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西门子s7-300*处理器CPU313C-2PTP  西门子s7-300*处理器CPU313C-2PTP 

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的控制领域都将有广泛应用。

PLC作为一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力，PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制。

对于那些在运行过程中移动距离和速度均确定的具体设备，工程师认为采用PLC通过步进电机驱动器来控制步进电机的运转是一种理想的技术方案。

步进电机的特点：（1）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。（2）由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。（3）步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。（4）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。（5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

步进电机能响应而不失步的较高步进频率称为“启动频率”；与此类似，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的较高步进频率。而电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。有了这些数据，就能有效地对步进电机进行变速控制。

采用PLC控制步进电机，应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和较大脉冲数量，进而选择PLC及其相应的功能模块。根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）/（360×传动速比）；脉冲频率上限=（移动速度×步进电机细分数）/脉冲当量；较大脉冲数量=（移动距离×步进电机细分数）/脉冲当量。

PLC对步进电机的控制首先要确立坐标系，可以设为相对坐标系，也可以设为**坐标系。坐标系的设置在DM6629字中，00—03位对应脉冲输出0，04—07位对应脉冲输出1。设置为0时，为相对坐标系；设置为1时，为**坐标系。

采用PLC通过步进驱动器来控制步进电机的运转，从而达到了PLC在步进电动控制中应用更加广泛。例如，在对单双轴运动的控制过程中，在控制面板上设定移动距离、速度和方向等参数。PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电动机驱动，达到对距离、速度、方向控制的目的。并通过实测证明系统运行结果具有可靠性、可行性、有效性。

搭建的本实验室平台，可以在远程的计算机上进行编程，然后接入到在深圳职业技术学院**工业中心的plc实验室，进行程序的远程上下载，并通过编程软件在线的进行诊断和在线修正，还可以通过摄像头实时观察到plc和机械手的工作效果。

本项目的核心技术是通过两端的深圳赛远公司远程安全通讯模块sy-rscm，内置s-link安全连接协议建立远端和本地plc之间的虚拟局域网vlan通道，在连接plc的实验室这端，并不需要计算机，另外，本实验室系统的特点是，不需要某一端进行ip固定。因为现在处于ipv4的阶段，ip地址资源十分紧缺，ip固定需要代价较高，等升级到了ipv6的时候，固定ip就简单而省成本。

项目中采用了西门子自动化和驱动部门的s7-200和s7-1200小型plc各一套，s7-200选用的是具有两个通讯接口的s7-224xp，其本身没有以太网接口，增加了一个cp243-1的以太网模块，plc控制的是两个气动机械手的演示装置，并且采用了西门子的触摸屏ktp-178。西门子较新的小型高性能s7-1200plc直接采用以太网作为编程和通讯口.

     开入模块（16点，24VDC）

6ES7 321-1BH02-9AJ0    开入模块（16点，24VDC）组合件                (6ES7 321-1BH02-0AA0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 321-1BH10-0AA0    开入模块（16点，24VDC）

6ES7 321-1BH50-0AA0    开入模块（16点，24VDC，源输入）

6ES7 321-1BH50-9AJ0    开入模块（16点，24VDC，源输入）组合件 (6ES7 321-1BH50-0AA0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 321-1BL00-0AA0    开入模块（32点，24VDC）

6ES7 321-1BL00-9AM0    开入模块（32点，24VDC）组合件          (6ES7 321-1BL00-0AA0+6ES7 392-1AM00-0AA0)    

6ES7 321-7BH01-0AB0    开入模块（16点，24VDC，诊断能力）

6ES7 321-1EL00-0AA0    开入模块（32点，120VAC）

6ES7 321-1FF01-0AA0    开入模块（8点，120/230VAC）

6ES7 321-1FF10-0AA0    开入模块（8点，120/230VAC）与公共电位单独连接

6ES7 321-1FH00-0AA0    开入模块（16点，120/230VAC）

6ES7 321-1FH00-9AJ0    开入模块（16点，120/230VAC）           (6ES7 321-1FH00-0AA0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 321-1CH00-0AA0    开入模块（16点，24/48VDC）

6ES7 321-1CH20-0AA0    开入模块（16点，48/125VDC）

6ES7 321-1BP00-0AA0    光电隔离，每组 16，64 DI，DC 24V，3MS，漏/源

6ES7 322-1BP00-0AA0    光电隔离，每组 16，64 DO，DC 24V，0.3A（源），总电流2A/组

6ES7 322-1BH01-0AA0    开出模块（16点，24VDC）

6ES7 322-1BH01-9AJ0    开出模块（16点，24VDC）                (6ES7 322-1BH01-0AA0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 322-1BH10-0AA0    开出模块（16点，24VDC）高速

6ES7 322-1CF00-0AA0    开出模块（8点，48-125VDC）

6ES7 322-8BF00-0AB0    开出模块（8点，24VDC）诊断能力

6ES7 322-5GH00-0AB0    开出模块（16点，24VDC，独立接点，故障保护）

6ES7 322-1BL00-0AA0    开出模块（32点，24VDC）

6ES7 322-1BL00-9AM0    开出模块（32点，24VDC）               (6ES7 322-1BL00-0AA0+6ES7 392-1AM00-0AA0)    

6ES7 322-1FL00-0AA0    开出模块（32点，120VAC/230VAC）

6ES7 322-1BF01-0AA0    开出模块（8点，24VDC，2A）

6ES7 322-1FF01-0AA0    开出模块（8点，120V/230VAC）

6ES7 322-5FF00-0AB0    开出模块（8点，120V/230VAC，独立接点）

6ES7 322-1HF01-0AA0    开出模块（8点,继电器,2A）

6ES7 322-1HF01-9AJ0    开出模块（8点,继电器,2A）             (6ES7 322-1HF01-0AA0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 322-1HF10-0AA0    开出模块（8点,继电器,5A，独立接点）

6ES7 322-1HH01-0AA0    开出模块(16点,继电器)DO

6ES7 322-1HH01-9AJ0    开出模块(16点,继电器)                 (6ES7 322-1HH01-0AA0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 322-5HF00-0AB0    开出模块（8点,继电器,5A，故障保护）

6ES7 322-1FH00-0AA0    开出模块（16点，120V/230VAC）

6ES7 323-1BH01-0AA0    8点输入，24VDC；8点输出，24VDC模块

6ES7 323-1BL00-0AA0    16点输入，24VDC；16点输出，24VDC模块

6ES7 323-1BL00-9AM0    16点输入，24VDC；16点输出，24VDC模块  (6ES7 323-1BL00-0AA0+6ES7 392-1AM00-0AA0)

模拟量模板    

6ES7 331-7KF02-0AB0    模拟量输入模块(8路，多种信号)

6ES7 331-7KF02-9AJ0    模拟量输入模块(8路，多种信号)         (6ES7 331-7KF02-0AB0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 331-7KB02-0AB0    模拟量输入模块(2路，多种信号)

6ES7 331-7KB02-9AJ0    模拟量输入模块(2路，多种信号)         (6ES7 331-7KB02-0AB0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 331-7NF00-0AB0    模拟量输入模块(8路，15位精度)

6ES7 331-7NF00-9AM0    模拟量输入模块(8路，15位精度)         (6ES7 331-7NF00-0AB0+6ES7 392-1AM00-0AA0)

6ES7 331-7NF10-0AB0    模拟量输入模块(8路，15位精度)4通道模式

6ES7 331-7HF01-0AB0    模拟量输入模块(8路，14位精度，快速)

6ES7 331-1KF02-0AB0    模拟量输入模块(8路, 13位精度)

6ES7 331-1KF02-9AM0    模拟量输入模块(8路, 13位精度)           (6ES7 331-1KF02-0AB0+6ES7 392-1AM00-0AA0)

6ES7 331-7PF01-0AB0    8路模拟量输入,16位,热电阻

6ES7 331-7PF01-9AM0    8路模拟量输入,16位,热电阻             (6ES7 331-7PF01-0AB0+6ES7 392-1AM00-0AA0)

6ES7 331-7PF11-0AB0    8路模拟量输入,16位,热电偶

6ES7 331-7PF11-9AM0    8路模拟量输入,16位,热电偶             (6ES7 331-7PF01-0AB0+6ES7 392-1AM00-0AA0)

6ES7 332-5HD01-0AB0    模拟输出模块(4路) 

6ES7 332-5HD01-9AJ0    模拟输出模块(4路)                      (6ES7 332-5HD01-0AB0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 332-5HB01-0AB0    模拟输出模块(2路) 

6ES7 332-5HB01-9AJ0    模拟输出模块(2路)                     (6ES7 332-5HB01-0AB0+6ES7 392-1AJ00-0AA0)

6ES7 332-5HF00-0AB0    模拟输出模块(8路) 

6ES7 332-5HF00-9AM0    模拟输出模块(8路)                          (6ES7 332-5HF00-0AB0+6ES7 392-1AM00-0AA0)

6ES7 332-7ND02-0AB0    模拟量输出模块(4路，15位精度)

6ES7 334-0KE00-0AB0    模拟量输入(4路RTD)/模拟量输出（2路）

6ES7 334-0CE01-0AA0    模拟量输入(4路)/模拟量输出（2路）

3 控制系统构成

实验室的平台搭建，主要由西门子的plc，受控对象，现场的摄像头，远程通讯模块，和远程这端的访问计算机成，如图4所示。

3.1 系统的主要元器件和功能

（1）受控对象：气动机械手，分别采用西门子s7-200和支持工业实时以太网（profinet）的s7-1200plc。通过plc的以太网通讯接口CONTROL ENGINEERING China版权所有，完成远端计算机机对整个系统的管理和操控，实时数据采集、诊断和上下载编程等操作［1］。

（2）摄像头：分配ip后，通过以太网接口连接到远程通讯模块，对现场进行远程监视；摄像头采用了具有以太网接口的摄像头，其本身还带有无线的wifi功能，在远程通讯模块上加入一个wifi模块，摄像头将可以实现无线视频的传输。

（3）远程通讯模块：采用赛远公司sy-rscm300远程安全通讯模块。该模块具有交换、路由、防火墙、安全网关和vlan等功能，vlan虚拟**网络组网能力的工业等级的安全通讯模块控制工程网版权所有，可以实现100m工业网络的数据交换传输。sy-rscm300远程安全通讯模块用以建立可编程控制器、摄像头等设备与远程主机之间的虚拟**网络（vlan）通道［2］。

（4）管理计算机：装有windows xp操作系统、西门子plc编程软件。

（5）远程的访问计算机需要具有能上网的条件，并且通过远程通讯模块sy-rscm接入到本实验系统。

网络还可由多台管理计算机和服务器同时对多个远程通讯模块下的可编程控制器等进行访问。同时，在每个远程通讯模块下，可以根据需要，搭建无线以太网网络，实现无法布线区域的无线连接。对于plc，本实验室主要是采用具有强大通讯能力的较小型西门子plc，但是不局限于s7-200等系列的小型plc，对于具有以太网或者实时以太网接口的中大型plc一样适用。

由于系统要求在访问的计算机客户端增加远程通讯模块sy-rsc，从安全性的角度方面来看，硬件的认证和防火墙是具有较高等级的一种措施，十分有必要。但是，从经济角度看，让每个访问者增加一个设备，增加的开支与节省受训者的成本和提高整体的效率相违背。所以，赛远根据这样的客户要求，开发了具有安全接入的软件平台，只要在远程计算机上安装有sy-rcs远程接入软件，不需要远程通讯模块sy-rscm也可以进行接入。

和传统的远程接入方案比较，赛远的接入方式支持了多种较为流行的宽带接入方式，如xdsl、3g等。对于固定的实验室，有线的宽带方式是较好的途径，而对于不便于接线的远端或者实验室端（有些实验室的端口不便于开放到外面，所以也需要重新搭建上网通道），可以采用较新的3g技术，系统拓扑图如图6所示。

3.2 控制系统训练功能设计

（1）在可以上网的任何地点，在装有编程软件的机子上，可以对plc进行远程的上下载程序，在线诊断；

（2）通过现场摄像头在线视频实时查看plc的运行状态；

（3）实现远程控制，可直接通过编程软件对plc进行的任何参数和程序的改变；

（4）对于实验室的远程仿真实训，开辟了一个全新的实训模式，提高了实训的整体效率。

3.3 项目难点

本项目中，主要的难点在于如何将本端plc的数据传到另外一个固定的远端的设备，通过常规的方式，如果某一端如服务器端固定ip，客户端找固定ip将十分容易。而两端都是动态变化的ip，则必须通过一个ip解析服务器进行ip解析，本方案中，ip连接着一个域名，域名解析的工作由赛远专门搭建的域名解析工作站完成，没有使用免费的ip解析，主要是考虑解析工作的稳定性。

对于其中的plc搭建，采用的是原来的气动机械手里面的控制器，加装了以太网接口模块，调试过程中控制工程网版权所有，需要将ip地址进行统一规划，如在plc端，采用的网关为192.168.0.1，所以，plc的地址，摄像头的地址都要处于该网段。

此外，对于数据的安全方面，本实验室项目中，通过公共的internet网络，数据都可能存在一些安全的问题，所以，赛远的网络加密技术，遵循了国际标准，并加入了具有赛远特色的加密方式，在两端的网络安全通讯模块中加入了s-link安全连接密钥，这是一个私钥，128位加密，对于网络的安全来说，具有稳定、可靠和安全。

3.4 安全设计

由于是工业自动化系统的远程通讯CONTROL ENGINEERING China版权所有，因此数据传送中的安全**是非常重要的，本文采用了以下几种方法进行数据安全处理［3］：

（1）通过虚拟**网络（vlan）过滤和检查数据通讯；

（2）在受保护的自动化单元中进行分段。远程通讯模块具有防火墙功能，用于保护网络节点。一组受保护的设备构成一个受保护的自动化单元CONTROL ENGINEERING China版权所有，只有来自同一组的安全通讯模块或它们正在保护的设备才可互相交换数据；

（3）节点的认证（标识），使用认证过程在安全（加密）通道上互相标识，因此，未经授权的实体无法访问受保护的网段；

（4）对数据通讯进行加密，通过对数据通讯进行加密来确保数据的机密性，为每个安全通讯模块提供一个包含加密密钥的vlan 证书。

本系统采用的s-link网络安全传输协议，是数据安全的较重要的一个环节，s-link通过软件的高级加密形式，对ip报文封装，以实现tcp/ip网络上数据的安全传送。s-link属于osi模型的*三层协议即网络层，相对*二层协议，提供了认证、加密，包括对控制报文和传输中的数据加密，是一种完整的安全解决方案［4］。s-link安全体系结构如图7所示。

s-link安全体系结构综合了密码技术和协议安全机制，s-link协议的设计目标是在ipv4环境中为网络层流量提供灵活的安全服务。其提供的安全服务包括：访问控制、无连接完整性、数据源鉴别、重传攻击保护、机密性、有限的流量保密等。s-link协议主要内容包括：协议框架－rfc2401；安全协议：ah协议－rfc2402、esp协议－rfc2406。

两种协议ah和esp的数据封装格式如图8所示。

4 结束语

本实验室平台自搭建以来，已经开放给了校外学生使用，一直稳定运行，收到了诸多学生以及来校参观者的**，而本实验室采用的安全通讯技术的**系统也即将参加*十二届国际**产品交易会，届时将通过3g网络，现场演示访问西门子的plc操作。

在实验室的搭建过程中，对于西门子的自动化产品，一直是以稳定着称，而且在通讯方面十分的方便，用户*高深的计算机水平，即可完成通讯。搭建过程中，为了建立虚拟通道而专门开发的s-link，是赛远为了增强安全性而特殊定制的，这个是本系统的较难的地方。在工业网络通讯方面，西门子提倡的是一网到底，profinet取代profibus也是大势所趋，综合来说，欧美的产品通讯能力强过日系的品牌，赛远的通讯接入模块和软件则是西门子的产品的一个有益补充。现在的设备或者系统安装在用户，作为本实验室所采用的远程技术，也一样可以用于设备或系统的远程在线访问和调试，对于传统的售后服务方式来说，节省时间、人力成本，减少停机时间，提高快速响应能力，预先的投入将发挥出巨大的效益。

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　西门子S7-1200系列PLC功能特点

　　制造行业中的创新系统解决方案——模块化控制器SIMATIC S7-1200 控制器具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用，能够**现有投资的长期安全。由于该控制器具有可扩展的灵活设计，符合工业通讯较高标准的通讯接口，以及全面的集成工艺功能，因此它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。

　　·通讯模块集成工艺

　　集成的 PROFINET 接口用于编程、HMI 通讯和 PLC 间的通讯。此外它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通讯。该接口带一个具有自动交叉网线（auto-cross-over）功能的 RJ45 连接器，提供10/100 Mbit/s 的数据传输速率，它支持较多 16 个以太网连接以及下列协议：TCP/IPnative、ISO-on-TCP 和 S7 通讯。

　　SIMATIC S7-1200 CPU 较多可以添加三个通讯模块。RS485和 RS232 通讯模块为点到点的串行通讯提供连接。对该通讯的组态和编程采用了扩展指令或库功能、USS 驱动协议、Modbus RTU 主站和从站协议，它们都包含在 SIMAT ICSTEP 7 Basic 工程组态系统中。

　　·高速输入

　　SIMATIC S7-1200 控制器带有多达6个高速计数器。其中3个输入为100kHz，3个输入为30kHz，用于计数和测量。

　　·高速输出

　　SIMATIC S7-1200 控制器集成了两个100kHz的高速脉冲输出，用于步进电机或控制伺服驱动器的速度和位置。这两个输出都可以输出脉宽调制信号来控制电机速度、阀位置或加热元件的占空比。

　　·存储器

　　用户程序和用户数据之间的可变边界可提供较多50KB容量的集成工作内存。同时还提供了较多2MB 的集成装载内存和 2 KB 的掉电保持内存。SIMATIC 存储卡可选，通过它可以方便地将程序传输至多个CPU。该卡还可以用来存储各种文件或更新控制器系统的固件。

　　·可扩展的灵活设计

　　信号模块

　　------多达8个信号模块可连接到扩展能力较高的CPU，以支持更多的数字和模拟量输入/输出信号。

　　信号板

　　------一块信号板就可连接至所有的CPU，由此您可以通过向控制器添加数字或模拟量输入/输出信号来量身定做CPU，而不必改变其体积。SIMATIC S7-1200控制器的模块化设计允许您按照自己的需要准确地设计控制器系统。