基于西門子PLC的網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陸文灝

（1.蘇州大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 蘇州 215021;2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215104）

隨著工業(yè)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以PLC為核心的自動(dòng)化設(shè)備越來越多地運(yùn)用了電機(jī)變頻調(diào)速，組態(tài)軟件監(jiān)控，觸摸屏等技術(shù)，并且控制系統(tǒng)朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，需提供具有現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象的完整控制層、監(jiān)控管理層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括PPI網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)形式，具有開放性的控制特點(diǎn)。

本文以西門子S7系列PLC為例，闡述運(yùn)用PPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC通訊，并通過USS協(xié)議實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，同時(shí)引入組態(tài)技術(shù)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求：①提供具有針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象的完整網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括PPI網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)形式，具有開放性的控制特點(diǎn)。②盡可能覆蓋所選系列PLC的所有網(wǎng)絡(luò)控制功能。③融合現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)、觸摸屏技術(shù)。④系統(tǒng)具有良好的開放性，可與其它主流網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，可以外接不通種類的執(zhí)行設(shè)備。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

具體實(shí)現(xiàn)方案如下：①底層是PPI技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，由S7-200PLC系列組成的PPI網(wǎng)來完成。②利用三臺(tái)S7 222 PLC CPU226 CN實(shí)現(xiàn)一主站三從站的PPI網(wǎng)絡(luò)，將運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(變頻控制)，組態(tài)軟件及觸摸屏結(jié)合到系統(tǒng)。③主站通過USS協(xié)議與MM420變頻器通訊。④主站通過RS485與觸摸屏進(jìn)行通訊。⑤整個(gè)系統(tǒng)的控制對(duì)象可以做變頻調(diào)速控制，自動(dòng)化生產(chǎn)線的順序控制，同時(shí)引入觸摸屏及組態(tài)技術(shù)，完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。⑥網(wǎng)絡(luò)開放性，應(yīng)預(yù)留可進(jìn)行功能擴(kuò)展的接口，以便驅(qū)動(dòng)不同執(zhí)行元件。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

2 西門子S7系列PLC網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)

（1）西門子S7系列PLC網(wǎng)絡(luò)通訊介紹。西門子S7-200系列PLC是一種小型整體結(jié)構(gòu)形式的PLC，內(nèi)部集成的PPI接口為用戶提供了強(qiáng)大的通訊功能，其PPI接口(即編程口)的物理特性為RS一485，根據(jù)不同的協(xié)議通過此接口與不同的設(shè)備進(jìn)行通訊或組成網(wǎng)絡(luò)。

PPI協(xié)議是S7-200 CPU最基本的通訊方式，通過原來自身的端口（PORT0或PORT1）就可以實(shí)現(xiàn)通訊。

PPI是一種主—從協(xié)議通訊，主—從站在一個(gè)令牌環(huán)網(wǎng)中，主站發(fā)送要求到從站器件，從站器件響應(yīng)；從站器件不發(fā)信息，只是等待主站的要求并對(duì)要求作出響應(yīng)。如果在用戶程序中使能PPI主站模式，就可以在主站程序中使用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令來讀寫從站信息。而從站程序沒有必要使用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令。本系統(tǒng)中采用了PPI網(wǎng)絡(luò)通訊方式，具體通訊方法如圖3所示。

圖3 西門子PPI通訊方式

（2）通訊端口參數(shù)設(shè)置。對(duì)網(wǎng)絡(luò)上每一臺(tái)PLC，設(shè)置其系統(tǒng)塊中的通訊端口參數(shù)，對(duì)用作PPI通訊的端口（PORT0或PORT1），指定其地址（站號(hào)）和波特率。設(shè)置后把系統(tǒng)塊下載到該P(yáng)LC。具體操作如下：

運(yùn)行個(gè)人電腦上的STEP7 V4.0（SP8）程序，打開設(shè)置端口界面，如圖4所示。利用PPI/RS485編程電纜單獨(dú)地把輸送單元CPU系統(tǒng)塊里設(shè)置端口0為1號(hào)站，波特率為了187.5千波特，如圖5所示。同樣方法設(shè)置2單元CPU端口0為2號(hào)站，波特率為了187.5千波特；3單元CPU端口0為3號(hào)站，波特率為了187.5千波特；4單元CPU端口0為4號(hào)站，波特率為了187.5千波特，分別把系統(tǒng)塊下載到相應(yīng)的CPU中。

圖4 打開設(shè)置端口畫面

（3）編寫主站網(wǎng)絡(luò)讀寫程序段。編制主站的網(wǎng)絡(luò)讀寫程序。最簡(jiǎn)便的方法是借助網(wǎng)絡(luò)讀寫向?qū)С绦?。這一向?qū)С绦蚩梢钥焖俸?jiǎn)單地配置復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)讀寫指令操作，為所需的功能提供一系列選項(xiàng)。一旦完成，向?qū)樗x配置生成程序代碼，并初始化指定的PLC為PPI主站模式，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)讀寫操作實(shí)現(xiàn)。

要啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)讀寫向?qū)С绦?，在STEP7 V4.0軟件命令菜單中選擇 工具→指令導(dǎo)向，并且在指令向?qū)Т翱谥羞x擇NETR/NETW（網(wǎng)絡(luò)讀寫），單擊“下一步”后，就會(huì)出現(xiàn)NETR/NETW 指令向?qū)Ы缑妗?/p>

圖5 設(shè)置輸送站PLC端口0參數(shù)

要在程序中使用上面所完成的配置，須在主程序塊中加入對(duì)子程序“NET_EXE”的調(diào)用。使用SM0.0在每個(gè)掃描周期內(nèi)調(diào)用此子程序，這將開始執(zhí)行配置的網(wǎng)絡(luò)讀/寫操作。梯形圖如圖6所示。

圖6 子程序NET_EXE的調(diào)用

3 人機(jī)界面及組態(tài)設(shè)計(jì)

（1）TPC7062KS人機(jī)界面通訊實(shí)現(xiàn)。在該實(shí)驗(yàn)裝置中，觸摸屏通過COM口直接與主站的PLC（PORT1）的編程口連接。所使用的通訊線采用西門子 PC-PPI電纜，PC-PPI電纜把RS232轉(zhuǎn)為RS485。PC-PPI電纜9針母頭插在屏側(cè)，9針公頭插在PLC側(cè)。為了實(shí)現(xiàn)正常通訊，除了正確進(jìn)行硬件連接，尚須對(duì)觸摸屏的串行口0屬性進(jìn)行設(shè)置，這將在設(shè)備窗口組態(tài)中實(shí)現(xiàn)。

（2）MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)。MCGS即 “監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”，英文全稱為Monitor and Control Generated System。MCGS是為工業(yè)過程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域服務(wù)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件，具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。

為了通過觸摸屏設(shè)備監(jiān)控機(jī)器或系統(tǒng)，必須給觸摸屏設(shè)備組態(tài)用戶界面。系統(tǒng)組態(tài)就是通過PLC以“變量”方式進(jìn)行操作單元與機(jī)械設(shè)備或過程之間的通訊。變量值寫入PLC上的存儲(chǔ)區(qū)域（地址），由操作單元從該區(qū)域讀取。

MCGS組態(tài)中最重要的工作是列出了觸摸屏組態(tài)畫面各元件對(duì)應(yīng)PLC地址,如表1所示。

上述參數(shù)去定以后，還需要完成在組態(tài)軟件中創(chuàng)建新工程、定以數(shù)據(jù)對(duì)象、連接設(shè)備、元件繪制等工作，本文就不詳細(xì)列舉了。

表1 觸摸屏組態(tài)畫面各元件對(duì)應(yīng)PLC地址

4 西門子S7 PLC與變頻器通訊的實(shí)現(xiàn)

（1）USS協(xié)議介。USS協(xié)議是以字符信息為基本單元的協(xié)議，而CPU22X的自由口通訊功能和CPU31XC-PTP的RS422/485串行口正好也是以ASCII碼的形式來發(fā)送接收信息的。利用這些CPU的RS485串行口的通訊功能，由用戶程序完成USS協(xié)議功能，可實(shí)現(xiàn)與SIEMENS傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)單而可靠的通訊連接。

（2）PLC與MM420變頻器通訊的實(shí)現(xiàn)。參數(shù)設(shè)置方法。用BOP可以修改和設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，使變頻器具有期望的特性，例如，斜坡時(shí)間，最小和最大頻率等。選擇的參數(shù)號(hào)和設(shè)定的參數(shù)值在五位數(shù)字的LCD上顯示。

MM420變頻器的參數(shù)訪問。MM420變頻器有數(shù)千個(gè)參數(shù)，為了能快速訪問指定的參數(shù)，MM420采用把參數(shù)分類，屏蔽不需要訪問的類別的方法。實(shí)現(xiàn)這種過濾功能的有如下幾個(gè)參數(shù)：①參數(shù)P0004就是實(shí)現(xiàn)這種參數(shù)過濾功能的重要參數(shù)。當(dāng)完成了P0004的設(shè)定以后再進(jìn)行參數(shù)查找時(shí)，在LCD上只能看到P0004設(shè)定值所指定類別的參數(shù)。②參數(shù)P0010是調(diào)試參數(shù)過濾器，對(duì)與調(diào)試相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行過濾，只篩選出那些與特定功能組有關(guān)的參數(shù)。P0010的可能設(shè)定值為：0（準(zhǔn)備），1（快速調(diào)試），2（變頻器），29（下載），30（工廠的缺省設(shè)定值）；缺省設(shè)定值為0。③參數(shù)P0003用于定義用戶訪問參數(shù)組的等級(jí)，設(shè)置范圍為1～4，其中：“1”標(biāo)準(zhǔn)級(jí)：可以訪問最經(jīng)常使用的參數(shù)。“2”擴(kuò)展級(jí)：允許擴(kuò)展訪問參數(shù)的范圍，例如變頻器的I/O功能。“3”專家級(jí)：只供專家使用。“4”維修級(jí)：只供授權(quán)的維修人員使用—具有密碼保護(hù)。

該參數(shù)缺省設(shè)置為等級(jí)1（標(biāo)準(zhǔn)級(jí)），對(duì)于大多數(shù)簡(jiǎn)單的應(yīng)用對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)就可以滿足要求了。用戶可以修改設(shè)置值，但建議不要設(shè)置為等級(jí)4（維修級(jí)），用BOP或AOP操作板看不到第4訪問級(jí)的參數(shù)。

5 結(jié)語

本文論述了運(yùn)用西門子S7系列PLC通過PPI協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，執(zhí)行元件以MM420變頻器拖動(dòng)電機(jī)，并引進(jìn)組態(tài)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，隨著工業(yè)自動(dòng)化在國民經(jīng)濟(jì)中的不斷發(fā)展，相信這套系統(tǒng)會(huì)有很廣闊的應(yīng)用前景。