西门子PLC I-Device Connection与S7 Connection在条烟与烟箱输送线中的应用

浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂 张弛，范礼峰中科院合肥物质研究院常州先进所 王玉

西门子PLC I-Device Connection与S7 Connection在条烟与烟箱输送线中的应用

浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂 张弛，范礼峰
中科院合肥物质研究院常州先进所 王玉

杭州卷烟厂卷包车间条烟与烟箱输送线是条烟运输及件烟送入高架库的重要枢纽桥梁，它每天都承担着繁重的运输任务，一旦出现停机，就需要大量的人力投入才能保证产品顺利地进入下一环节。由于条烟与烟箱输送线连接了超高速包装机、国产高速包装机、中速包装机、条烟收集机、封箱机等诸多机型，节点组成复杂，上下游配合密切，因此它的电控设计要求网络通信能力强，实时传输数据速度快，既能够集中控制管理也能分流水线控制管理，且系统可靠性高。

1　系统总体构成与分析

条烟与烟箱输送线涉及到卷包车间的诸多环节，车间有三条生产线，每条生产线有8~12台生产设备，它们生产出的产品需要送到封箱机进行箱装打包，然后送入码垛区进行码垛。从控制学角度来说，应有一个可控制三条生产线和烟箱输送线的设备，而且每条生产线要有一个可整体控制输送线启停设备，每条生产线的各台生产设备可以独自控制产品是否通过输送线运送。因此设计上应该有一个主控制柜，可整体控制三条条烟输送线和烟箱输送线。三条流水线各有一个分控柜。还包括了条烟提升、条烟收集机、条烟输送动力头、箱装输送、箱装称重、箱装提升等64个子站。

当前西门子PLC基于工业以太网的通信方式有“S7 Connection”、“UDP Connection”、“PROFINET IO”、“ISO on TCP Connection”、“PROFINET IO I-Device Connection”等等。现在大多数系统都使用“S7 Connection”通信，而在实际应用中，我们选择了S7 Connection与PROFINET IO I-Device Connection的混合连接方法，如图1所示。现场有一个总电控柜（使用S7-400 PLC），三条条烟输送线和两条件烟输送线，每条条烟输送线有1个分控柜（使用S7-300 PLC），28台提升机、13台收集机、19个动力头，在手动状态下可以单独控制，自动状态下通过网络给予的条件控制自动运行（为满足此条件，特选型IM151-8 PN/DP CPU）。在这样一个庞大的系统里，将3个分控柜的S7-300PLC和总电柜里的S7-400PLC通过“S7 Connection”连接通信，子站与分控柜之间的通信就使用PROFINET IO I-Device Connection的方法，方便快捷实时。这样的设计方案，已经应用在实际生产中，达到预期效果。下面就简单介绍一下这种混合连接的组态与编程方法。

图1　现场设备站点通信图

主控柜挂一个414-3PN/DP CPU，每条流水线分控柜挂一个315-2PN/DP CPU，主控柜与每个流水线的分控柜走“S7 connection”通信，每条流水线的分控柜下挂自己流水线内的带CPU的PROFINET IO子站（IM151-8 PN/DP CPU），PROFINET IO子站下还挂了一系列走PROFIBUS-DP的变频器从站，分控柜通过PROFINET IO I-Device Connection连接方式与下挂子站实时通信，从分控柜触摸屏就可以设置自己流水线内子站的班次、牌号等数据，并且能得到来自子站的故障信号和产量数据等，还可以改变子站下从站变频器的参数，控制子站下电机的运行状态。系统连接示意图，如图2所示。

图2　整体设备系统连接示意图

2　PLC的硬件配置与组态

2.1主控柜PLC

硬件配置：S7-400 PLC ，CPU：414-3PN/DP。

硬件组态如图3所示。

图3　S7-400 PLC硬件组态

2.2分控柜PLC

硬件配置： S7-300 PLC，CPU：315-2PN/DP。

硬件组态如图4所示。

图4　S7-300 PLC硬件组态

2.3子站PLC

硬件配置：ET200S，CPU:IM151-8 PN/DP。

硬件组态如图5所示。

图5　IM151-8 PN/DP CPU硬件组态

3　网络的组态

3.1S7连接的网络组态

打开SIMATIC MANAGER，选中自己设定的项目，在右边项目栏里双击“Ethernet(1)”选项（图6）。

图6　SIMATIC MANAGER窗口

在打开的”NetPro”窗口中，右击CPU 414-3pn/dp，选中“Insert New Connection”，在弹开的窗口中选择三个分控柜的PLC项目，在Type栏选择“S7 Connection”（图7）。

图7　Insert New Connection

3.2PROFINET IO I-Device的网络组态

以A1提升机子站为例来说：首先在A1子站的硬件组态里的网络属性中选择I-Device，然后勾选“I-Device mode”，并勾选第二个选项作为较高级设备共享，如图8所示。

图8　I-Device设备共享设置

然后点击下方“NEW”选项，增加需要进行网络交换的IO点数和长度，这里需要在“Transfer area type”一栏中选择“Application”，然后选择32位长度的INPUT和OUTPUT点，如图9所示。

图9　Transfer area type

设置完毕后，点击Options选项里的Create GSD file for I-Device创建一个它特有的I-Device网络交换设备的GSD文件以便分控柜组态使用。如图10所示。

图10　创建GSD文件

创建完成后，回到分控柜S7-300 PLC里的硬件组态，完成最关键的一步，就是把刚才创建的GSD文件添加到PROFINET IO SYSTEM里，如图11所示。

图11　添加GSD文件至PROFINET IO SYSTEM

依次把各条流水线内的子站全部挂入PROFINET IO SYSTEM里，在S7-300主站里得到了每个子站的I address和Q address。这个地址就是分控柜与子站通信的识别地址，有了这个地址，只要在程序里将这些I地址的内容传递到自己的DB块里，或者将自己的数据如牌号班次等传递到Q地址里去。需要注意的是，因为在S7-300 PLC组态里每个子站的I address和Q address是相对于主站来说的，也就是说可以把这些I address当作是主站的输入点，把Q address当作是主站的输出点。所以当主站做通信编程的时候，要以这个为基础。而在子站做通信编程的时候，就是以子站为主体，上文提到的做I-Device通信组态的时候的I点和Q点，这时候就是子站的I和Q，与主站通信得到的内容应该写在I点里，发给主站的内容应该写在Q点里。

4　通信程序的编写

通信程序的编写分两大块，一方面是S7通信的程序编写，另一方面是PROFINET IO I-Device Connection的通信程序编写。因为通信是主站与子站、子站与主站的自由实时通信，所以我们既要在主站里写传递语句，也要在子站里写传递语句。

4.1S7通信程序编写

S7通信是双边进行的，因此需要在主控柜S7-400 PLC里和分控柜S7-300 PLC里编写通信程序。但好处在于S7通信有标准的功能块SFB12和SFB13，只需要调用便可。以主控柜和A分控柜通信为例说明。下面是主控柜里的程序：

第一段：主控柜数据到A分控柜（图12）

图12　S7-400主控柜数据到A分控柜程序

第二段：A分控柜数据到主控柜（图13）

图13　S7-400 A分控柜数据到主控柜程序

A分控柜里的程序，第一段：主控柜数据到A分控柜（图14）

第二段：A分控柜数据到主控柜（图15）

图14　S7-300主控柜数据到A分控柜程序

图15　S7-300 A分控柜数据到主控柜程序

由于都是常见的S7通信，有很多关于S7通信的教程，所以本文就不展开了，在此主要介绍PROFINET IO I-Device Connection的语句编写。

4.2主站通信语句的编写

由于主站网络组态下挂的子站与子站的I address地址和Qaddress地址是默认设置为连续的，因此给编写程序带来了极大的方便，只要用到一个简单的指针寻址和循环就可以把双边的数据进行传递，大大减少了工作量。下面是A分控柜的通信块程序FC1：

第一段：提升机数据到分控柜

OPN DB 8

LAR1 P#832.0

LAR2 P#0.0

L 72

_001: T #times_1

L PID [AR1,P#0.0]

T DBD [AR2,P#0.0]

+AR1 P#4.0

+AR2 P#4.0

L #times_1

LOOP _001

第二段：分控柜数据到提升机

OPN DB9

LAR1 P#0.0

LAR2 P#880.0

L 72

_003: T #times_2

L DBD [AR1,P#0.0]

T PQD [AR2,P#0.0]

+AR1 P#4.0

+AR2 P#4.0

L #times_2

LOOP _003

这两段程序都是通过执行72次循环，每1次循环中地址指针向后移4个字节，也就是说主站向子站传递了288字节的数据，子站也向主站传递了288字节的数据。在OB1主程序里调用FC1通信块程序，只要上电后，网络组态内的子站便和分控柜S7-300 PLC实时做数据交互。不论数据如何改变，只要主站和子站都在网络里，都在运行状态，数据便实时交互。

4.3子站通信语句的编写

子站通信块程序与主站的通信块程序类似，只要遵循3.2节中所说的特别要注意的规则，就下面以A1提升机子站为例，子站的通信程序块FC1如下：

第一段：分控柜数据到提升机

OPN DB5

LAR1 P#256.0

LAR2 P#32.0

L 8

_001: T #times_1

L PID [AR1,P#0.0]

T DBD [AR2,P#0.0]

+AR1 P#4.0

+AR2 P#4.0

L #times_1

LOOP _001

第二段：提升机数据到分控柜

OPN DB5

LAR1 P#256.0

LAR2 P#0.0

L 8

_002: T #times_2

L DBD [AR2,P#0.0]

T PQD [AR1,P#0.0]

+AR1 P#4.0

+AR2 P#4.0

L #times_2

LOOP _002

这两段程序主站和子站之间互相传递了32字节的数据，上电后便不断跟主站做着交互，这样A分控柜主站与A1提升机子站之间的双边通信都已经完成。按照相同编程的思路，把其他子站统统写好通信块，这样PROFINET IO I-Device Connection的架构已经完成。接下来，就可以写每台设备各自的程序了。

5　结束语

S7 Connection与PROFINET IO I-Device Connection的混合连接虽然要求通信的双方都要进行组态和编程，但是它的组态和编程都极其方便，而且当出现其中一个子站或多个子站掉站的情况，也不会对其他子站与主站的通信有影响。因此，系统具有稳定的状态和可靠的网络成了它最大的优点。对于工控编程者来说，在实际应用中，遇到有多个子站而且既要可以远程集中控制又可以本地控制的时候，就可以采用PROFINET IO I-Device Connection方法来组态和编程。如果需要多个远程点控制，那就可以使用本文所说的S7 Connection与PROFINET IO I-Device Connection混合连接的方法。

[1] 西门子公司. SIEMENS. S7 - 400可编程序控制器产品目录[Z].2003.

[2] 西门子公司. SIEMENS. S7 - 300可编程序控制器产品目录[Z].2003.

[3] 西门子公司. SIMATIC自动化系统 S7 - 300入门指南[Z]. 2006.

张弛（1987-），现任浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂卷包车间电气保养工。曾作为主要参与人开发的项目《基于PROFINET协议条烟输送线故障统计分析系统的设计》获得2014年全国设备管理一等奖。主要研究方向为西门子PLC自动控制、自动化生产线系统的开发和优化。

Application of Siemens PLC's I-Device Connection and S7 Connection in the Conveying Line of Cigarette Box and Carton

本文详细介绍了基于工业以太网的西门子PLC中PROFINET IO IDevice Connection与S7 Connection混合连接的组态与编程方法，并成功应用于杭州卷烟厂条烟与烟箱输送线，实现了既能在子站独立控制，又能在主站集中控制管理的模式，较好地适用于车间生产流水线。该系统具有实时交互能力强，投入管理时间少，系统可靠性高的特点，在其中某一个子站或多个子站掉站的情况下，系统还能保证其他节点正常运行。

PLC；PROFINET IO I-Device Connection；S7 Connection；

This paper provides a detailed introduction for the configuration and programming method for the hybrid junction between Siemens PCL's PROFINET IO I-Device Connection and S7 Connection based on Industrial Ethernet. This system, which has been successfully applied to the conveying line of cigarette box and carton in HangZhou cigarette factory, is able not only to realize independent control in substation but also to adopt the centralized control management mode in master station. Thus, it can be effectively utilized for the production line in workshop. Characterized by strong real-time interactivity, little management time, and high reliability, this system can still ensure the normal operation of other nodes despite the failures of one or more substations..

PLC; PROFINET IO I-Device Connection; S7 Connection;