基于西門子PLC的網絡控制設計與應用

陸文灝

（1.蘇州大學機電學院，江蘇 蘇州 215021;2.蘇州工業職業技術學院,江蘇 蘇州 215104）

隨著工業控制技術的飛速發展，以PLC為核心的自動化設備越來越多地運用了電機變頻調速，組態軟件監控，觸摸屏等技術，并且控制系統朝著網絡化方向發展，需提供具有現場控制對象的完整控制層、監控管理層、遠程監控層的網絡控制系統，包括PPI網絡、PROFIBUS—DP網絡和以太網等多種網絡形式，具有開放性的控制特點。

本文以西門子S7系列PLC為例，闡述運用PPI協議實現PLC通訊，并通過USS協議實現變頻調速，同時引入組態技術對整個控制系統實時監控。

1 總體架構設計

（1）系統的設計要求：①提供具有針對現場控制對象的完整網絡控制系統，包括PPI網絡、PROFIBUS—DP網絡和以太網等多種網絡形式，具有開放性的控制特點。②盡可能覆蓋所選系列PLC的所有網絡控制功能。③融合現場總線控制技術、組態軟件技術、觸摸屏技術。④系統具有良好的開放性，可與其它主流網絡控制系統進行交互，可以外接不通種類的執行設備。

（2）系統設計方案。系統總體結構如圖1所示，電氣結構如圖2所示。

具體實現方案如下：①底層是PPI技術網絡，由S7-200PLC系列組成的PPI網來完成。②利用三臺S7 222 PLC CPU226 CN實現一主站三從站的PPI網絡，將運動控制系統(變頻控制)，組態軟件及觸摸屏結合到系統。③主站通過USS協議與MM420變頻器通訊。④主站通過RS485與觸摸屏進行通訊。⑤整個系統的控制對象可以做變頻調速控制，自動化生產線的順序控制，同時引入觸摸屏及組態技術，完成對系統的實時監控。⑥網絡開放性，應預留可進行功能擴展的接口，以便驅動不同執行元件。

圖1 系統總體架構圖

圖2 系統電氣結構圖

2 西門子S7系列PLC網絡通訊設計

（1）西門子S7系列PLC網絡通訊介紹。西門子S7-200系列PLC是一種小型整體結構形式的PLC，內部集成的PPI接口為用戶提供了強大的通訊功能，其PPI接口(即編程口)的物理特性為RS一485，根據不同的協議通過此接口與不同的設備進行通訊或組成網絡。

PPI協議是S7-200 CPU最基本的通訊方式，通過原來自身的端口（PORT0或PORT1）就可以實現通訊。

PPI是一種主—從協議通訊，主—從站在一個令牌環網中，主站發送要求到從站器件，從站器件響應；從站器件不發信息，只是等待主站的要求并對要求作出響應。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絡讀寫指令來讀寫從站信息。而從站程序沒有必要使用網絡讀寫指令。本系統中采用了PPI網絡通訊方式，具體通訊方法如圖3所示。

圖3 西門子PPI通訊方式

（2）通訊端口參數設置。對網絡上每一臺PLC，設置其系統塊中的通訊端口參數，對用作PPI通訊的端口（PORT0或PORT1），指定其地址（站號）和波特率。設置后把系統塊下載到該PLC。具體操作如下：

運行個人電腦上的STEP7 V4.0（SP8）程序，打開設置端口界面，如圖4所示。利用PPI/RS485編程電纜單獨地把輸送單元CPU系統塊里設置端口0為1號站，波特率為了187.5千波特，如圖5所示。同樣方法設置2單元CPU端口0為2號站，波特率為了187.5千波特；3單元CPU端口0為3號站，波特率為了187.5千波特；4單元CPU端口0為4號站，波特率為了187.5千波特，分別把系統塊下載到相應的CPU中。

圖4 打開設置端口畫面

（3）編寫主站網絡讀寫程序段。編制主站的網絡讀寫程序。最簡便的方法是借助網絡讀寫向導程序。這一向導程序可以快速簡單地配置復雜的網絡讀寫指令操作，為所需的功能提供一系列選項。一旦完成，向導將為所選配置生成程序代碼，并初始化指定的PLC為PPI主站模式，同時使網絡讀寫操作實現。

要啟動網絡讀寫向導程序，在STEP7 V4.0軟件命令菜單中選擇 工具→指令導向，并且在指令向導窗口中選擇NETR/NETW（網絡讀寫），單擊“下一步”后，就會出現NETR/NETW 指令向導界面。

圖5 設置輸送站PLC端口0參數

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子程序“NET_EXE”的調用。使用SM0.0在每個掃描周期內調用此子程序，這將開始執行配置的網絡讀/寫操作。梯形圖如圖6所示。

圖6 子程序NET_EXE的調用

3 人機界面及組態設計

（1）TPC7062KS人機界面通訊實現。在該實驗裝置中，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轉為RS485。PC-PPI電纜9針母頭插在屏側，9針公頭插在PLC側。為了實現正常通訊，除了正確進行硬件連接，尚須對觸摸屏的串行口0屬性進行設置，這將在設備窗口組態中實現。

（2）MCGS組態設計。MCGS即 “監視與控制通用系統”，英文全稱為Monitor and Control Generated System。MCGS是為工業過程控制和實時監測領域服務的通用計算機系統軟件，具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。

為了通過觸摸屏設備監控機器或系統，必須給觸摸屏設備組態用戶界面。系統組態就是通過PLC以“變量”方式進行操作單元與機械設備或過程之間的通訊。變量值寫入PLC上的存儲區域（地址），由操作單元從該區域讀取。

MCGS組態中最重要的工作是列出了觸摸屏組態畫面各元件對應PLC地址,如表1所示。

上述參數去定以后，還需要完成在組態軟件中創建新工程、定以數據對象、連接設備、元件繪制等工作，本文就不詳細列舉了。

表1 觸摸屏組態畫面各元件對應PLC地址

4 西門子S7 PLC與變頻器通訊的實現

（1）USS協議介。USS協議是以字符信息為基本單元的協議，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協議功能，可實現與SIEMENS傳動裝置簡單而可靠的通訊連接。

（2）PLC與MM420變頻器通訊的實現。參數設置方法。用BOP可以修改和設定系統參數，使變頻器具有期望的特性，例如，斜坡時間，最小和最大頻率等。選擇的參數號和設定的參數值在五位數字的LCD上顯示。

MM420變頻器的參數訪問。MM420變頻器有數千個參數，為了能快速訪問指定的參數，MM420采用把參數分類，屏蔽不需要訪問的類別的方法。實現這種過濾功能的有如下幾個參數：①參數P0004就是實現這種參數過濾功能的重要參數。當完成了P0004的設定以后再進行參數查找時，在LCD上只能看到P0004設定值所指定類別的參數。②參數P0010是調試參數過濾器，對與調試相關的參數進行過濾，只篩選出那些與特定功能組有關的參數。P0010的可能設定值為：0（準備），1（快速調試），2（變頻器），29（下載），30（工廠的缺省設定值）；缺省設定值為0。③參數P0003用于定義用戶訪問參數組的等級，設置范圍為1～4，其中：“1”標準級：可以訪問最經常使用的參數?！?”擴展級：允許擴展訪問參數的范圍，例如變頻器的I/O功能。“3”專家級：只供專家使用?！?”維修級：只供授權的維修人員使用—具有密碼保護。

該參數缺省設置為等級1（標準級），對于大多數簡單的應用對象，采用標準級就可以滿足要求了。用戶可以修改設置值，但建議不要設置為等級4（維修級），用BOP或AOP操作板看不到第4訪問級的參數。

5 結語

本文論述了運用西門子S7系列PLC通過PPI協議組成網絡控制系統，執行元件以MM420變頻器拖動電機，并引進組態監控整個系統的運行狀態，隨著工業自動化在國民經濟中的不斷發展，相信這套系統會有很廣闊的應用前景。