基于西门子PLC的网络控制设计与应用

陆文灏

（1.苏州大学机电学院，江苏 苏州 215021;2.苏州工业职业技术学院,江苏 苏州 215104）

随着工业控制技术的飞速发展，以PLC为核心的自动化设备越来越多地运用了电机变频调速，组态软件监控，触摸屏等技术，并且控制系统朝着网络化方向发展，需提供具有现场控制对象的完整控制层、监控管理层、远程监控层的网络控制系统，包括PPI网络、PROFIBUS—DP网络和以太网等多种网络形式，具有开放性的控制特点。

本文以西门子S7系列PLC为例，阐述运用PPI协议实现PLC通讯，并通过USS协议实现变频调速，同时引入组态技术对整个控制系统实时监控。

1 总体架构设计

（1）系统的设计要求：①提供具有针对现场控制对象的完整网络控制系统，包括PPI网络、PROFIBUS—DP网络和以太网等多种网络形式，具有开放性的控制特点。②尽可能覆盖所选系列PLC的所有网络控制功能。③融合现场总线控制技术、组态软件技术、触摸屏技术。④系统具有良好的开放性，可与其它主流网络控制系统进行交互，可以外接不通种类的执行设备。

（2）系统设计方案。系统总体结构如图1所示，电气结构如图2所示。

具体实现方案如下：①底层是PPI技术网络，由S7-200PLC系列组成的PPI网来完成。②利用三台S7 222 PLC CPU226 CN实现一主站三从站的PPI网络，将运动控制系统(变频控制)，组态软件及触摸屏结合到系统。③主站通过USS协议与MM420变频器通讯。④主站通过RS485与触摸屏进行通讯。⑤整个系统的控制对象可以做变频调速控制，自动化生产线的顺序控制，同时引入触摸屏及组态技术，完成对系统的实时监控。⑥网络开放性，应预留可进行功能扩展的接口，以便驱动不同执行元件。

图1 系统总体架构图

图2 系统电气结构图

2 西门子S7系列PLC网络通讯设计

（1）西门子S7系列PLC网络通讯介绍。西门子S7-200系列PLC是一种小型整体结构形式的PLC，内部集成的PPI接口为用户提供了强大的通讯功能，其PPI接口(即编程口)的物理特性为RS一485，根据不同的协议通过此接口与不同的设备进行通讯或组成网络。

PPI协议是S7-200 CPU最基本的通讯方式，通过原来自身的端口（PORT0或PORT1）就可以实现通讯。

PPI是一种主—从协议通讯，主—从站在一个令牌环网中，主站发送要求到从站器件，从站器件响应；从站器件不发信息，只是等待主站的要求并对要求作出响应。如果在用户程序中使能PPI主站模式，就可以在主站程序中使用网络读写指令来读写从站信息。而从站程序没有必要使用网络读写指令。本系统中采用了PPI网络通讯方式，具体通讯方法如图3所示。

图3 西门子PPI通讯方式

（2）通讯端口参数设置。对网络上每一台PLC，设置其系统块中的通讯端口参数，对用作PPI通讯的端口（PORT0或PORT1），指定其地址（站号）和波特率。设置后把系统块下载到该PLC。具体操作如下：

运行个人电脑上的STEP7 V4.0（SP8）程序，打开设置端口界面，如图4所示。利用PPI/RS485编程电缆单独地把输送单元CPU系统块里设置端口0为1号站，波特率为了187.5千波特，如图5所示。同样方法设置2单元CPU端口0为2号站，波特率为了187.5千波特；3单元CPU端口0为3号站，波特率为了187.5千波特；4单元CPU端口0为4号站，波特率为了187.5千波特，分别把系统块下载到相应的CPU中。

图4 打开设置端口画面

（3）编写主站网络读写程序段。编制主站的网络读写程序。最简便的方法是借助网络读写向导程序。这一向导程序可以快速简单地配置复杂的网络读写指令操作，为所需的功能提供一系列选项。一旦完成，向导将为所选配置生成程序代码，并初始化指定的PLC为PPI主站模式，同时使网络读写操作实现。

要启动网络读写向导程序，在STEP7 V4.0软件命令菜单中选择 工具→指令导向，并且在指令向导窗口中选择NETR/NETW（网络读写），单击“下一步”后，就会出现NETR/NETW 指令向导界面。

图5 设置输送站PLC端口0参数

要在程序中使用上面所完成的配置，须在主程序块中加入对子程序“NET_EXE”的调用。使用SM0.0在每个扫描周期内调用此子程序，这将开始执行配置的网络读/写操作。梯形图如图6所示。

图6 子程序NET_EXE的调用

3 人机界面及组态设计

（1）TPC7062KS人机界面通讯实现。在该实验装置中，触摸屏通过COM口直接与主站的PLC（PORT1）的编程口连接。所使用的通讯线采用西门子 PC-PPI电缆，PC-PPI电缆把RS232转为RS485。PC-PPI电缆9针母头插在屏侧，9针公头插在PLC侧。为了实现正常通讯，除了正确进行硬件连接，尚须对触摸屏的串行口0属性进行设置，这将在设备窗口组态中实现。

（2）MCGS组态设计。MCGS即 “监视与控制通用系统”，英文全称为Monitor and Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。

为了通过触摸屏设备监控机器或系统，必须给触摸屏设备组态用户界面。系统组态就是通过PLC以“变量”方式进行操作单元与机械设备或过程之间的通讯。变量值写入PLC上的存储区域（地址），由操作单元从该区域读取。

MCGS组态中最重要的工作是列出了触摸屏组态画面各元件对应PLC地址,如表1所示。

上述参数去定以后，还需要完成在组态软件中创建新工程、定以数据对象、连接设备、元件绘制等工作，本文就不详细列举了。

表1 触摸屏组态画面各元件对应PLC地址

4 西门子S7 PLC与变频器通讯的实现

（1）USS协议介。USS协议是以字符信息为基本单元的协议，而CPU22X的自由口通讯功能和CPU31XC-PTP的RS422/485串行口正好也是以ASCII码的形式来发送接收信息的。利用这些CPU的RS485串行口的通讯功能，由用户程序完成USS协议功能，可实现与SIEMENS传动装置简单而可靠的通讯连接。

（2）PLC与MM420变频器通讯的实现。参数设置方法。用BOP可以修改和设定系统参数，使变频器具有期望的特性，例如，斜坡时间，最小和最大频率等。选择的参数号和设定的参数值在五位数字的LCD上显示。

MM420变频器的参数访问。MM420变频器有数千个参数，为了能快速访问指定的参数，MM420采用把参数分类，屏蔽不需要访问的类别的方法。实现这种过滤功能的有如下几个参数：①参数P0004就是实现这种参数过滤功能的重要参数。当完成了P0004的设定以后再进行参数查找时，在LCD上只能看到P0004设定值所指定类别的参数。②参数P0010是调试参数过滤器，对与调试相关的参数进行过滤，只筛选出那些与特定功能组有关的参数。P0010的可能设定值为：0（准备），1（快速调试），2（变频器），29（下载），30（工厂的缺省设定值）；缺省设定值为0。③参数P0003用于定义用户访问参数组的等级，设置范围为1～4，其中：“1”标准级：可以访问最经常使用的参数。“2”扩展级：允许扩展访问参数的范围，例如变频器的I/O功能。“3”专家级：只供专家使用。“4”维修级：只供授权的维修人员使用—具有密码保护。

该参数缺省设置为等级1（标准级），对于大多数简单的应用对象，采用标准级就可以满足要求了。用户可以修改设置值，但建议不要设置为等级4（维修级），用BOP或AOP操作板看不到第4访问级的参数。

5 结语

本文论述了运用西门子S7系列PLC通过PPI协议组成网络控制系统，执行元件以MM420变频器拖动电机，并引进组态监控整个系统的运行状态，随着工业自动化在国民经济中的不断发展，相信这套系统会有很广阔的应用前景。