行 USB 通讯的专用驱动 。计算机端的 AP I (App lication Program Interface)函数是以动态链接库 (DLL )的形式 提供 ,而单片机端的接口功能函数是以库文件的形式 提供 。使用者在对计算机端和单片机端编程时只需要 包含这些 DLL文件和库文件 ,就可以很方便地进行计 算机和单片机之间的 USB 通讯 。通讯的方式采用主 从方式 ,即每次的通讯只能先由计算机发起 ,然后单片 机产生 USB中断并向计算机发送应答信号 ,单片机不 能主动发起通讯 。 计算机与单片机进行 USB 通讯时 ,作者制定了一 个通讯协议 ,其数据帧格式如表 1所示 ,需要说明的有 以下几点 :数据帧格式中的所有部分均以字为单位 ,即 由两个字节组成 ,且在进行计算机与单片机之间的通 讯时发送和接收数据的顺序为 :高字节在前 ,低字节在 后 ,这是由于在单片机内数据存储采用的是大端模式 。 为了处理方便 ,因此在计算机端的 DLL 中将数据存储 为高字节在前 、低字节在后的形式 。数据帧中的长度 指的是将该帧所有部分加起来的字数总和 ,包括帧头 和校验码 。校验码的运算方式为异或校验 ,即 :帧头 ^ 命令码 ^长度 ^数据 。 表 1　计算机与单片机之间通讯的数据帧格式 帧头 0 命令码 1 长度 2 数据 校验码 3···N 1 N 4. 2. 2　被控对象部分软件的设计 实验系统选用了西门子公司的 SIM IT软件作为被 控对象仿真软件 ,并将 SIM IT作为客户端通过 OPC的 方式与 S7 200 PLC进行通讯 。由于没有现成的可以 和 USB 设备通讯的 OPC服务器软件 ,因此需要自行开 发一个 OPC服务器 。作者使用了由北京安捷尔软件 技术有限公司开发的 OPC工具包 ,在此基础上用 Del phi编 程语言 开发 出了 面向 USB 设备 的 OPC 服 务 器 ———OPC USB Server,然后在 SIM IT中进行 OPC Cli ent的相关设置 ,使之能够通过该 OPC USB Server与 S7 4. 2. 3　监控部分软件的设计 200 PLC进行通讯 。 实验系统选用了西门子公司的 W inCC软件作为 控制系统监控软件 ,并将 W inCC作为客户端通过 OPC 200 PLC进行通讯 。西门子新推出的 PC 的方式与 S7 Access软件是专门用于 S7 200 PLC的 OPC 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 客户端通讯 ,支持 OPC Data Access (DA ) 3. 0 版 。 PC Access使用灵活 ,支持 S7 200多种通讯接口 , 包括 : PP I、MP I、PROF IBUS DP、Ethernet、Modem s。又 由于 W inCC软件提供了 S7200. OPC Server的接口 ,因 此作者采用了 PC Access软件作为 OPC服务器 ,然后 在 W inCC中进行 OPC客户端的相关设置 ,使之能够 通过 OPC服务器 PC Access和 PC / PP I电缆来访问 S7 200 PLC的信息 。 4. 2. 4　实验系统管理软件的设计 为了将整个实验系统各组成部分 ,包括硬件和软 件进行统一有效的管理 ,作者通过图形化编程语言 Delphi设计了实验系统管理软件 ,其进入界面如图 4 所示 。在实验系统管理主界面之中 ,可进入四大部分 的功能块 ,即 :硬件管理 、实验库 、工具软件和帮助部 分 。其中 ,硬件管理部分包括通讯调试 (USB、串口 )和 板卡调试 (主机板 、数字量扩展板 、模拟量扩展板 ) ;实 验库部分包括基础实验 、综合实验和课程设计实验三 大类 ,以及各类实验的操作说明 、实验例演示以及实验 指导等文档资料 ; 工具软件部分包括 M icroW in、SIM IT、W inCC三大软件 ;帮助部分包括实验系统介绍视频 以及相关资料和手册 。 图 4　实验系统管理软件主界面 5　系统调试与验证 信号系统调试软件是指为了测试实验系统信号处 理系统的通讯 、数据传输等功能 ,作者选用 Delphi编 程语言所设计的一个调试软件 ,对信号处理系统的主 机板 、数字量扩展板 、模拟量扩展板三大模块的功能分 别进行调试和验证 。其中 ,主机板与模拟量扩展板的 基本功能调试软件界面如图 5和图 6所示 。 　　为了更好地说明实验系统的操作流程 ,下面通过 (下转第 222页 ) 

2 2 2 2 22 222 2006. 实 　验 　室 　研 　究 　与 　探 　索 第 27卷 　 [ 5 ] 　杜志勇. 用 PLC实现中型立体仓库控制 [ J ]. 实验室研究与探 [ 2 ] 　西门子 (中国 )有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子 W inCC V6 [M ]. 北京 :北京航空航天大学出版社 , 2005. 索 , 2004, (11) : 34 37. [ 6 ] 　丁晓红. 自动化仓库的实时监控系统 [ J ]. 起重运输机械 , 1996, [ 3 ] 　李 　林. 用 W inCC实现自动化立体仓库控制与管理的动态数据 (12) : 11 14. 交换 [ J ]. 计算机应用与软件 , 2006, (8) : 41 42. [ 7 ] 　赵 　妍. PLC在模拟立体仓库当中的应用 [ J ]. 电气时代 , 2005, [ 4 ] 　刘晋浩. PLC在模拟立体仓库堆垛机装置控制上的应用 [ J ]. 森 (5) : 80 82. 林工程 , 2007, (5) : 33 35. (上接第 206页 ) 行的正确性 。 图 5　主机板调试界面 图 7　变频恒压供水控制系统调试示意图 6　结 　语 针对目前高校实验室建设中存在的一些问题 ,作 者提出采用软 硬件结合的被控对象仿真技术 ,通过仿 真被控对象模型对 PLC的输入 /输出端口进行控制和 状态的采集 ,实现了在实验室条件下构建一个概念清 晰 、完整可靠的 PLC控制系统 ,不但能够解决实验经 费不足 、设备短缺的现象 ,同时还能极大地提高实验教 学的效果 ,是一项非常值得推广的实验技术 。 参考文献 ( References) : 图 6　模拟量板调试界面 [ 1 ] 　胡学林. 可编程控制器教程 (实训篇 ) [M ]. 北京 ,电子工业出版 一个既包含数字量又包含模拟量控制信号的例子 ——— 变频恒压供水控制实验 ,进入已开发好的管理软件 ,对 实验系统进行总体调试 ,以验证系统总体方案的可行 性和正确性 。 在分析完毕该实验中的被控对象特性 ,并明确各 项控制任务和输入 /输出端口的分配情况的基础上 ,进 入工具库中的编程及调试软件 M icro W in,进行相应 PLC控制程序的设计 。当通过 PC / PP I电缆将编写的 PLC控制程序下载到 PLC之后 ,分别进入对象仿真软 件 SIM IT和监控软件 W inCC,运行该实验中已经设计 好的被控对象和监控界面 (包括各自 OPC 部分的设 置 ) ,对所编写的 PLC程序正确性进行验证 (如图 7所 示 ) 。 　　通过总体调试 ,被控对象部分和监控部分均按照 实验所期望达到的目的运行 ,验证了自己设计的 PLC 控制程序的正确性 ,从而验证了整个 PLC实验系统运 社 , 2005. 1 16. [ 2 ] 　邓本再 ,谢玉梅. 可编程序控制器虚实交互式实验系统 [ J ]. 实验 技术与管理 , 2006 (2) : 71 74. [ 3 ] 　西门子 (中国 )有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子 S7 200 PLC[M ]. 北京 :北京航空航天大学出版社 , 2004. 2 26. [ 4 ] 　陈连坤. 嵌入式系统的设计与开发 [M ]. 北京 :清华大学出版社 , 北京交通大学出版社 , 2005. [ 5 ] 　徐爱钧 ,彭秀华. 单片机高级 C51应用程序设计 [M ]. 北京 :电子 工业出版社 , 2001. [ 6 ] 　Silicon Laboratories. USBxp ress Development Kit Programmers ’ Guide. Version: 2. 0. [ 7 ] 　吕伟臣. Delhp i7入门与提高 [M ]. 北京 :清华大学出版社 , 2003. [ 8 ] 　钟霖田. OPC 全开放控制系统的核心构件 [ J ]. 自动化博览 , 2002 (2). [ 9 ] 　北京安婕尔软件技术有限公司. OPC服务器开发工具包使用手 册. 版本 : 3. 0. [ 10 ] 西门子 (中国 ) 有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子 W inCC V6 [M ]. 北京 :北京航空航天大学出版社 , 2005.