基于模塊化S7-200培訓(xùn)設(shè)備的PLC開(kāi)放實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、.外文資料翻譯學(xué)院（部）： 機(jī)械工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 機(jī) 設(shè) 07-12 學(xué)生姓名： 范 祥 雷 指導(dǎo)教師： 薛 祖 強(qiáng) 講師 基于模塊化 S7-200 培訓(xùn)設(shè)備的 PLC 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)PLC（可編程序控制器）是以微控制器為核心，把計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起的一種先進(jìn)的自動(dòng)控制裝置。目前 PLC 已成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，各類(lèi)企業(yè)均需要一定數(shù)量的具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的此類(lèi)人才。因此，PLC 應(yīng)用技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)人員和高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的重要課程。 西門(mén)子公司的 SIMATIC S7-2

2、00 系列屬于小型 PLC，以其極高的性?xún)r(jià)比在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有很大的市場(chǎng)份額，同時(shí)因其具有靈活而強(qiáng)大的通訊功能以及其它一些特殊高級(jí)功能，正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中1。目前西門(mén)子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)正積極通過(guò)與高校的合作共建成立西門(mén)子小型自動(dòng)化培訓(xùn)中心，青島大學(xué)是其中之一。西門(mén)子公司為培訓(xùn)中心提供相關(guān)的 S7-200 培訓(xùn)設(shè)備及開(kāi)發(fā)軟件。教師充分利用此有利的實(shí)驗(yàn)條件，基于這些設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一些 PLC開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)有余力“吃不飽”的學(xué)生進(jìn)一步加強(qiáng) PLC應(yīng)用技術(shù)的學(xué)習(xí)，了解并操作最先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備，初步掌握工業(yè)自動(dòng)化的先進(jìn)控制技術(shù)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的

3、目標(biāo)，滿足社會(huì)對(duì)此類(lèi)技術(shù)人才的需求。 1 模塊化 S7-200 培訓(xùn)設(shè)備PLC 原理及應(yīng)用技術(shù)的學(xué)習(xí)和掌握需要軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做支持。在我校與西門(mén)子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)聯(lián)合成立的小型自動(dòng)化培訓(xùn)中心中，配有 10套 S7-200 培訓(xùn)設(shè)備，示意圖如右圖（只畫(huà)了部分?jǐn)U展模塊）所示。該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，主模塊中除了性能優(yōu)越、性?xún)r(jià)比較高的 CPU 224XP主機(jī)外，還附帶了文本顯示器 TD400C，帶有專(zhuān)用 PT100 溫度變送器、加熱器、風(fēng)扇等物理控制對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)基本普及培訓(xùn)的大部分內(nèi)容實(shí)驗(yàn)，多人可同時(shí)進(jìn)行。針對(duì)西門(mén)子產(chǎn)品豐富的擴(kuò)展功能模塊，考慮成本等因素，配備了一定數(shù)量的功能模塊，包括EM231 RT

4、D測(cè)溫模塊、EM253 位控模塊、EM241 Modem通訊模塊、CP243-1 以太網(wǎng)通訊模塊、EM277 Profibus-DP 模塊、SP系列稱(chēng)重傳感器及Siwarex MS稱(chēng)重模塊等六種擴(kuò)展功能模塊，采用總線方式連接擴(kuò)展單元，實(shí)現(xiàn)了免接線的功能切換，培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)時(shí)可交叉使用。另外還配有 HMI（人機(jī)接口）設(shè)備P177B、 OP177B、 MP277等共 10 臺(tái)觸摸屏，既可掛在設(shè)備機(jī)架上，也可單獨(dú)支撐操作。整套設(shè)備采用了標(biāo)準(zhǔn)的 S7-300 卡軌安裝，使模塊安裝可靠穩(wěn)定，同時(shí)當(dāng)需要 S7-300 的模塊配合實(shí)驗(yàn)時(shí)可以非常容易的加入 S7-300 的任何模塊， 使 S7-200 和S7-30

5、0 擁有共同的安裝平臺(tái)。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、培訓(xùn)以及教師科研都提供了良好的硬件條件。2 PLC 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 因每個(gè)學(xué)期開(kāi)設(shè) PLC 課程的班級(jí)很多，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地和課程學(xué)時(shí)的限制，一般在PLC 原理及應(yīng)用課程中所配套開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有基本指令練習(xí)、順序控制、簡(jiǎn)單數(shù)字量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如跑馬燈設(shè)計(jì)、運(yùn)料小車(chē)自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)控制、十字路口交通燈模型控制、三層電梯模型控制等，該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是基礎(chǔ)的、必修的。對(duì)于 S7-200 的特殊高級(jí)實(shí)用功能、豐富的擴(kuò)展功能模塊使用以及現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的通訊功能的實(shí)現(xiàn)卻很少涉及?？紤]到學(xué)生的接受能力差異和實(shí)驗(yàn)條件限制，此部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容最適宜于作開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)2，即教師提

6、供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資料，提出實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求，由學(xué)生自主擬定實(shí)驗(yàn)方案，確定有效測(cè)定實(shí)驗(yàn)效果的方法， 使學(xué)生有較大的思維空間， 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性， 對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)具有極其重要的意義3。因此，利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的知識(shí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了部分開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。2.1 基于主模塊設(shè)計(jì)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn) 利用主模塊，除了可完成一些 PLC基礎(chǔ)編程實(shí)驗(yàn)外，還可以完成一些特殊功能4實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也練習(xí)了 Micro/Win 編程環(huán)境集成的各種編程向?qū)褂茫饕校?（1）主模塊中包括了 TD400C，它是一款性?xún)r(jià)比極高的 S7-200 PLC 專(zhuān)用的新一代文

7、本顯示器，是一種簡(jiǎn)易人機(jī)接口裝置，無(wú)需 HMI專(zhuān)用組態(tài)軟件，使用 Micro/WIN V4.0 SP4 以上版中文界面中的 TD向?qū)Ъ纯山M態(tài)5。在 TD400C 的組態(tài)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)配置顯示用戶(hù)菜單、報(bào)警菜單，與 S7-200 CPU進(jìn)行交互，對(duì) CPU存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和編輯，可實(shí)現(xiàn)小型的具有人機(jī)交互功能的控制系統(tǒng)，如結(jié)合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)料小車(chē)自動(dòng)往返控制程序，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制面板來(lái)控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并在到達(dá)兩端限位位置時(shí)顯示報(bào)警畫(huà)面，同時(shí)在TD400C 上修改小車(chē)在兩端停留的時(shí)間等，使實(shí)驗(yàn)效果更加豐富生動(dòng)，也讓學(xué)生了解掌握了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用的實(shí)際控制設(shè)備。 （2）高速計(jì)數(shù)、高速輸出、內(nèi)部外部中斷等

8、實(shí)用的特殊功能，可通過(guò)一個(gè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)和掌握，如首先利用高速輸出功能得到 PTO（脈沖串）輸出，然后實(shí)現(xiàn)由高速計(jì)數(shù)器HSC0 對(duì) PTO的高速輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò) HSC0的中斷功能進(jìn)行反復(fù)計(jì)數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)一個(gè)可調(diào)的 PWM（脈沖寬度調(diào)制）高速輸出，由定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)一個(gè)秒計(jì)數(shù)器，并將當(dāng)前計(jì)數(shù)值、PWM 輸出的占空比等相關(guān)內(nèi)容顯示在 TD 400C上。（3） 主模塊中帶的 PT100 溫度變送器將 0100 攝氏度轉(zhuǎn)化成 010V作為模擬量輸入接入 CPU，將加熱器、風(fēng)扇等物理控制對(duì)象連接在 CPU數(shù)字量輸出上，可實(shí)現(xiàn)有關(guān)模擬量的數(shù)據(jù)變換、手動(dòng) PID 控制編程、利用向?qū)瓿?PID 組態(tài)、PID

9、 參數(shù)自整定功能的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深刻理解并掌握工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)模擬量 PID控制的相關(guān)知識(shí)和實(shí)現(xiàn)方法。（4）將兩臺(tái) S7-200 系列 PLC 通過(guò) RS232 通訊電纜連接，即可組成一個(gè)使用 PPI 協(xié)議的單主站通信網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)行 PPI 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè) PLC 之間的數(shù)據(jù)交換，如將主站的 I0.0I0.7 的狀態(tài)映射到從站的 Q0.0Q0.7，將從站的 I0.0I0.7 的狀態(tài)映射到主站的Q0.0Q0.7，可讓學(xué)生體會(huì)網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令向?qū)У暮?jiǎn)便使用，以及通過(guò)組成 PPI 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制功能。 （5）S7-200 CPU 的通信端口支持自由端口通信模式，可使用用戶(hù)自定義的通信協(xié)議實(shí)

10、現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其他具有串行通信接口的設(shè)備進(jìn)行通信。在此，讓學(xué)生利用簡(jiǎn)單易學(xué)的 Visual Basic（VB）語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn) PC 與 S7-200 CPU之間的自由端口通信模式實(shí)驗(yàn)6，由 PLC 完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量、模擬量的控制處理，上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的監(jiān)控、分析、統(tǒng)計(jì)和修改等，給用戶(hù)提供良好的界面便于監(jiān)控。 2.2 基于 CP243-1 以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn) 工業(yè)以太網(wǎng)是西門(mén)子 SIMATIC NET開(kāi)放通信系統(tǒng)的頂層，可以實(shí)現(xiàn)管理與控制網(wǎng)絡(luò)的一體化，甚至可以集成到互聯(lián)網(wǎng)，為遠(yuǎn)程控制和全球聯(lián)網(wǎng)提供了條件。給 S7-200 PLC 配備以太網(wǎng)模塊 CP243-1 或互聯(lián)網(wǎng)模塊

11、 CP243-1 IT 即可將 S7-200 連接到以太網(wǎng)。在此，選擇現(xiàn)有的 CP243-1 擴(kuò)展模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò) Micro/WIN 中以太網(wǎng)向?qū)У暮?jiǎn)單組態(tài)即可完成對(duì)模塊的配置。通過(guò)安裝以太網(wǎng)網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)和 Micro/WIN，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)以太網(wǎng)對(duì) S7-200 CPU的遠(yuǎn)程編程、組態(tài)和診斷。另外，兩臺(tái)均配備 CP243-1 模塊的 S7-200 PLC，通過(guò)軟件編程并下載配置程序后，通過(guò)網(wǎng)線連接即可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái) S7-200 PLC 基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的 S7-200 之間的以太網(wǎng)通訊方式有清楚地了解。2.3 基于觸摸屏設(shè)計(jì)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn) TD400C 只能顯示

12、文本信息，而很多工業(yè)被控對(duì)象要求控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的人機(jī)界面功能，通過(guò)具有明確意義和提示信息的畫(huà)面來(lái)實(shí)現(xiàn)操作人員與控制系統(tǒng)之間的對(duì)話和相互作用。觸摸屏是人機(jī)界面的發(fā)展方向。利用現(xiàn)有的觸摸屏設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何通過(guò)組態(tài)軟件 WinCC Flexible 對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)和傳送程序7，以及 HMI 和 PLC 的數(shù)據(jù)交換方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如讓學(xué)生在 HMI 上組態(tài)交通燈系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面或電梯轎箱內(nèi)的操作界面，再結(jié)合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中編寫(xiě)的 S7-200 十字路口交通燈控制程序或三層電梯控制程序，即可檢驗(yàn)程序是否正確執(zhí)行，又可讓學(xué)生操作先進(jìn)的設(shè)備，并學(xué)會(huì)其組態(tài)方法。另外，讓學(xué)生設(shè)計(jì)一些被控對(duì)象的運(yùn)

13、行效果界面，如運(yùn)料小車(chē)的運(yùn)動(dòng)、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)等，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際被控對(duì)象不足的缺陷， 在此可大大發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力， 完善并豐富控制系統(tǒng)的功能，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。 以上給出了利用模塊化 S7-200 培訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)的部分開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。隨著學(xué)生專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的不斷深入，知識(shí)儲(chǔ)備增加和時(shí)間充裕的情況下，也可在畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中將多個(gè)模塊結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，如將 S7-300 CPU接入系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)與 S7-200 的 Profibus、MPI 通信，利用 EM253 位控模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制知識(shí)的深入理解和掌握等。3 結(jié)束語(yǔ) 充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的模塊化 S7-200 培訓(xùn)設(shè)備，研發(fā)大