S7-300 多站通信及異常現(xiàn)象分析排除

伍思洪

（廣州市機電技師學(xué)院，廣東廣州，510435）

0 引言

PLC 間的數(shù)據(jù)交換根據(jù)具體的PLC 品牌、型號不同、通信接口而不同，以西門子S7-300 為例主要有：MPI、PROFIBUS、PROFIBUS DP 和PROFINET(以太網(wǎng)通信)。通過S7 連接的配置實現(xiàn)PLC 與PLC 站間的連接實現(xiàn)站間PLC 數(shù)據(jù)交換。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，中國制造2025 的戰(zhàn)略目標(biāo)推進(jìn)加之國內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)趨向迎合歐美工業(yè)控制4.0，當(dāng)前技術(shù)環(huán)境下，5G 技術(shù)萬物互聯(lián)已經(jīng)成為可能，因此掌握通信控制技術(shù)并靈活運用對行業(yè)前景意義重大。

MPI 是西門子開發(fā)的用于PLC 之間的保密協(xié)議，是對通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大時采用的一種簡單經(jīng)濟的通信方式。但是響應(yīng)卡頓，因而在對時間、速度有要求的控制場合應(yīng)用受限。PROFIBUS DP 兩個S7-300PLC 之間的現(xiàn)場總線通信PROFIBUS 為專用協(xié)議，不易實現(xiàn)第三方設(shè)備互聯(lián)。PROFINET(以太網(wǎng)通信)是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代自動化總線標(biāo)準(zhǔn)。較容易通過GSD 文件和第三方設(shè)備連接和實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)交換。掌握PROFINET(以太網(wǎng)通信)技術(shù)和技術(shù)應(yīng)用，對項目設(shè)計研發(fā)、升級改造的市場競爭空間有重大意義。此外，通信特點對比掌握PROFINET(以太網(wǎng)通信)控制技術(shù)能在賽場取得時間優(yōu)勢。

1 西門子Step7 V5.6 基于S7-300 多站PLC 間通信PROFINET(以太網(wǎng)通信)方案

S7-300 系列PLC 型號較多品種齊全，可根據(jù)實際情況選配，本方案選用CPU314 來實現(xiàn)。系統(tǒng)主要配置包括Step7 V5.6 軟件包、編程電腦預(yù)裝windows 10 64 位系統(tǒng)操作系統(tǒng)。如電腦配置要求建議雙8G 運行內(nèi)存條、128G 以上硬盤（建議SSD 固態(tài)硬盤）、2 臺西門子CPU314PLC、4 至8 路交換機1 臺、網(wǎng)線若干、24V 工控電源2 至3 臺。多臺西門子CPU314PLC 使用程序塊方案實現(xiàn)多站通信。系統(tǒng)配置連接如圖1～圖7。

(1)新建兩個PLC，分別完成組態(tài)（使用以太網(wǎng)通信）如圖1；

圖1

(2)打開組態(tài)頁面，找到站1，點擊CPU，在下方插入新連接，如圖2；

圖2

(3)連接伙伴，找到伙伴PLC，選擇連接類型：S7 連接，點擊確定，如圖3；

圖3

(4)填寫伙伴ID 完成后如圖4；

圖4

(5)插入完成在PLC 下方會出現(xiàn)一條新連接，本地ID 指的是剛才添加的伙伴ID，完成并編譯后如圖5，并下載到PLC（兩個PLC 都要下載）；

圖5

(6)站1PLC 添加SFB14（讀）和SFB15（寫）通信塊，如圖6，塊中的ID 是剛才設(shè)置的ID 地址，ADDR 是伙伴的存儲區(qū)，SD 和RD 是自己的存儲區(qū)，REQ 是驅(qū)動執(zhí)行程序塊（執(zhí)行一次讀寫一次），然后下載程序并仿真運行；

圖6

(7)分別打開PLC1、PLC2 的變量表監(jiān)控通信實現(xiàn)正確與否，如圖7 所示，PLC1 的MW10 修改數(shù)值填12 觀察PLC2的MW20 狀態(tài)值如是12。PLC2 的MW24 修改數(shù)值填22 觀察PLC1 的MW14 狀態(tài)值如也是22 則組態(tài)設(shè)置成功（變量表1 是PLC1，變量表2 是PLC2）。

圖7

該方案可靈活運用在單人或多人團(tuán)隊合作中完成控制編程編寫，若站間交換信息量少、站內(nèi)控制功能復(fù)雜可以各站獨立編程，編程思路相互約束不大，對控制響應(yīng)、速度有較高要求的場合能滿足要求且程序編寫調(diào)試各工作站可獨立進(jìn)行，反之可取用主工作站編程，各從工作站不編程或少編程的方案，但設(shè)備投入大，每站都配價格昂貴的PLC 單元，不利于市場競爭。

2 Step7 V5.6 基于S7-300 遠(yuǎn)程IO ET200M 通信PROFINET(以太網(wǎng)通信)方案

系統(tǒng)主要配置包括Step7 V5.6 軟件包、編程電腦預(yù)裝windows 10 64 位系統(tǒng)操作系統(tǒng)，電腦配置要求建議雙8G 運行內(nèi)存條、128G 以上硬盤（建議SSD 固態(tài)硬盤）、1 臺西門子CPU314PLC、1 至2 臺西門子遠(yuǎn)程IO ET200M 通信模塊，1至2 臺西門子IO 信號模塊、4 至8 路交 機1 個、網(wǎng)線若干、24V 工控電源2 至3 臺，西門子CPU314PLC 與ET200M（分布式IO）方案實現(xiàn)多站通信。系統(tǒng)配置連接如圖8～圖11。

(1) 新建PLC，完成組態(tài)（使用以太網(wǎng)通信）點擊Ethernet 并找到所需要的ET200M 注意產(chǎn)品型號要和實物一致如圖8；

圖8

(2)插入ET200M，并插入所需要的IO 模塊或其他模塊，在模塊中組態(tài)的IO 地址，在PLC 編程時可以直接使用如圖9；

圖9

(3)點擊ET200M，分配設(shè)備名稱如圖10 更新可用設(shè)備并分配名稱如圖11 最后編譯，保存并下載到PLC。

圖10

圖11

程序設(shè)計、編寫和一個PLC 編程思路就和單臺PLC 編程方法一樣，本方案優(yōu)點組態(tài)容易，添加擴展模塊方便，響應(yīng)速度快、價格低于PLC，按控制功能需要靈活選配如模擬量信號模塊、高速計數(shù)模塊、高速脈沖模塊、溫度控制模塊等，較多站PLC 間通信方案節(jié)約PLC 臺數(shù)的投入，有利于市場競爭；但不利于多人程序設(shè)計、編寫、調(diào)試程序。

3 S7-300S7-300 加遠(yuǎn)程IO ET200M 時出現(xiàn)的問題分析及排除

競賽沖刺訓(xùn)練中，由于技術(shù)文件和競賽平臺的配置要求，要使用S7-300 加遠(yuǎn)程IO ET200M 作為比賽設(shè)備的控制系 統(tǒng)，ET200M 組 態(tài)DI16/DO16xDC24V（6ES7 323-1BL00-0AA0）控制電機正反轉(zhuǎn)。平時考慮到控制方案的靈活性，選手在訓(xùn)練過程中一直取用S7-300 多站PLC 間通信方案進(jìn)行訓(xùn)練。現(xiàn)競賽技術(shù)文件規(guī)定控制系統(tǒng)的配置S7-300 加遠(yuǎn)程IO ET200M，兩方案對較之前訓(xùn)練配置，僅更改系統(tǒng)硬件配置、軟件方面的組態(tài)后選手應(yīng)能熟練掌握，不應(yīng)存在技術(shù)問題，但在系統(tǒng)調(diào)試時遠(yuǎn)程IO ET200M 控制電機正反啟動時，偶爾會出現(xiàn)類似ET200M 內(nèi)部短路導(dǎo)致電源保護(hù)動作的故障現(xiàn)象，故障出現(xiàn)后需重啟系統(tǒng)才能正常運行。當(dāng)運行到控制電機正反啟動工步時，還是疑似模塊內(nèi)部短路的現(xiàn)象偶爾發(fā)生。系統(tǒng)在原基礎(chǔ)上只將PLC 更換為ET200M 便出現(xiàn)故障現(xiàn)象，只能懷疑ET200M 性能不佳，更換多個ET200 依然無法解決支行問題。故障是偶發(fā)是否控制程序設(shè)計不合理？電機正反控制PLC 程序基本是按樣板程序編寫且一直以來是正常運行，經(jīng)查核程序結(jié)構(gòu)無問題。此問題是否出在電源上？多站PLC 間通信方案運行一直良好，無發(fā)生過類似故障現(xiàn)象，經(jīng)查核電源配置無問題。是否電源共地問題或接地系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不符問題？由于故障為偶發(fā)的，此假設(shè)可能性較大，但經(jīng)反復(fù)核查并和單位供電部門技術(shù)人員對接地系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)，相關(guān)接地標(biāo)準(zhǔn)在正常值范圍內(nèi)，故障依然。

圖12

比賽日期將近，專家和資深技術(shù)人員，教練團(tuán)隊一籌莫展，若無法解決故障問題則賽前準(zhǔn)備前功盡廢。問題未找到基本原因，參賽無意義。靜能致遠(yuǎn)，此時此刻要耐心運用專業(yè)知識、實踐經(jīng)驗分析問題，細(xì)分析故障前因，筆者分析發(fā)現(xiàn)主要是程序運行到控制電動機正反轉(zhuǎn)時故障才出現(xiàn)。電動機是直流小型永磁電動機，其正反轉(zhuǎn)切換是通過繼電器改變電源正負(fù)極實現(xiàn)的，可能直流電動機運行中停止時產(chǎn)生反壓或電磁脈沖干擾導(dǎo)致故障。考慮到西門子的設(shè)備對電源要求比較高，極有可能是這個原因造成故障的，因為反壓瞬時值是數(shù)倍電源電壓值的。為解決問題，如何減小直流電動機停止瞬間產(chǎn)生的反壓和電磁脈沖。筆者在大學(xué)時期學(xué)習(xí)電子技術(shù)應(yīng)用，對電子無器件有一定了解。直流電源系統(tǒng)可以在電動機電源接線端并一只無極性電容，就能有效吸收直流電動起停瞬間產(chǎn)生的反壓和電磁脈沖。電子元器件現(xiàn)場只有電解電容沒有無極性電容，且容量品種比較多這為方案實現(xiàn)提供了便利，不用復(fù)雜的參數(shù)選用計算電容的容易選擇，直接使用試驗法進(jìn)行測試確定電容的容量。電動機運行電壓為24V，選擇額定電壓50V 容量為1μ 的電容器先正反串接，再并接在電動機電源接線端如圖圈內(nèi)所示，確認(rèn)無誤后試運行，故意現(xiàn)象未出現(xiàn)，就本工步反復(fù)運行停止，故障依然未出現(xiàn)。去除并接的電容，再試運行本工步，故障又偶爾出現(xiàn)，確認(rèn)故障原因假設(shè)正確，并上小電容后問題解決。

解決故障問題后訓(xùn)練按計劃進(jìn)行，并如期參加第45 屆世界技能競賽機電一體化項目國家集訓(xùn)6 選3 階段選拔賽，所指導(dǎo)的選手成功晉級并以第三名身份進(jìn)入3 選1 階段國家集訓(xùn)。最終所帶的本校選手成為45 屆世界技能競賽機電一體化項目備選選手，成功取得第46 屆世界技能競賽機電一體化項目國家集訓(xùn)資格，為備戰(zhàn)上海第46 屆世界技能競賽打下良好的基礎(chǔ)。超額完成本屆參賽進(jìn)入國家集訓(xùn)的參賽目標(biāo)教學(xué)工作任務(wù)。