西門子S7-300/400在酸再生自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用

摘 要: 西門子是提供PLC和DCS自動化技術(shù)的先鋒。現(xiàn)代的工業(yè)自動化要不斷地面對現(xiàn)場總線、智能現(xiàn)場設(shè)備挑戰(zhàn)，本文作者重組現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，快捷掌握S7-400 station信息傳輸和數(shù)據(jù)交換技術(shù)，希望能與現(xiàn)場技術(shù)支持的工程師經(jīng)驗(yàn)公享。

關(guān)鍵詞: MPI網(wǎng)絡(luò) PROFIBUS網(wǎng)絡(luò) 西門子S7-300/400

S7-300/400 PLC的程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用者很難全面掌握S7-300/400的功能，實(shí)際應(yīng)用過程較難。以下是我們在做ARP(酸再生)自動生產(chǎn)線時(shí)現(xiàn)場調(diào)試過程中的部分經(jīng)驗(yàn)。

1.SIMATIC NET工業(yè)通信網(wǎng)[1-4]

SIMATIC NET 是西門子的工業(yè)通信網(wǎng)解決方案的統(tǒng)稱。

1.1 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一般而言，企業(yè)的通信網(wǎng)絡(luò)可劃分為三級:企業(yè)級、車間級和現(xiàn)場級。

1.1.1企業(yè)級通信網(wǎng)絡(luò)。

企業(yè)級通信網(wǎng)絡(luò)用于企業(yè)的上層管理，為企業(yè)提供生產(chǎn)、經(jīng)營、數(shù)據(jù)管理等數(shù)據(jù)，通過信息化的方式優(yōu)化企業(yè)資源，提高企業(yè)的管理水平。

1.1.2車間級通信網(wǎng)絡(luò)。

車間級通信網(wǎng)絡(luò)介于企業(yè)級和現(xiàn)場級之間。它的主要任務(wù)是解決車間內(nèi)各需要協(xié)調(diào)工作的不同工藝段之間的通信，從通信角度來看，要求通信網(wǎng)絡(luò)能夠高速傳遞信息數(shù)據(jù)和少量控制數(shù)據(jù)，同時(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。對車間級通信網(wǎng)絡(luò)，所使用的主要解決方案是工業(yè)以太網(wǎng)。

1.1.3現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)處于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各個(gè)設(shè)備，包括I/O設(shè)備、傳感器、變送器、變頻與驅(qū)動等裝置，由于連接的設(shè)備變化萬千，因此所使用的通信方式也就相對復(fù)雜。而且，由于現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)直接連接現(xiàn)場的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)上傳的主要是控制信號，因此對網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和確定性要有很高的要求。對現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)，PROFIBUS是主要的解決方案。

1.2 SIMATIC NET的現(xiàn)場級通信技術(shù)說明

在SIMATIC NET解決方案的范疇內(nèi)使用許多通信技術(shù)，在通信、配置/組態(tài)、編程中需要設(shè)計(jì)一些通信的技術(shù)規(guī)范。

1.2.1MPI(Multi-Point Interface，多點(diǎn)接口)協(xié)議。MPI通信用于小范圍、小點(diǎn)數(shù)的現(xiàn)場級通信。MPI是為S7/M7和C7系統(tǒng)提供多點(diǎn)接口，它的設(shè)計(jì)用于編程設(shè)備接口，也可以用來在少數(shù)CPU之間傳遞少量的數(shù)據(jù)(對于S7-300/400 station系列可達(dá)32-126個(gè)節(jié)點(diǎn))。比如CPU-414-2DP(訂貨號6ES7-2XK05-0AB0)模塊上端接口X1(標(biāo)有MPI/DP)，有126個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2.2PROFIBUS協(xié)議。PROFIBUS符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，其技術(shù)協(xié)議包括三個(gè)部分:

1.2.2.1PROFIBUS-DP。主站和從站采用輪詢的通信方式，支持高速的循環(huán)數(shù)據(jù)通信，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動化中的現(xiàn)場級的通信。

1.2.2.2PROFIBUS-PA。電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中本質(zhì)安全要求的防爆場合。

1.2.2.3PROFIBUS-FMS。定義了主站和從站之間的通信模型，主要用于自動化系統(tǒng)車間級的數(shù)據(jù)交換。

1.2.2.4工業(yè)以太網(wǎng)。主要為SIMATIC NET提供了一個(gè)無逢集成到多媒體世界的途徑。

1.2.2.5PtP(Point-to-Point)連接。在SIMATIC中，點(diǎn)對點(diǎn)連接通過串口(DB9的PIN:2、3、5)連接模式實(shí)現(xiàn)。

1.2.2.6AS-Interface。傳感器/執(zhí)行器接口，是用于自動化系統(tǒng)的最底層的通信網(wǎng)絡(luò)。它被專門設(shè)計(jì)成用來連接二進(jìn)制的傳感器和執(zhí)行器，每個(gè)從站的最大數(shù)據(jù)為4bit。

2.SIMATIC NET的現(xiàn)場級全局?jǐn)?shù)據(jù)包通信方式[5]

對于PLC之間或PLC的CPU和其他站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，只需關(guān)心數(shù)據(jù)的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)，全局?jǐn)?shù)據(jù)包的通信方式是在配置PLC硬件的過程中，配置/組態(tài)所要通信的PLC站之間的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)，不需要任何編程處理，這種通信方式只適合S7-300/400PLC之間相互通信。

2.1網(wǎng)絡(luò)配置

采用端接口X1(標(biāo)有MPI/DP)-MPI 電纜。

2.2硬件和軟件要求

2.2.1CPU 3xx-2DP。

2.2.2CPU 4xx-2DP。

2.2.3MPI 電纜。

2.2.4STEP 7 V5.2 SP1。

2.3網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與參數(shù)設(shè)置

2.3.1建立MPI網(wǎng)絡(luò)。在STEP 7中建立一個(gè)新項(xiàng)目，如名為:MPI_GD，在此項(xiàng)目下插入兩個(gè)PLC站，分別為STATION_CPU_4xx_2DP、STATION_CPU_3xx_2DP，并分別插入CPU完成硬件組態(tài)，建立MPI網(wǎng)絡(luò)的站地址和通信速率(波特率)。例如STATION_CPU_4xx_2DP設(shè)置為2號站;STATION_CPU_3xx_2DP設(shè)置為4號站，通信速率為187.5Kbit/s(一般不大于12MHz)。

2.3.2組態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)。選中MPI網(wǎng)絡(luò)，再選擇“Options”-\"Define Global Data\"，進(jìn)入組態(tài)畫面(標(biāo)題欄:GD-MPI(1))。

2.3.3插入所需要通信的CPU。插入所購的硬件對應(yīng)的CPU，雙擊所打開組態(tài)界面中“GD_ID”右側(cè)的CPU欄選擇所需要的CPU。“GD_ID”右側(cè)共有15列，表明最多可供15個(gè)CPU參與通信(我們這里選擇2個(gè):3xx-2DP和CPU 4xx-2DP)。在每個(gè)CPU欄下填上數(shù)據(jù)的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)，例如CPU 4xx-2DP(這里CPU 414-2DP)的發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)，如選擇DB1.DBB0-DB1.DB21，則可以填寫:DB1.DBB0:22(DB1.DBB0=起始地址，22=數(shù)據(jù)長度)，然后在GD-MPI(1)組態(tài)界面的命令菜單“Edit”下拉菜單中選擇“Sender”設(shè)為發(fā)送區(qū)。利用同樣方法將CPU 3xx-2DP(這里CPU 315-2DP)的接收區(qū)設(shè)為:DB1.DBB0:22(DB1.DBB0-DB1.DB21)。發(fā)送和接收區(qū)的地址區(qū)可以為DB、 M 、I、Q區(qū)，S7-300地址區(qū)最大長度為22 Bytes， S7-400的為54 Bytes。發(fā)送區(qū)和接收區(qū)長度必須一致。所以本例通信區(qū)為:DB1.DBB0:22。

2.3.4多CPU通信。多CPU通信，要了解上述組態(tài)界面中的一欄的“GD_ID”參數(shù)，編譯以后(Save and Sompile)，每行通信區(qū)都有GD_ID號，如:GD1.1.1，GD 1.2.1，SR1.1，SR2.1，若通信區(qū)選擇M 區(qū)，GD_ID號為GST，GDS x.x，如:GDS 2.1。

3.S7 PLC 與HMI產(chǎn)品之間MPI/PROF-IBUS 通信[6-7]

S7300/400與HMI產(chǎn)品之間MPI/PROFIBUS 通信不需要STEP 7軟件組態(tài)，也不需要任何程序，只須在HMI組態(tài)軟件上設(shè)置一下相關(guān)的參數(shù)即可。這里HMI以WinCC為例。

3.1PC機(jī)的PLC方MPI/PROFIBUS 通信參數(shù)

PC機(jī)上插好網(wǎng)卡，在PC的“控制面板”中雙擊“Setting the PG/PC Interface”，對應(yīng)硬件準(zhǔn)確設(shè)置“PG/PC”接口。

3.2在WinCC上添加SIMATIC通信協(xié)議

打開WinCC，選擇“Tag Manangement”(變量管理)，右鍵選擇“Add New Driver”，在彈出窗口“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”連接驅(qū)動，將其添加到“Tag Manangement”下。S7協(xié)議組包括在不同網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用的S7協(xié)議，這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括MPI網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)以太網(wǎng)。

3.3選擇WinCC通信卡

選擇MPI通信協(xié)議或PROFIBUS通信協(xié)議并右鍵選擇“System Parameter”，選擇邏輯設(shè)備名(Select Logical device name)，對應(yīng)硬件的總線:MPI/PROFIBUS;對應(yīng)的邏輯設(shè)備名:比如，CP5611(MPI)，CP5613(P-ROFIBUS)。

3.4基于MPI/PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的WinCC通信連接的建立

分別選擇(若MPI和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)都存在)MPI和PROFIBUS通信驅(qū)動并右鍵選擇“New Driver Connection”為次連接命名，入Wincc_MPI_PLC， Wincc_PROFIBUS_PLC對應(yīng)硬件和站號的定義定義Station A-ddress(MPI或PROFIBUS地址)，Seg-ID，Rac-k Number，Slot Number(CPU的槽號)。

3.5通信診斷

在“Setting the PG/PC Interface”中，MPI網(wǎng)絡(luò)，一般不具有通訊診斷功能;PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)有。

我們還可以在激活WinCC時(shí)啟動PC機(jī)左下角菜單“開始” 按“SIMATIC”-WinCC-“Tools”-\"Channel Diagonis\"啟動WinCC通信通道監(jiān)測。

4.利用現(xiàn)有相關(guān)的STEP 7例程縮短軟件開發(fā)周期[8-9]

許多工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件的開發(fā)，要求開發(fā)者熟悉控制工藝，有些時(shí)候，開發(fā)者接觸現(xiàn)場機(jī)會少，或?qū)に嚥荒芎芸斐酝福@種情況下，我們可以借助現(xiàn)有相關(guān)例程做程序的移植和升級。

4.1利用STEP 7的硬件組態(tài)的“Monitor/Modify”進(jìn)行強(qiáng)制(Force)電氣打點(diǎn)

對應(yīng)硬件母板(RACK 0/RACK1)數(shù)字I/O和模擬I/O對應(yīng)的模塊，右鍵選擇Monitor/Modify完成硬件電氣連接的強(qiáng)制測試-電氣打點(diǎn)。

4.2確定新舊程序的地址映象(Image)

根據(jù)上步的硬件電氣連接的強(qiáng)制測試結(jié)果和工藝要求完成符號表(Symbol Table)的移植和升級:數(shù)字I/O的絕對地址按強(qiáng)制測試出的地址修改，至于DB，F(xiàn)C，F(xiàn)B，OB的塊或中間變量M可以采用全盤繼承并根據(jù)工藝差別做局部的修改或增/刪。模擬I/O可以不按強(qiáng)制測試出的默認(rèn)地址，在其精度允許范圍內(nèi)采用原址繼承。

4.3以“NetWork”為單位——對應(yīng)拷貝

這種操作，映象與被映象方都最好以梯形圖方式打開，并在此窗口中的“View”菜單下拉菜單中選擇“Display with”-“Symbol Address”，這時(shí)在選中所要Copy的“NetWork”粘貼到新建的對應(yīng)模塊的梯形圖窗口的對應(yīng)“NetWork”中，自然根據(jù)符號表(Symbol Table)中的新地址得到動態(tài)更新。

4.4模擬I/O對應(yīng)的模塊的絕對地址的快速再分配

在符號表(Symbol Table)，首先按照硬件模塊所提供的精度范圍采用原址繼承，然后在對應(yīng)的硬件組態(tài)中，右鍵選擇“Object Properties”將原類型為PIW和PQW地址重新定義為IW和QW的映射地址類型。

5.結(jié)語

在PLC與DCS工業(yè)技術(shù)應(yīng)用中，一個(gè)新的東西，如能夠快速找到切入點(diǎn)，采用現(xiàn)有例程移植與升級，可大大縮短工控業(yè)自動化生產(chǎn)線的PLC應(yīng)用軟件的開發(fā)周期。

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