教学材料《PLC安装调试》-模块五

下一页返回任务引入两台S7-200PLC（CPU226和CPU224）与上位机通过RS-485通信组成一个使用PPI协议的单主站通信网络。两台S7-200PLC站的地址分别设置为CPU224是2号，CPU226是3号，2号为主站，3号为从站，上位机（计算机）地址是0号。要求用从机的IB0控制主机的QB0；用主机的IB0控制从机的QB0。任务分析两台S7-200PLC要进行通信，要做好两件事：一个是物理连接，另一个是通信协议。物理连接一般用网络连接器，通信协议主要是设置好通信参数，S7-200在这里是用PPI通信协议（点对点接口），要学习网络读/网络写指令。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回知识链接一、通信基本知识数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。这里的机器可以是计算机、PLC或具有数据通信功能的其他数字设备。数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理三项任务。数据通信系统一般由传送设备、传送控制设备和传送协议及通信软件等组成。1.基本概念（1）并行传输与串行传输若按照传输数据的时空顺序分类，数据通信的传输方式可以分为并行传输和串行传输两种。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回并行传输是指通信中同时传送构成一个字或字节的多位二进制数据。而串行传输是指通信中构成一个字或字节的多位二进制数据是一位一位地被传送的。（2）异步传输和同步传输在异步传输中，信息以字符为单位进行传输。异步传输的优点就是收、发双方不需要严格的位同步。所谓“异步”是指字符与字符之间的异步，字符内部为同步。在同步传输中，不仅字符内部为同步，字符与字符之间也要保持同步。同步传输的特点是可获得较高的传输速率，但实现起来较复杂。（3）信号的调制和解调串行通信通常传输的是数字量，这种信号包括从低频到高频极其丰富的谐波信号，要求传输线的频率很高。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回而远距离传输时，为降低成本，传输线频带不够宽，使信号严重失真、衰减，常采用的方法是调制解调技术。（4）传输速率传输速率是指单位时间内传输的信息量，它是衡量系统传输性能的主要指标，常用波特率（BaudRate）表示。波特率是指每秒传输二进制数据的位数，单位是bit/s。2.通信协议为了实现两设备之间的通信，通信双方必须对通信的方式和方法进行约定，否则双方无法接收和发送数据。接口的标准可以从两个方面进行理解：一是硬件方面（物理连接），也就是规定了硬件接线的数目、信号电平的表示及通信接头的形状等；二是软件方面（协议），也就是双方如何理解收或发数据的含义，如何要求对方传出数据等，一般把它称为通信协议。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回图5-1是物理连接与通信协议图。3.串行通信接口标准串行通信的接口与连线电缆是直观可见的，它们的相互兼容是通信得以保证的第一要求，因此串行通信的实现方法发展迅速，形式繁多，这里主要介绍RS-232C串行接口标准和RS-485接口标准。RS-232C的标准接插件是25针的D型连接器，但实际应用中并未将25个引脚全部用满，最简单的通信只需3根引线，最多的也不过用到22根。RS-232C采用负逻辑，其不足主要表现在以下几点。①传输速率不够快。②传输距离不够远。③电气性能不佳。S7-200系列PLC自带通信端口为西门子规定的PPI通信协议，而硬件接口为RS-485通信接口。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回RS-485只有一对平衡差分信号线用于发送和接收数据，使用RS-485通信接口和连接线路可以组成串行通信网络，实现分布式控制系统。网络中最多可以由32个子站（PLC）组成。为提高网络的抗干扰能力，在网络的两端要并联两个电阻，阻值一般为120Ω。RS-485的通信距离可以达到1200m。在RS-485通信网络中，每个设备都有一个编号用以区分，这个编号称为地址。地址必须是唯一，否则会引起通信混乱。图5-2所示为RS-485组网接线示意图。4.通信方式①单工通信方式。单工通信是指信息的传送始终保持同一个方向，而不能进行反向传送，如图5-3（a）所示。其中A端只能作为发送端，B端只能作为接收端。②半双工通信方式。半双工通信是指信息流可以在两个方向上传送，但同一时刻只限于一个方向传送，如图5-3（b）所示。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回③全双工通信方式。全双工通信能在两个方向上同时发送和接收，如图5-3（c）所示。5.通信参数对于串行通信方式，在通信时双方必须约定好线路上通信数据的格式，否则接收方无法接收数据。同时，为提高传输数据的准确性，还应该设定检验位，当传输的数据出错时，其可以指示出错误。通信格式设置的主要参数有以下几个。波特率：由于是以位为单位进行传输数据，所以必须规定每位传输的时间，一般用每秒传输多少位来表示。常用的有1200kbit/s、2400kbit/s、4800kbit/s、9600kbit/s、19200kbit/s。起始位个数：开始传输数据的位，称为起始位，在通信之前双方必须确定起始位的个数，以便协调一致。起始位数一般为1。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回数据位数：一次传输数据的位数。当每次传输数据时，为提高数据传输的效率，一次不仅仅传输1位，而是传输多位，一般为8位，正好1个字节（1B）。常见的还有7位，用于传输ASCII码。检验位：为了提高传输的可靠性，一般要设定检验位，以指示在传输过程中是否出错，一般单独占用1位。常用的检验方式有偶检验和奇检验。当然也可以不用检验位。偶检验规定传输的数据和检验位中“1”（二进制）的个数必须是偶数，当个数不是偶数时，则说明数据传输出错。奇检验规定传输的数据和检验位中“1”（二进制）的个数必须是奇数，当个数不是奇数时，则说明数据传输出错。停止位：当一次数据位传输完毕后，必须发出传输完成的信号，即停止位。停止位一般有1位、1.5位和2位的形式。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回站号：在通信网络中，为了标示不同的站，必须给每个站一个唯一的表示符，称为站号。站号也可以称为地址。同一个网络中所有站的站号不能相同，否则会出现通信混乱的现象。二、S7-200PLC的通信1.网络部件（1）通信口西门子公司PLC的CPU模块上的通信口是与RS-485兼容的9针D型连接器，外形如图5-4所示。将S7-200接入网络时，该端口一般是作为端口1出现的，作为端口1时端口各个引脚的名称及其表示的意义如表5-1所列。（2）网络连接器利用西门子公司提供的两种网络连接器可以把多个设备很容易地连到网络中。两种连接器都有两组螺钉端子，可以连接网络的输入和输出。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回一种连接器仅提供连接到CPU的接口，而另一种连接器增加了一个编程器接口。两种网络连接器还有网络偏置和终端偏置的选择开关，接在网络端部的连接器上的开关放在ON位置时，有偏置电阻和终端电阻，在OFF位置时末接偏置电阻和终端电阻，如图5-5所示。图中A、B线之间是终端电阻220Ω，终端电阻可以吸收网络上的反射波，有效增强了信号的强度。偏置电阻是390Ω，用于在电气情况复杂时确保A、B信号的相对关系，保证了0、1信号的可靠性。（3）通信电缆通信电缆主要有网络电缆与PC/PPI电缆。PROFIBUS网络电缆的最大长度取决于通信的波特率和电缆的类型。且网络电缆越长传输速度越低。PC/PPI电缆一端的RS-485端口，用来连接PLC主机；另一端是RS-232标准接口，用于连接计算机等设备。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回PC/PPI电缆上的DIP开关用来设置波特率、传送字符数据格式和设备模式。DIP开关设置与波特率的关系如表5-2所列。2.

S7-200PLC的通信方式S7-200的通信功能强大，有多种通信方式可供用户选择。（1）单主站方式一台编程站（主站）通过PPI电缆与S7-200CPU（从站）通信，人机界面（HMI如触摸屏、TD200）也可以作主站，单主站与一个或多个从站相连，如图5-6所示。（2）多主站方式PC机、TD200、HMI是通信网络中的主站，多主站方式如图5-7所示；PC机、HMI可以对任意S7-200CPU从站读写数据，PC机和HMI共享网络。同时，S7-200CPU之间使用网络读写指令相互读写数据。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回3.通信协议S7-200CPU支持以下五种通信协议。（1）PPI协议PPI通信协议（点对点接口）是一种主-从协议，即主站设备发送要求到从站，从站设备响应。PPI通信协议用于S7-200CPU与编程计算机之间的通信、S7-200CPU之间、S7-200CPU与HMI（人机界面）之间的通信。在此模式下可以使用网络读、写指令读写其他设备中的数据。（2）MPI协议进行网络通信的MPI协议（多点接口）允许主/主和主/从两种通信方式。选择何种方式都依赖于设备类型。S7-200CPU只能作MPI从站，S7-300/400为主站，可以用XGET/XPUT指令来读写S7-200的V存贮区。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回（3）PROFIBUS协议PROFIBUS协议通常用于实现与分布式I/O设备的高速通信。有一个主站和若干个I/O从站。S7-200CPU需通过EM277PROFIBUS-DP模块接入PROFIBUS网络。（4）TCP/IP协议S7-200配备了以太网模块CP243-1后，支持TCP/IP以太网协议。（5）用户定义的协议在自由端口模式下，由用户自定义与其他串行通信设备的通信协议。自由端口模式使用接受中断、发送中断、字符中断、发送指令和接收指令，以实现S7-200CPU通信口与其他设备的通信。当处于自由口模式时，通信协议完全由梯形图程序控制。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回三、S7-200PLC网络读/网络写指令网络读/网络写指令用于多个S7-200PLC之间的通信。网络读/网络写指令格式，如图5-8（a）所示。S7-200CPU提供了网络读写指令，用于S7-200CPU之间的通信。网络读写指令只能由在网络中充当主站的PLC执行，从站PLC不必作通信编程，只需准备通信数据。主站可以对PPI网络中的其他任何PLC（包括主站）进行网络读写。1.网络读指令网络读指令（networkread）如图5-8（a）所示，当EN为ON时，执行网络通信命令，初始化通信操作，通过指定端口（PORT）从远程设备上读取数据并存储在数据表（TBL）中。NETR指令最多可以从远程站点上读取16个字节。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回PORT指定通信端口，如果只有一个通信端口，那么此值必须为0。有两个通信端口时，此值可以是0或1，且分别对应两个通信端口。2.网络写指令网络写指令（networkwrite）如图5-8（b）所示，当EN为ON时，执行网络通信命令，初始化通信操作，并通过指定端口（PORT）向远程设备发送数据表（TBL）中的数据。PORT指定通信端口，如果只有一个通信端口，则此值必须为0。有两个通信端口时，此值可以是0或1，且分别对应两个通信端口。说明：①同一个PLC的用户程序中可以有任意条网络读写指令，但同一时刻最多只能有8条网络读指令或写指令激活。②在SIMATICS7的网络中，S7-200PLC被默认为PPI的从站。要执行网络读写指令，必须用程序把PLC设置为PPI主站模式。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回③通过设置SMB30或SMB130低两位，使其取值2#10，将PLC的通信端口0或通信端口1设定工作于PPI主站模式，就可以执行网络读写指令。3.数据传送表（TBL）数据表（TBL）格式S7-200执行网络读写指令时，PPI主站与从站之间的数据以数据表的格式传送。数据传送表的参数定义如表5-3所列。状态字节各位的含义如下所述。D位表示操作完成位。0：未完成；1：已完成。A位表示操作是否有效。0：无效；1：有效。E位表示错误误信息。0：无错误；1：有错误。E1、E2、E3、E4位为错误码，如执行读写指令后E位为1（有错误），则由这4位返回一个错误码。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回任务实施一、网络连接前面任务提到的两台S7-200PLC（CPU226和CPU224）与上位机通过RS-485通信组成一个使用PPI协议的单主站通信网络，图5-9所示为它们的PPI网络，其中计算机为主站（站0），两台S7-200系列PLC与装有编程软件的计算机通过RS-485通信接口和网络连接器组成一个使用PPI协议的单主站通信网络。用双绞线分别将连接器的两个A端子连在一起，两个B端子连在一起。其中一台连接器带有编程接口，连接PC/PPI电缆（若无网络连接器则可使用普通的9针D型连接器来代替）。用PC/PPI电缆分别单独连接各台PLC，在编程软件中通过“系统块”分别将地址设置为2和3，并下载到CPU，完成硬件的连接与设置。工作任务1两台PLC的主从通信上一页下一页返回二、设置数据缓冲区在RUN方式下，CPU224（站2）在应用程序中允许PPI主站模式，可以利用NETR和NETW指令来不断读写CPU226（站3）中的数据。CPU224数据缓冲区设置如表5-4所列。在这一网络通信中，CPU224（站2）是主站，需要设计通信程序CPU226（站3）是从站，而不需要设计通信程序。三、设计梯形图主站对应的梯形图如图5-10所示。网络读指令可以这样理解：IB0（从站）状态→VB107→QB0（主站）网络写指令可以这样理解：IB0（主站）状态→VB117→QB0（从站）工作任务1两台PLC的主从通信上一页返回四、运行调试程序①下载程序，在线监控程序运行。②针对程序运行情况，调试程序符合控制要求。工作任务1两台PLC的主从通信下一页返回任务引入模块生产加工系统（MPS）可以模拟出一条自动化流水线的工作过程，图5-28所示为由六站（上料检测站、搬运站、加工站、安装站、安装搬运站、分类站）拼合在一起的教学用模块化生产系统，每个站通过一台PLC进行控制，由一个主站和五个从站组成，通过现场总线（PROFIBUS-DP）将六个站连成一个控制系统，S7-300作主站，5台S7-200作从站。任务分析在此系统中，S7-300PLC通过PROFIBUS-DP来读写S7-200PLC中的数据，来实现S7-300PLC与S7-200PLC之间的通信，其中S7-300PLC要有两个通信口（一个默认MPI口，另一个默认DP口）。由于S7-200PLC本身不带DP口，所以必须通过外挂DP的模块EM277来转换。工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回知识链接一、S7-200PROFIBUS-DP从站模块EM277简介EM277用来将S7-200CPU连接到PROFIBUS-DP网络，图5-29为其外形图，EM277经过串口I/O总线连接到S7-200CPU，PROFIBUS-DP网络经过其DP通信端口连接到EM277，波特率为9600bit/s～12Mbit/s。作为DP从站，EM277模块接受来自主站的I/O配置，并向主站发送和接收数据。EM277可以读写S7-200CPU中定义的变量存储区中的数据块，使用户能与主站交换各种类型的数据。从主站传来的数据存储在PLC的变量区后，可以传送到其他数据区。与许多DP站不同的是，EM277模块不仅仅是传输I/O数据，还能读写S7-200CPU中定义的变量（V）数据块。这样，就能使用户与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到S7-200CPU中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其他计算值传送到主站。工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回类似地，从主站来的数据存储在S7-200CPU中的变量存储器内，并可移到其他数据区。EM277PROFIBUS-DP模块的DP端口可连接到网络上的一个DP主站上，但仍能作为一个MPI从站与同一网络上如SIMATIC编程器或S7-300/S7-400CPU等其他主站进行通信。1.网络配置图图5-30表示有一个CPU226和一个EM277PROFIBUS-DP模拟的PROFIBUS网络。在这种场合下，CPU315-2DP是主站，并且已通过一个带有STEP7编程软件的SIMATIC编程器进行组态。CPU226是CPU315-2DP所拥有的一个DP从站。工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回2.组态主站系统①STEP7软件是S7-300和S7-400的组态编程环境，打开SIMATICMANAGER界面，单击“文件”菜单中的“新建”命令重新建立一个项目，在“命名”文本框中输入项目名称，模块生产加工系统，在下方的“存储位置（路径）：”文本框中输入其存储位置；单击“确定”按钮完成项目的建立。如图5-31所示。②在项目窗口的左侧选中该项目，右击该项目在弹出的快捷菜单中单击“插入新对象”/“SIMATIC300站点”命令，可以看到选择的对象出现在右侧的屏幕上。如图5-32所示。③单击“SIMATIC300（1）”，在右边工程区将会出现“硬件”项，如图5-33所示。工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回④双击右侧生成的硬件图标，在弹出的HWConfig窗口中进行组态，在右边硬件选顶框中选择菜单“SIMATIC300/RACK-300”，展开后出现“Rail”，即S7-300PLC的机架，双击“Rail”将其添加到硬件中，按订货号和硬件安装次序依次插入电源、CPU、输入模块和输出模块。插入CPU时会同时弹出组态PROFIBUS的画面，如图5-34和图5-35所示。⑤在上图中双击第二槽“CPU315-2DP”，便可对CPU的属性进行设置。如图5-36所示。⑥双击“DP”对“Profibus-DP”的属性进行设置，如图5-37所示。⑦上图中单击“属性”按钮，新建Profibus，设置完成后，DP后面将延伸出一条总线，如图5-38和图5-39所示。工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回3.组态EM277从站①安装EM277模块的GSD文件。EM277模块必须安装GSD文件（SIEM089D.GSD）才能被西门子的PLC识别，打开硬件组态如图5-40所示，单击“选项”菜单下的“安装GSD文件”命令。在弹出的对话框中，选择SIEM089D.GSD文件，并单击“安装”按钮，如图5-41所示。这样，EM277模块的GSD文件就安装成功了。②首先在STEP7软件中打开硬件组态（HW-Config），然后在右侧配置目录下选择PROFIBUS-DP→AdditionalFieldDevices→PLC→SIMATIC→EM277项；弹出PROFIBUS接口属性参数对话框，如图5-42所示，在“地址”文本框中输入3；根据需要设置通信的字节数，选择一种通信数据长度，本例中选择了8字节入/8字节出的方式；从站组态完成，地址分配为IB0～IB7，QB1～QB7。工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回③定义EM277在S7200中的地址（变量数据块V）。首先右击EM277图标→对象属性（如图5-43所示，显示常规参数）→选择“参数赋值”属性页查看工作站点参数。设置I/OOffsetintheV-memory（V存储区中的I/O偏移量）如为100，即用S7-200的VB100～VB115与S7-300的IB0～IB7和QB0～QB7交换数据；如设为0，则可用S7-200的VB0～VBl5S7-300的IB0～IB7和QB0～QB7交换数据。④EM277模块的PROFIBUS的地址。是靠拨码开关设定的。如图5-44所示，EM277拔位开关设置要与EM277从站组态的站地址一致，这里都设为1。⑤S7-200的编程。本例中，S7-200通过VB0～VB15与主站交换数据。VB0～VB7是S7-300写到S7-200的数据，对应于S7-300的QB0～QB7；工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回VB8～VB15是S7-300从S7-200读取的数据，对应于S7-300的IB0～IB7。如表5-7和表5-8所列。如果要把S7-200的MB3的值传送给S7-300的MB10，则可以在S7-200中，用MOVB指令将MB3传送到VB8～VB15中的某个字节，例如VB8，如图5-45所示。通过通信，VB8的值传送给S7-300的IB0，在S7-300中将IB0的值传送给MB10，如图5-46所示。如果要把S7-300的MB20的值传送给S7-200的MB30，则可以在S7-300中，用MOVB指令将MB20传送到QB5，如图5-48所示。通过通信，QB5的值传送给S7-200的VB5，在S7-200中将VB5的值传送给MB30，如图5-47所示。综上所述，通过PROFIBUSDP总线，在主站S7-300上操作QB0～QB7变量，就相当于操作S7-200上的VB0～VB7，通过传送指令把VB值送MB，就可控制S7-200的输出；而S7-200的QB、MB、IB、DB应先送到S7-200的VB，再通过PROFIBUSDP总线送给S7-300的IB。工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回任务实施下面以S7-300作为主站，一个S7-200作为从站，通过现场总线（PROFIBUS-DP）进行数据交换，如图5-49所示。控制要求：将S7-300的输入送S7-200输出，将S7-200的输入送S7-300输出（S7-300的IB0控制S7-200的QB0；S7-200的输入IB0写到S7-300的QB4）。一、通信映射区的设定S7-300与S7-200通信映射区的读写关系如图5-50所示。二、STEP7网络组态①新建一个PROFIBUS-DP网络。②配置网络属性。工作任务2S7-200通信模块的使用上一页下一页返回在这里，PROFIBUS站地址设为1，传输速率是1.5Mbit/s，行规为DP，且DP是主站。③插入EM277从站。选择PROFIBUSDP→AdditionalFieldDevices→PLC→SIMATIC→EM277项，地址是3，如图5-51所示。④设置S7-300和S7-200通信区。如图5-52所示，选中EM277，右击选择“2BytesOut/2BytesIn”，然后双击“2BytesOut/2BytesIn”，便可选择S7-300通信区的起始地址QB6和IB2。配置S7-200通信区，如图5-53所示，双击EM277，在参数赋值I/OOffsetintheV-memory（V存储区中的I/O偏移量）中设为0，工作任务2S7-200通信模块的使用上一页返回使S7-200的VB0～VB3与S7-300的QB6～QB7和IB2～IB3交换数据。在设置的PG/PC接口中，用MPI下载S7-300的硬件组态。用PC/PPI电缆将S7-200参数下载到PLC中。用紫色的PROFIBUS-DP电缆将S7-300和EM277连接起来，接下来就可以编程了。三、编程S7-300程序，如图5-54所示。S7-200程序，如图5-55所示。四、运行并调试程序①下载程序，把编写好的程序分别下载到S7-300和S7-200中，先监控调试；②连接外部按钮，分析程序运行结果，是否达到任务要求。工作任务2S7-200通信模块的使用下一页返回任务导入在锅炉及许多其他的工业设备中，常常需要对水位或其他液位进行控制。采用变频调速系统控制水位可达到节能的效果。顾名思义，所谓水位控制，就是将水位限制在一定范围内的控制。通常，在储水器中设定一个上限水位LH和一个下限水位上LL，当水位低于下限水位LL时，启动水泵，向储水器内供水；当水位达到上限水位LH时，则关闭水泵，停止供水。因此，水泵每次启动后的任务便是向储水器内提供一定容积（下限水位与上限水位之间）的水，如图5-56所示。任务分析在提供相同容积的水的前提下，只需通过变频调速适当降低水泵的转速就可以达到节能的目的，且水泵转速越低，节能效果就越好。但在用水的高峰期，必须考虑是否来得及供水的问题。工作任务3基于端子控制的PLC和变频器的应用上一页下一页返回如果在来不及供水的情况下，应该考虑进行提速控制。为此，在水池中设置了两档下限水位LL1（由3号棒控制）和LL2（由2号棒控制）。水位检测的方法很多，目前，比较价廉而可靠的是金属棒方式，如图5-57所示。这种方法是利用水的导电性能来取得信号的：当两根金属棒都在水中时，它们之间是“接通”的；当两根金属棒中只有一根在水中时，它们之间便是“断开”的。其中，1号棒用于作为公共接点，2、3、4号棒分别用于控制不同的水位。水位信号通过处理后直接送给PLC的输入端，而PLC的输出端可直接连接变频器的数字输入端，由PLC根据水位情况自动选择变频器的多档速度。在正常情况下，水泵以较低转速nL运行，水位被控制在3号棒LL1和4号棒LH之间。如果在用水高峰期，水泵低速nL运行时的供水量不足以补充用水量，则水位将越过3号棒LL1后将继续下降。当水位低于2号棒LL2时，水泵的转速提高至nH，并增大供水量，阻止水位的继续下降。工作任务3基于端子控制的PLC和变频器的应用上一页下一页返回当水位上升至3号棒LL1以上时，经适当延时后又可将转速恢复至低速nL运行。当水位达到上限水位LH时，则关闭水泵，停止供水。知识链接PLC的输出端可分为继电器输出型、晶体管型和晶闸管输出型。每种输出电路都采用电气隔离技术，输出接口本身都不带电源，而电源由外部提供，但在考虑外接电源时，还需考虑输出器件的类型。继电器型输出接口可用于交流及直流两种电源，但接通断开的频率低；晶体管型输出接口有较高的通断频率，但只适用于直流驱动的场合，晶闸管型输出接口仅适用于交流驱动场合。为了使PLC避免因受瞬间大电流的作用而损坏，输出端外部接线必须采用保护措施：一是输入和输出公共端接熔断器。二是采用保护电路，对交流感性负载一般用阻容吸收回路；对直流感性负载用续流二极管。工作任务3基于端子控制的PLC和变频器的应用上一页下一页返回汇点式输出接线如图5-58（a）所示，即将所有输出点分成n组，每组有一个公共端COM和一个单独电源，每组的电源均由用户提供，根据实际情况可选用直流电源，也可选用交流电源。分隔式输出接线如图5-58（b）所示，每个输出点构成一个单独回路，由用户单独提供一个电源，且每个输出点之间是互相隔离的，负载电源按实际情况可选用直流电源，也可选交流电源。任务实施一、I/O图分配这里的变频器采用MM440，PLC采用S7-200。可直接利用S7-200的DC24V作为金属棒的信号，即1～4金属棒直接接到S7-200的输入端。变频器MM440采用直接选择固定频率＋ON方式实现2档速度控制水泵，而MM440的两档速度选择由S7-200的输出端直接控制，延时情况也由PLC实现。工作任务3基于端子控制的PLC和变频器的应用上一页下一页返回PLC的I/O分配如表5-10所列。二、PLC硬件接线图PLC硬件接线图如图5-59所示。三、设计梯形图程序这里用PLC的Q0.0和Q0.1选择电动机的高速和低速，由于变频器有上、下限频率限制电动机的转速，因而Q0.0和Q0.1不需要互锁。PLC控制程序如图5-60所示。四、运行并调试程序运行调试程序前必须先设置变频器参数，MM440变频器实现了两种速度控制的方法有多种。这里采用直接选择频率+ON的命令方式，频率的选择由数字输入端口DIN1和DIN2组合实现，同时DIN1和DIN2具有启/停电动机的功能。工作任务3基于端子控制的PLC和变频器的应用上一页返回首先按所用的电动机大小设置电动机参数P0304～P0311。电动机参数设置完成后，设P0010=0，变频器当前处于准备状态，可正常运行。然后根据控制要求设置2段固定频率控制参数，如表5-11所列。nH的大小究竟以多大为宜，必须反复多次的实践来确定。总的原则是：在能够阻止水位继续下降的前提下，nH（fH）应越小越好。工作任务3基于端子控制的PLC和变频器的应用下一页返回任务引入S7-226PLC和变频器MM440采用USS通信协议，控制电动机实现正反转、启动时频率设定为15Hz、运行过程中可通过PLC设定频率为25Hz或50Hz，停车时有自由停车、快速停车，有故障恢复等功能，示意图如图5-62所示。任务分析传统的PLC与变频器之间的接口大多采用的是依靠PLC的数字量输出来控制变频器的启停，依靠PLC的模拟输出来控制变频器的速度给定，这样做存在以下五个问题。①需要控制系统在设计时采用很多硬件，价格昂贵。②现场的布线多容易引起噪声和干扰。③PLC和变频器之间传输的信息受硬件的限制，交换的信息量很少。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回④在变频器的启停控制中由于继电器接触器等硬件的动作时间有延时，从而影响控制精度。⑤通常变频器的故障状态由一个接点输出，PLC能得到变频器的故障状态，但不能准确地判断出当故障发生时，变频器是何种故障。如果PLC通过与变频器进行通信来进行信息交换，那么可以有效地解决上述问题，因通信方式具有使用的硬件少，传送的信息量大，速度快等特点。另外，通过网络，可以连续地对多台变频器进行监视和控制，实现多台变频器之间的联动控制和同步控制。通过网络还可以实时地调整变频器里的数。使用西门子S7-200和MicroMaster变频器之间的通信协议USS，用户便可以通过程序调用的方式来实现S7-200和MicroMaster变频器之间的通信，而且编程的工作量小，通信网络由PLC和变频器内置的RS-485通信口和双绞线组成，一台S7-200最多可以和31台变频器进行通信，这是一种费用低、使用方便的通信方式。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回知识链接一、USS通讯协议简介USS通信协议专用于S7-200PLC和西门子公司的MicroMaster变频器之间的通信。通信网络由S7-200PLC的通信接口和变频器内置的RS-485通信接口及双绞线组成，且一台S7-200PLCCPU最多可以监控31台变频器。PLC通过通信来监控变频器，接线量少，占用PLC的I/O点数少，传送的信息量大，还可以通过通信修改变频器的参数及其他信息，实现多台变频器的联动和同步控制。这是一种硬件费用低，使用方便的通信方式。使用USS通信协议，用户程序可以通过子程序调用的方式实现PLC与变频器之间的通信，编程的工作量很小。在使用USS协议之前，需要先在STEP7编程软件中安装“STEP7-Micro/WIN32指令库”。USS协议指令在此指令库的文件夹中，而指令库提供了8条指令来支持USS协议，调用一条USS指令时，将会自动增加一个或多个相关的子程序。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回调用的方法是打开STEP7编程软件，在指令树的“指令/库/USSProtocol”文件夹中，将会出现用于USS协议通信的指令，用它们便可来控制变频器和读写变频器参数。用户不需要关注这些子程序的内部结构，只要将有关指令的外部参数设置好，直接在用户程序中调用它们即可。二、USS协议指令USS协议指令主要包括USS_INIT、USS_CTRL、USS_RPM和USS_WPM四种。1.初始化指令USS_INITUSS_INIT指令如图5-63所示，用于初始化或改变USS的通信参数，只激活一次即可，也就是只需一个扫描周期、调用一次就可以了。在执行其他USS协议指令之前，必须先执行USS_INIT指令，且没有错误返回。指令执行完后，完成位（Done）立即置位，然后才能继续执行下一条指令。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回当EN端输入有效时，每一次扫描都会执行指令，这是不可以的。而应通过一个边沿触发指令或特殊继电器SM0.1，使此端只在一个扫描周期内有效，激活指令就可以了。一旦USS协议已启动，在改变初始化参数之前，必须通过执行一个新的USS_INIT指令以终止旧的USS协议。“Mode”用于选择通信协议，是字节型数据。如数据为1，是将端口0分配给USS协议和允许该协议；如数据为0，是将端口0分配给PPI，并禁止USS协议。“Baud”用于设定波特率，单位为bit/s，是字型数据。可选1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200bit/s。“Active”用于指示出哪一个变频器是激活的，是双字型数据。Active共32位（第0～31位），例如第0位为1时，则表示激活0号变频器；第0位为0，则不激活它。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回如现在要同时激活一号变频器和二号变频器，Active为16#00000006，如表5-13所列。“Done”用于指示指令执行情况，是布尔型数据。指令执行完成后，此位为“1”。“Error”用于生成一个字节，是字节型数据，这一字节包含指令执行情况的信息。2.控制指令USS_CTRLUSS_CRTL指令如图5-64所示，是变频器控制指令，用于控制MicroMaster变频器。USS_CTRL指令将用户命令放在一个通信缓冲区内，如果由“Drive”指定的变频器被USS_INIT指令中的“Active”参数选中，则缓冲区中的命令将被发送到该变频器。每个变频器只应有一个USS_CTRL指令，且使用USS_CTRL指令的变频器应确保已被激活。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回EN位必须接通，以启动USS_CTRL指令。一般情况下，这个指令总是处于允许执行状态，所以在图5-64中，此端用了一个SM0.0（常ON）触点。RUN指示变频器是接通（1）或是断开（0）。当RUN位是接通时，MicroMaster变频器收到一个命令，以便开始以规定的速度和方向运行。为了使变频器运行，必须具备以下条件：在USS_INIT中将变频器激活，输入参数OFF2和OFF3必须设定为0，输出参数Fault和Inhibit必须为0；当RUN位断开时，则发送MicroMaster变频器一个命令，电动机速度降低，一直到停止。OFF2用来使MicroMaster变频器减速到停止。OFF3用来使MicroMaster变频器快速停止。F_ACK（故障确认）用来确认一个故障。当F_ACK从低变高时，变频器清除故障，Fault位恢复为0。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回DIR（方向）用来设置变频器的运动方向（0为逆时针方向，1为顺时针方向）。Drive（变频器地址）是USS_CTRL命令指定的MicroMaster变频器地址，有效地址为0～31。USS_CTRL中的Drive驱动站号不同于USS_INIT中的Active激活号，Active激活号指定哪几台变频器需要激活，而Drive驱动站号是指先激活后的哪台电动机驱动，因此程序中可以有多个USS_CTRC指令。Type是变频器的类型，3系列或更早的系列为0，4系列的为1。Speed_SP速度设定点，是用全速度的百分比来表示的速度设定值（-200.0%～200.0%）。该值为负时，表示变频器反方向旋转。Resp_R（收到响应）确认从变频器来的响应。对所有激活的变频器轮询最新的变频状态信息。每当CPU从变频器收到一个响应时，Reap_R位便接通一个扫描周期，并更新以下所有的数值：工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回Error是一个错误状态字节，它包含与变频器通信请求的最新结果。Status是由变频器返回的状态字的原始值。Speed是变频器返回的用全速度百分比表示变频器的速度（-200.0%～200.0%）。Run_EN（RUN允许）是用于指示变频器的运行状态，有两种正在运行（1）或已停止（0）。D_Dir用于指示变频器的旋转方向（0为逆时针方向，1为顺时针方向）。Inhibit指示变频器上的禁止位的状态（0为不禁止，1为被禁止）。要清除禁止位，Fault位必须为0，RUN、OFF2及OFF3输入位也必须为0状态。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回FauIt指示故障位的状态（0为无故障，1为故障）。发生故障时，变频器将提供故障代码（参阅变频器使用手册）。要清除Fault位，需消除故障原因，并接通F_ACK位。三、通信电缆连接用一根带D型9针阳性插头的通信电缆接在PLC（S7-200PLCCPU226）的0号通信口，9针并没有都用上，只接其中的3针，它们是1（地）、3（B）、8（A），电缆的另一端是无插头的，以便接到变频器MM440的2、29、30端子上，因这边是内置式的RS-485接口，在外面能看到的只是端子。两端的对应关系是：2—1、29—3、30—8；连接方式如图5-65所示。四、USS的编程顺序①使用USS_INIT指令初始化变频器，确定通信口、波特率、变频器的地址号。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回②使用USS_CTRL指令激活变频器。启动变频器、定变频器运动方向、定变频器减速停止方式、清除变频器故障、定运行速度、定与USS_INIT指令相同的变频器地址号。③配置变频器参数，以便和USS指令中指定的波特率和地址相对应。④连接PLC和变频器间的通信电缆。应特别注意变频器的内置式RS-485接口。⑤程序输入时应注意，S7系列的USS协议指令是成型的，在编程时不必理会USS的子程序和中断，只要在主程序中开启USS指令库就可以了。调用位置如图5-66所示。任务实施一、PLC、变频器和电动机的接线三者接线如图5-67所示。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页下一页返回二、变频器的参数设置P0005=21显示变频器实际频率P0700=5COM链路USS设置P1000=5通过USS设定频率值（29、30输入）P2010=69600波特率P2011=1USS地址P2012=2过程数据P2013=127数据不等长三、PLC与变频器通信梯形图梯形图如图5-68所示。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信上一页返回四、运行并调试程序①按接线图连接电路。②向PLC下载程序。③在MM440变频器上设置参数，分析程序运行结果是否达到任务要求。工作任务4基于USS协议的PLC与变频器的通信下一页返回任务引入技术要求：①使用触摸屏通过PLC的RS-485总线用USS通信控制变频器正转、反转和停止。②使用触摸屏通过PLC的RS-485总线用USS通信手动修改变频器的频率（写入运行频率或每按一次按钮频率增加5%或下降5%），并显示变频器的运行频率，如图5-74所示。任务分析S7-200和MM440变频器之间的通信使用USS通信协议可以进行数据交换实现控制要求，其主要是通过控制指令USS_CTRL、变频器参数的USS_RPM_x读指令、变频器参数的USS_WPM_x写指令来实现，其使能端是通过PLC的输入端子控制的，如要用触摸屏触摸键来代替PLC的输入端子，则触摸屏显示键应显示读参数或输出状态，其关键是设定好触摸屏变量与PLC寄存器对应关系及相关联的梯形图的编写。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回知识链接一、触摸屏简介1.触摸屏触摸屏是“人”与“机器”交流信息的窗口，“人”可以通过该窗口向“机器”发送命令，也可以通过此窗口监控“机器”的状态信息，所以触摸屏又称“人—机界面”。“人”与“机”交流信息界面的演变历程如下所示。①监控界面。最初是单个的指示灯→指示灯组合→七段码显示→BCD码显示→LED显示屏（包含文本显示屏）→触摸屏（软触摸屏电脑显示屏）。②发命令界面。单个开关→十字键→十六键→方向开关（开关与显示状态组合）→触摸键（鼠标和键盘）。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回在工业控制系统中，考虑成本问题，如果输入命令和监控的信息很少，“人—机界面”可以考虑使用单个开关和单个指示灯形式；如果输入命令和监控的信息很多，则“人—机界面”可以考虑使用触摸屏，这样会更加节约成本，而且整个系统也会显得比较高档。在输入命令和监控的信息很多的控制系统中，如果使用十字键或十六键等作输入和用七段码或BCD码作显示，就会占用很多的输入和输出点数，这样不但会使整个系统的成本增加，而且还降低了整个系统的档次。2.西门子的人—机界面人—机界面HMI（HumanMachineInterface）一般用于同PLC（变频器、PID）等控制器进行通信，人—机界面一般用于显示和记录PLC等控制器中采集或计算出的数据，并把需要控制的设定数值或设备的开关信号送入PLC等的控制器中，工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回带有触摸功能的人—机界面可以在液晶显示屏上直接开关显示屏画面上的按钮和输入数据，带薄膜按键的人—机界面需要按下显示屏上的按键来输入数据。人—机界面用于承担下列几个任务。①过程可视化：在人—机界面上动态显示过程数据（即PLC采集的现场数据）。②操作员对过程的控制：操作员通过图形界面来控制过程。例如，操作员可以触摸屏画面上的输入域来修改控制系统的参数，或者用画面上的按钮来启动电动机。③显示报警：过程的临界状态会自动触发报警，例如当变量超出设定值时。④记录（归档）功能：顺序记录过程值和报警信息，用户可以检索以前的生产数据。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回⑤输出过程值和报警记录：例如可以在某一轮班结束时打印输出生产报表。3.人—机界面的分类现在的人机界面几乎都能使用液晶显示屏，小尺寸的人机界面只能显示数字和字符，称为文本显示器，大一些的可以显示点阵组成的图形。显示器颜色有单色、8色、16色、256色或更多的颜色。（1）文本显示器文本显示器（TextDisplay，TD）是一种廉价的单色操作员界面，一般只能显示几行数字、字母、符号和文字（包括中文）。西门子的TD200和TD200C与该公司的小型PLCS7-200配套使用，可以显示两行信息，每行20个数字或字符，或每行显示10个汉字，如图5-75所示。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回可以用S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN中的文本显示向导为TD200和TD200C的组态。只需要进行一些简单的设置，就可以用它们来显示文本和动态信息。TD200和TD200C的价格低、功能强，是一种性能价格比很高的S7-200的简易人机接口装置。（2）操作员面板西门子将操作员面板（OperatorPanel，OP）使用液晶显示器和薄膜按键，有的操作员面板的按键多达数十个。操作员面板的面积大，直观性较差，如OP270，其显示器对角线的尺寸为5.7in（5.7英寸），如图5-76所示。（3）触摸屏西门子将触摸面板（TouchPanel，TP），俗称为触摸屏，触摸屏是人机界面的发展方向，可以由用户在触摸屏的画面上设置具有明确意义和提示信息的触摸式按键。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回触摸屏的面积小，使用直观方便，用户可以用触摸屏上的组合文字、按钮、图形和数字信息等，来处理或监控不断变化的信息。过去的人机界面设备操作困难，需要熟练的操作员才能操作。而使用触摸屏和计算机控制后，机器设备目前的状况就能够明确地显示出来，并给出操作的提示，使操作变得简单，可以减少操作失误，即使是新手也可以很轻松地学会操作整个机器设备。触摸屏还可以用画面上的按钮和指示灯等来代替相应的硬件元件，以减少PLC需要的I/O口，西门子常用的触摸屏有TP270、TP170A、TP170B、K-TP178M等。图5-77是MP270B触摸屏的外形。4.触摸屏的工作原理触摸屏的基本原理为：用户用手指或其他物体触摸安装在显示器上的触摸屏时，被触摸位置的坐标被触摸屏控制器检测，并通过通信接口（例如，RS-232C或RS-485串行口）将触摸信息传送到PLC，从而得到输入的信息。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回触摸屏系统一般包括两个部分：触摸检测装置和触摸屏控制器。触摸检测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的触摸位置，再将该处的信息传送给触摸屏的控制器。触摸屏控制器的主要作用是接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转换成触点坐标，判断出触摸的意义后传送给PLC。它同时能接收PLC发来的命令并加以执行，例如动态地显示开关量和模拟量。5.触摸屏的分类按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，触摸屏可分为四类，它们分别是电阻式、电容感应式、红外线式和表面声波式。触摸屏软件有ProTool和WinCCflexible。B触摸屏的外形。二、触摸屏的使用下面以西门子TP170B的组态软件ProTool为例来说明触摸屏的使用。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回ProTool软件是人机界面中具有代表性的组态软件之一，其功能强大，是西门子公司HMI系列人机界面（含触摸屏）通用型的组态软件。ProTool软件的最大优点是使用同样的组态软件来组态该系列中的所有人机界面（含触摸屏），无论为哪个人机界面（含触摸屏）创建项目，ProTool总是提供相同的、类似的用户界面，以便于控制画面的编辑。1.

ProTool的使用（1）启动ProTool在安装了ProTool软件的电脑中双击ProToolCS图标就可运行ProTool了。（2）创建ProTool应用项目①创建新项目：在启动运行的界面菜单中单击“文件”→“新建”命令，弹出“项目向导”的“设备选择”对话框，选择所需的HMI设备后再单击“下一步”按钮（或单击工具栏中的空白也可创建新项目），如图5-78所示。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回②选择PLC及其驱动程序：从弹出的“PLC选择”的对话框中选择PLC设备及驱动程序（对S7-200PLC选择SIMATICS7-200V6.0），如图5-79所示。③如图5-80所示，在参数按钮中可输入协议参数。（3）新建或打开ProTool项目在新建项目或打开已存在的项目时，可以看见项目窗口。①双击“画面”可在右边得到创建的对象，如图5-81所示。②双击右边对象“PLC-1”可弹出创建的工作界面，如图5-82所示。2.触摸屏和S7-200PLC的连接方式和组态图5-83的两种连接方式都可使用MPI电缆或DP电缆，一头接OP（触摸屏）的IF1B接口，另一头可接S7-200PLC的0口、1口或连接在EM277上。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回下面以S7-224CPU和TP170BMONO为例，说明实现MPI通信所需的设置。（1）在Step7-Micro/WIN32中的通信设置首先使用SystemBlock对S7-200PLC进行设置，PLC站地址选为2，波特率设187.5kbps，MPI/ProfiBus。单击“确定”按钮，下载项目到PLC，如图5-84所示。（2）ProTool的设置首先选择使用的TP/OP类型，这里以TP170BMONO为例，如图5-85所示。单击“下一步”按钮，选择连接PLC的类型，这里选择“SIMATICS7-200V6.0”，如图5-86所示。单击键“参数”组态连接属性，如图5-87所示。工作任务5基于PLC、触摸屏、变频器的综合应用上一页下一页返回如图5-88所示，在OP参数中接口选择IF1B，OP站的地址缺省设置为1，在通讯同级参数中设置为S7-200PLC的实际站地址，这里设为2（注意：在一个网络中，各站的地址必须是唯一的）。网络参数中的波特率的选择必须与PLC的波特率一致。配置文件有五种通信协议备选（PPI、MPI、DP、标准和通用的），OP/TP连接S7-200时，可以选择其中任意一种协议，而PLC不需要再作任何设置，即S7-200PLC能自动选择协议来和OP使用的协议保持一致。单击“确定”按钮，确定通信参数设置。单击“完成按钮”，结束“项目向导”。进行其他组态，然后存盘，准备下载。设置下载参数：使用标准串口线（2，3交叉；4，6交叉；7，8交叉；5接5）一端接在PC的串口上，另一端接在OP的IF2