基于EM277與PROFIBUS—DP通信教學設計的優化實踐

鄭長山

摘 要： 針對學生對通過EM277模塊進行的S7-300與S7-200PLC的PROFIBUS-DP通信難以理解，學習興趣不濃厚等問題，作者提出了一種優化教學的設計方案。該方案分析了教學情況，采用了相應的教學策略，詳細介紹了教學設計的過程。結論表明，本教學設計通過各種教學方法，系統化了之前學習的知識，WinCC監控的引入豐富了視覺感受，使學生產生了學習興趣，增強了學習效果。

關鍵詞： PROFIBUS-DP 教學設計 教學方法

目前，PROFIBUS的應用十分廣泛。基于EM277的S7-200與S7-300間的PROFIBUS通信除可實現全集成自動化控制以外，還可以廉價地實現分布式I/O。S7-200作為分布式I/O實現現場信號的采集與控制，S7-300則實現中央集中控制功能，該方案與傳統I/O控制方式相比，避免了繁瑣的I/O接線問題，提高了系統的可靠性[1]。

現場總線技術、工業網絡通信技術等課程一般都要講述EM277的S7-200與S7-300間的PROFIBUS-DP通信，該通信學生理解困難，學習興趣不濃厚，效果不理想。對老師來說，教學實施困難，教學效果不是很滿意。為此，我進行了教學設計的優化實踐。

1.對教學情況分析

高職學生特點：學習積極性不高；興趣不濃；自主學習能力弱；好奇心強，樂于動手與實踐。

教學目標：了解通信的硬件與軟件配置；掌握通信硬件連接（重點）；掌握系統硬件組態；掌握網絡參數及通信區設置（重難點）；掌握網絡編程方法（重難點）；掌握變量表調試（重點）、熟悉WinCC畫面及PLC指示燈調試（重點）；掌握聯機調試方法（重點）。最終培養學生解決問題的能力及良好的職業綜合能力。

2.采用的教學策略

根據以上教學情況分析，教學策略要體現“做中教，做中學”的特色，具體教學策略如下：

2.1采用項目教學法，采用工程項目解決步驟，培養工程思維。運用詳細步驟法，降低難度。采用該策略解決重難點、培養解決問題能力及職業綜合能力。

2.2在從站S7-200PLC側，控制對象為星-三角降壓啟動控制的電機。主站S7-300PLC側引入WinCC監控，可監控從站。上述做法系統化了知識體系，將學生之前學習的電氣控制、S7-200PLC、S7-300PLC、WinCC組態等課程聯系起來，既是復習又是系統化的提升還使各門課程得到具體應用。以上內容通過觀測電機及畫面，達到強烈的視覺效果，使學生產生學習興趣。

2.3采用小組學習法，小組排名以激發集體榮譽感，解決學習積極性不高的問題。

2.4播放工程應用視頻，調動學生的學習積極性。

3.教學過程設計（6課時）

3.1課前準備。

課前通過微信或QQ發送給學生精品課程網站網址及其他相關知識學習的網址，讓學生課前學習。另外，通過教材預習PROFIBUS-DP通信，使學生有目的地學習。

3.2播放工程通信視頻，激發學生的學習熱情。

通過網上下載PROFIBUS-DP通信工程應用視頻短片，播放給學生觀看的同時并講解，使學生了解工程實例，了解所學的知識是有廣泛的應用，激發學生的學習熱情。

3.3創建本課程PROFIBUS-DP通信項目應用情境。

為給學生直觀感性的認識，提高學習興趣，創設項目實例應用情境，首先教師邊講邊演示課前教師已經完成的PROFIBUS-DP通信項目。該項目通過EM277模塊組建1臺S7-300PLC與1臺S7-200PLC的PROFIBUS-DP通信，其中S7-300PLC為主站，DP地址為2，S7-200PLC為從站，DP地址為3。要求：

3.3.1在主站通過WinCC畫面監控從站電機狀態，按下畫面中啟動按鈕圖形，可以啟動從站電機，按下畫面中停止按鈕圖形，可以停止從站電機。并且在主站WinCC畫面中，監測到從站電機的運行狀態。

3.3.2從站電機要求星-三角降壓啟動PLC控制，并且從站可以啟動或停止從站電機。

星-三角PLC控制之前已經學過，因此這些硬件連接部分已經完成，但是要完成軟件PLC編程。另外，還要完成PROFIBUS-DP通信。

將學生分成兩人一個學習小組，然后請小組模仿體驗操作過程及觀測效果，調動學生的學習積極性。教師告訴學生，他們通過六節課的學習，可以完成該實驗的通信硬件連接及軟件編程，也能看到同樣的效果。短時間里就能體會到成功的喜悅，這種做法是給學生下達項目任務。

3.4項目實施過程

步驟1：硬件與軟件配置。

學生課前預習后，教師在課堂上抽查小組預習情況，由組員代表回答硬件、軟件配置，根據回答情況記錄成績。為了實現S7-300與S7-200PLC的PROFIBUS-DP通信，必須以下配置：

硬件：一臺西門子CPU315-2PN/DP、一個電源模塊PS3075A、一臺S7-200PLC、一個EM277模塊、一根PROFIBUS通信電纜、兩個DP頭，用于S7-300PLC的以太網下載線，用于S7-200PLC的USB/PPI編程電纜下載線。安裝有STEP7-Micro/WINV4.0SP6編程軟件的電腦、安裝有STEP7編程軟件的電腦。通信硬件連接如圖1所示，DP頭在終端，所以DP頭開關撥向OFF。

圖1 通信硬件連接

軟件：用于S7-300PLC的STEP7編程軟件，用于S7-200PLC的STEP7-Micro/WINV4.0SP6以上編程軟件，WinCC組態軟件。

步驟2：系統硬件組態。

關于系統硬件組態，較簡單，教師應引導學生完成操作，具體內容如下。

本系統選用帶有DP口和以太網口的西門子CPU315-2PN/DP作為主站的控制器。雙擊SIMATIC300，插入導軌，1號槽位插入電源模塊PS3075A，2號槽位插入CPU模塊CPU315-2PN/DP。

步驟3：網絡參數設置。

此步驟根據小組完成的時間進行打分。

網絡參數設置是重難點，教師邊操作，邊講解，告訴學生注意理解選定地址、通信速率含義，會GSD文件的安裝過程。學生邊學習邊操作，更重要的是理解。如果有疑問，小組內部解決，如不能解決，老師個別輔導，具體內容如下。

在HWConfig中，雙擊CPU模板的MPI/DP行，接口類型選擇PROFIBUS，DP地址選擇為2。網絡設置中傳輸率設置12Mbps，配置文件為DP。

要與S7-200PLC進行DP通信，本系統把S7-200PLC的DP地址設置為3，在硬件EM277模塊上，用螺絲刀將撥碼開關箭頭指向3的位置，必須對PLC斷電重啟，才可以使設定的地址有效。

關于軟件，安裝EM277的GSD文件，EM277作為PROFIBUS-DP從站模塊，其有關參數是以GSD文件的形式保存的。在對EM277組態之前，需要安裝它的GSD文件。GSD文件是siem089d.gsd。在HWConfig界面上，單擊選項按鈕，再單擊安裝GSD文件，直到安裝結束。

在HWConfig界面右側，找到AdditionalFieldDevices，將EM277PROFIBUS-DP，拖到PROFIBUS（3）：DP主站系統線上，如圖2所示。

圖2 EM277PROFIBUS-DP拖到PROFIBUS主站系統

在屬性-PROFIBUS接口EM277PROFIBUS-DP界面上，設置從站DP地址為3。網絡設置傳輸率12Mbps，配置文件：DP。

步驟4：通信區設置。

此步驟根據小組完成的時間進行打分。

通信區設置是重難點，教師可用打比方的方法講清楚發送和接收的含義。教師邊操作邊講解，學生邊學習邊實踐，如果有疑問，小組內部解決，如不能解決，則老師個別輔導。操作及講解內容如下：

根據需要選擇傳送的數據字節數，選擇8輸出/8輸入，單擊EM277，單擊右邊8BytesOut/8BytesIn，STEP7自動分配主站的I地址和Q地址。即主站接收區是IB0～IB7，發送區是QB0～QB7。

雙擊網絡線下的EM277，打開屬性-DP從站對話框，單擊分配參數按鈕，設置I/OOffsetintheV-memory為100，如圖3所示。即在V存儲區中的I/O偏移量為100，含義是S7-200PLC中的VB100～VB107是接收區。接收的是S7300PLC中的QB0～QB7發送區發送的數據；S7-200PLC中的VB108～VB115是發送區，發送到S7300PLC的接收區IB0～IB7。然后保存并編譯，組態結束后，將整個組態信息下載到S7-300PLC中，通信區如圖4所示。

圖3 設置I/OOffsetintheV-memory為100

圖4 通信區

步驟5：程序設計。

關于程序設計，建議先編寫簡單通信的程序，調試網絡是否正常。教師邊操作邊講解如下：

主站通過MOVE指令編寫自發送數據程序，編寫自接收程序；從站編寫接收的信息通過MOVE指令送發送出去。通過變量表調試自發自接收數據是否成功，如果不成功，檢查原因，繼續調試，直到成功為止，說明網絡正確。

根據項目任務和圖4通信區編寫主站與從站程序，向學生強調任務要深刻理解。

編寫星-三角降壓啟動PLC控制程序，再編寫WinCC畫面相關程序。引入這部分既是復習，又是將幾門課程系統化的提升，也使各門課程得到具體應用。可以讓學生直接觀測通信效果，直接看到電機運行狀態，WinCC監控更形象生動，使學生產生濃厚的學習興趣。

步驟6：WinCC監控畫面制作及調試。

下面的知識學生學過，教師引導，學生完成。

利用之前學習的WinCC組態課程，根據任務建立變量、制作畫面，建立連接，在斷電情況下確保PLC輸入正確接線，PLC輸出暫時不接，送電，通過WinCC畫面及PLC指示燈調試。

如果滿足項目要求，調試成功，不滿足，檢查原因，修改程序，繼續調試，直到滿足要求為止。

步驟7：聯機調試。

這一步使學生獲得成就感，之前教師已經操作過，所以教師引導學生操作。

必須在斷電的情況下，學生將PLC輸出連到控制對象，確保連線正確，通電進行聯機調試，在主站WinCC畫面上，單擊啟動按鈕圖形，觀看從站電機由低速到高速啟動運行，單擊停止按鈕圖形，觀看到從站電機停止。WinCC畫面指示燈HL能監視從站電機運行狀態。

在從站按下啟動按鈕SB1，觀看從站電機由低速到高速啟動運行，在從站按下停止按鈕SB2，觀看到從站電機停止。

如果滿足上述要求，聯機調試成功，不滿足，檢查原因，繼續聯機調試，直到滿足要求為止。

步驟8：教師點評與評定成績。

根據教師檢查、項目完成情況、合作情況、過程記錄情況進行點評，自制評分表格，教師給出小組最終成績，每個小組排名。每位學生為了本組集體榮譽，為此更積極努力，增強學習效果。

步驟9：項目拓展。

將本項目學到的一個主站S7-300與一個從站S7-200的PROFIBUS-DP通信拓展到一個主站與兩個從站PROFIBUS-DP通信，再拓展到一個主站與三個從站PROFIBUS-DP通信。

本教學設計采用項目教學法、小組學習法、步驟法、案例教學法等，通過觀看視頻、系統化各門課程、增強視覺效果等多種方法，在項目實施過程中突出“做中教，做中學”的教學方法，使學生在操作中提高能力，體驗解決問題、克服困難及獲得成功的樂趣，達到滿意的學習效果。

參考文獻：

[1]邵奇峰.基于SIEMENSEM277的PROFIBUS通訊.中原工學院學報，2008，19（3）.

[2]廖常初.跟我動手學S7-300/S7-400PLC.機械工業出版社，2010.9.

[3]彭旭.閆學文.基于PROFIBUS-DP的PLC控制系統.工業控制計算機，2015，28（2）.

[4]許洪華.現場總線與工業以太網技術.電子工業出版社，2007.3.

[5]向曉漢.西門子PLC工業通信完全精通教程.化學工業出版社，2013.2.

基金項目：江蘇省高等職業院校高級訪問工程師計劃資助項目（2014FG113）