基于S7-200PLC工业自动化监控平台的建设

基于 S7-200PLC工业自动化监控平台的建设

刘跃章

广西广投智能科技有限公司 广西 南宁 530000

为落实智能制造发展战略，实现生产过程信息化、数字化的目标，许多自动化水平较低的企业急需解决的就是建设工业自动化监控一体化平台。通过建设一体化平台，可实现数据统一采集、集中监控的功能，降低工作人员的劳动强度、提高工作质量和工作效率，确保数据的真实性、及时性、完整性，有利于生产、经营方面的科学决策，便于数字化管理。工业自动化监控一体化平台的建设主要包括设备联网、数据采集、数据存储、数据运用等。下面就这几方面内容进行论述。

一、设备的组网

建立工业自动化监控平台的基础条件是生产设备能够统一联网，而PLC是一般工业生产企业中的核心控制设备。设备的组网（以太网方式）就是使一定数量的PLC通过以太网进行组网实现数据的集中采集、监控和管理，从而实现生产系统的一体化建设。

目前许多企业仍然使用早期的PLC，如西门子S7-200、三菱FX3U等型号，这些低端PLC只具备串口，且通讯接口不统一，要使这些PLC接入以太网进行组网，还需解决以下主要问题:

1、串口被人机界面（触摸屏）独占，且在不能取消人机界面的情况下无空闲的接口进行PLC的联网；

2、部分PLC因加密等原因，不允许修改程序和硬件配置，无法修改相关逻辑和通讯配置就导致无法实现PLC联网和远程控制；

3、部分早期低端PLC如三菱FX3U等系列产品没有生产以太网模块，而西门子S7-200PLC的以太网模块也早已停产。

解决问题的关键是要把串口转以太网，并且要兼容相应PLC的以太网协议，同时要留有可用的接口供原人机界面（触摸屏）连接使用。因此需要使用对应PLC型号的串口转网口通讯处理器。经过研究与实践，目前市场上就有部分此类设备可满足需求。

设
备如下图所示：串口1接PLC的原通讯串口，串口2接触摸屏（此触摸屏原来连接在PLC的串口上），网口接入以太网。

该通讯处理器支持组态软件以OPC、MC协议、ModbusTCP以太网协议
等方式连接。安装后的效果如下：

设
备安装后，须按照通讯处理器生产厂家的使用说明对设备进行相应的配置，主要包括相关通讯参数设置、IP地址设置、端口设置等。其中需要注意的是，多个通讯处理器的IP地址要与上位机设置在同一网段内。组网后的主要整体框架如图:

二、数据的采集

在
配置好相关PLC以太网网络之后，就可以通过采集系统对生产数据进行集中采集。数据采集装置一般为工控机。PLC通过串口转网口模块连接至工控上位机，工控上位机通过采集软件的配置与运行即可采集到PLC相关数据。采集的数据主要包括设备IO点、程序相关信息点及设备状态点等。主要采集步骤如下：

采集系统配置一般包括:设备（PLC）的建立、网络配置、变量的建立或导入、存储配置等。其中变量包括DI、DO、AI、AO及控制过程相关程序信息点等内容。建立的变量要与生产实际信号通道寄存器地址相对应，否则会造成数据的混乱。如S7-200有V、I、Q、M等寄存器，需要注意原PLC使用的是变量类型对应的寄存器地址，则采集系统里也要选择对应的寄存器地址，且数据类型与寄存器类型要对应。

如果部分设备已建立有独立采集监控系统，则可通过数据采集或组态软件直接对该独立系统数据库进行通讯获取相应的数据，避免造成部分生产系统的信息孤岛，以便统一集中监控管理。

三、数据的存储

（一）变量属性设置

根据实际需要可以将采集到的数据进行存储。变量存储属性一般有以下4种情况可选择：

1、无。选择该项，则该变量不进行历史记录；

2、改变。系统运行时，变量的实时值在发生变化，如果变量的当前值与上一次记录的历史数据值之间的差值大于设置的死区范围时，该变量的值才会被记录到历史库中，这种方式适用于数据变化较快的场合；

3、间隔。无论变量变化与否，系统运行时按定义的时间间隔将变量的值记录到历史库中，每隔设定的时间对变量的值进行一次记录。这种方式适用于数据变化缓慢的场合；

4、每次采集记录。系统运行时，按照变量的采集频率进行数据记录，每到一次采集频率，记录一次数据。该功能只适用于IO变量，内存变量没有该记录方式。该功能应慎用，因为当数据量比较大，且采集频率比较快时，使用“每次采集记录”，存储的历史数据文件会消耗很多的磁盘空间。

（二）存储数据

一般在采集应用软件目录下有“存储配置”相关节点，经编辑设置勾选“存储自启动”后，则自动启动数据存储功能。

存储源类型一般有2种。一种为自身应用平台使用的历史库，另一种为第三方数据库可连接使用的存储源类型。

存储服务器即历史服务器一般与工控上位机分开，需要存储连接配置，主要包括：IP地址、端口、用户名和密码、尝试重连时间、文件缓存等配置。文件缓存配置主要用于当采集工控上位机与存储服务器之间连接断开时，采集工控上位机可将数据先缓存至本地，当连接恢复后，将缓存数据续传发送给存储服务器。

需要注意的是，将数据存储至存储服务器时，需配置变量的存储属性。在数据采集应用里面定义的变量如果存储配置选择“无”，即不存储，则不会保存历史数据到存储服务器的历史库。

四、数据的应用

对数据进行采集与存储后，就可以通过相关应用平台对数据进行应用，该过程主要体现为组态。新建相应工程后，对该工程的变量进行定义，其中包括之前所采集到的数据。接着可以进行画面的组态等工作，主要内容为：

（一）监视

监视功能主要是实现对所采集到数据的相关设备或系统进行集中显示，以便工作人员随时获取生产实时数据。监视的前提是建立与生产数据相连接的画面，主要流程为：绘制现场的设备、流程图等画面；然后通过动画连接建立画面中的图素与数据库变量的对应关系，为图素赋予一定的动态显示效果，使之实时地反映现场的实际数据或动作情况。最后保存所建立画面并运行组态系统，即可实现通过相关画面显示对所采集到的实时数据情况的监视。

（二）控制操作

控制操作相当于是在监视的基础上进一步开放用户权限，向设备发送相关控制指令，从而使设备进行相应的动作。控制操作至少有二个前提条件：一是当前所登录用户有操作权限，具体可在组态系统中的相关安全设置中进行用户和角色配置；二是要控制操作的变量具有读写权限，而不是仅仅有读权限。

（三）报警

当现场的数据超出正常范围或达到变量报警定义值时，系统以报警的方式将其通知相关工作人员，工作人员接收到报警信息后会对报警做出相应的处理，所以报警系统在工业控制系统中是一个非常重要的组成部分。报警功能一般包括：报警存储功能、报警打印功能、报警显示功能、报警转发功能等。报警功能的实现主要步骤有：定义变量的报警属性、定义编辑报警组、报警显示、语音报警设置等。

（四）查询

查询就是以图表、曲线和报表等方式查询实时或历史数据库中的归档数据，并可方便地按时间或标签检索某一时间段内有关参数的变化情况，譬如过程参数、设备状态、报警信息、操作记录等。检索方式包括按时间段、数据标签、报警情况、数值、状态等方式。查询功能的实现也需要进行相关画面的组态，如使用系统控件建立实时或历史曲线、报表等，分为固定变量查询组态和用户自定义变量组态，可根据实际需要进行多个查询画面组态。

（五）用户管理

为了保证系统的安全可靠运行，必须要根据事先规定的用户的使用权限和使用范围允许或禁止其对系统进行操作。用户权限级别一般分为系统管理权限、工程师即组态权限、操作权限和查看权限等，每一种级别对应设置好的关联角色可操作范围。新增用户一般为：创建用户、编辑用户包括关联角色、登录配置等。

（六）web发布

web发布主要是将平台客户端应用以网页程序形式存放在网络的web服务器上，客户机只须运行本机自带的网页浏览器软件，即可浏览web服务器上的网页文件，浏览器打开的网页文件可实时显示发布的平台画面相关数据，实现远程监视的功能。

一般情况下，IE浏览器第一次启动时会提示要求下载相关插件进行安装，此后运行web浏览时不再加载客户端运行组件和应用，除非发布的网页程序有更新。

组态平台web发布一般流程为：在web服务器上安装IIS（即Internet信息服务）组件、客户端工程的发包与发布、IE浏览器配置、浏览画面等。

五、网络的配置

监控系统网络可分为单机模式和分布式网络结构。单机模式不具有网络功能，所有的服务与站点应用都运行在一个节点上；而分布式网络结构可以将整个应用程序分配给多个服务器，可以引用远程站点的变量到本地使用（显示、计算等），这样可以提高项目的整体容量并改善系统的性能。一般网络结构运行在基于TCP/IP网络协议的网上，能够实现上、下位机以及更高层次的厂级连网。

系统根据物理设备结构或功能的不同来分配服务器，也可以根据系统需要设立专门的实时数据服务器、历史数据服务器、报警数据服务器、登录服务器和校时服务器等。一个工作站站点可以充当多种服务器功能，如实时数据服务器可以被同时指定为报警数据服务器、历史数据服务器、登录服务器等。报警数据服务器可以同时作为历史数据服务器、登录服务器等。

系统网络结构图如下图所示：

（一）实时数据服务器

负责进行采集数据、产生报警和历史数据的站点。一旦某个站点被定义为实时数据服务器，该站点便负责本机数据的采集以及报警和历史数据的产生。如果某个站点虽然连接了设备，但没有被定义为实时数据服务器，那这个站点的数据照样进行采集，只是不向网络上发布。实时数据服务器可以按照需要设置为一个或多个。

（二）报警数据服务器

向客户端提供报警数据的发布、查询和存储服务的站。一旦某个站点被指定为一个或多个实时数据服务器的报警数据服务器，系统运行时，实时数据服务器上产生的报警信息将通过网络传输到指定的报警数据服务器上并保存起来，待客户端查询。

（三）历史数据服务器

向客户端提供历史数据的查询和存储服务的站点。一旦某个站点被指定为一个或多个实时数据服务器的历史数据服务器，系统运行时，实时数据服务器上产生的历史数据将通过网络传输到历史数据服务器站点上并保存起来，待客户端查询。

（四）Web服务器

向Web客户端提供网页浏览和客户端软件、客户端应用下载服务的站点，该设备需要安装Windows IIS服务。

（五）登录服务器

管理和验证网络用户与安全信息的站点。登录服务器在整个系统网络中是唯一的，它拥有网络中唯一的用户列表。当用户在网络的任何一个站点上登录时，系统调用该用户列表，登录信息被传送到登录服务器上，经验证后，产生登录事件供保存和显示，保证了整个系统的安全性。

（六）校时服务器

校时服务器在网络中对所有站点进行校时功能，各个站点主动向校时服务器进行校时，以保持网络中时钟的一致。建议一个网络中只定义一个校时服务器。

（七）客户端

这里所指的客户端是非web客户端，客户端的主要功能就是从服务器获取数据，进行展示和运算，同时客户端也可以修改服务器端的数据。一个站点被指定为服务器的同时也可以被指定为其它服务器的客户端。

综上所述，基于S7-200PLC工业自动化监控平台的建设需要相关硬件和软件及技术上的支持，用户可根据需要进行网络及软硬件的灵活配置，但监控平台系统必须要实现最基本的功能，如设备联网、数据采集、工程组态等，方可实现平台的建设目标。

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