基于模塊化S7-200 PLC的開放實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐

張 祥，楊志剛

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

可編程序控制器(PLC)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置［1］。目前PLC已成為現(xiàn)代工業(yè)控制裝置的三大支柱(PLC、機(jī)器人和CAD/CAM)之一，PLC的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中?，F(xiàn)PLC仍處于不斷的發(fā)展之中，其功能不斷增強(qiáng)，更為開放，它不但是單機(jī)自動化中應(yīng)用最廣的控制設(shè)備，在大型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有不可動搖的地位。

PLC是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐環(huán)節(jié)至關(guān)重要，只有通過實(shí)際操作，才能學(xué)通學(xué)透可編程控制器技術(shù)。但由于受該課程所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課時的限制，一般在所配套開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還僅局限于數(shù)字量實(shí)驗(yàn)。如基本指令編程練習(xí)、四節(jié)傳送帶模型控制、自動配料和十字路口交通燈模型控制等，這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是基礎(chǔ)、必修的。而在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，常常需要對一些連續(xù)型的物理模擬量、脈沖量進(jìn)行控制，且對于實(shí)驗(yàn)室配備的 S7-200 PLC模塊中的高級實(shí)用、豐富的擴(kuò)展功能模塊從未涉及。例如:PLC對模擬量的控制、PLC與變頻器的通信以實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制、PLC對文本顯示器對觸摸屏等的控制?？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)容最適宜于作開放性實(shí)驗(yàn)［2］。

一、模塊化S7-200 PLC實(shí)驗(yàn)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)平臺做支持。在我校配有12臺THSMS-C型網(wǎng)絡(luò)型可編程控制器高級實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備。該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，主模塊中有性價比高的CPU224XP主機(jī)、EM223數(shù)字量輸入輸出模塊和EM235模擬量輸入輸出模塊。另配備了很多模擬實(shí)驗(yàn)掛箱，例如:四節(jié)傳送帶、自動配料系統(tǒng)、十字路口交通等控制、溫度控制、變頻調(diào)速控制、觸摸屏組態(tài)控制和文本顯示器控制等實(shí)驗(yàn)掛箱。整個實(shí)驗(yàn)裝置項(xiàng)目齊全，含數(shù)字量、模擬量、脈沖量、變頻調(diào)速、觸摸屏、文本顯示器、網(wǎng)絡(luò)通信控制等。裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，組合靈活，用戶可根據(jù)不同的需要選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)掛箱組成不同的控制系統(tǒng)。且該實(shí)驗(yàn)裝置形象逼真，通過本實(shí)驗(yàn)裝置的訓(xùn)練，學(xué)生可快速適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的工作環(huán)境。

二、什么是開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法手段不斷改變的今天，開放實(shí)驗(yàn)是近年來的一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。它和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程最大的不同就是改變固定的實(shí)驗(yàn)操作步驟，使學(xué)生做實(shí)驗(yàn)由被動變?yōu)橹鲃樱浞终{(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時，開放實(shí)驗(yàn)使學(xué)生不受專業(yè)的限制，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，另一方面學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也得到了有效的利用。開放實(shí)驗(yàn)包含兩方面的含義，即時間開放和內(nèi)容開放［4］。時間上的開放不是簡單地將實(shí)驗(yàn)室門打開延長實(shí)驗(yàn)時間，而是學(xué)生可以自由選擇完成實(shí)驗(yàn)的時間，這樣學(xué)生可以在時間上有較大的靈活性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。而內(nèi)容開放是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不再是由老師指定制定，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室S7-200 PLC模塊自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。將原來屬于驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)按設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來完成，這樣就成為以學(xué)生為主，教師啟發(fā)與引導(dǎo)為輔的一種實(shí)踐教學(xué)模式。學(xué)生必須獨(dú)立思考，運(yùn)用所學(xué)的理論知識挖掘自身的潛能設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案。本文就是針對基于模塊化S7-200 PLC設(shè)備所設(shè)計(jì)的開放實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

三、基于模塊化S7-200 PLC設(shè)計(jì)的開放實(shí)驗(yàn)

利用模塊化S7-200 PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備除了可完成一些PLC基礎(chǔ)編程實(shí)驗(yàn)外，還可以完成一些特殊功能和高級應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。同時也練習(xí)了Micro/Win編程環(huán)境集成的各種編程向?qū)?，主要有以下幾個:

(1)PLC對模擬量溫度的PID控制。該實(shí)驗(yàn)掛箱中的Pt100為熱電偶，用來監(jiān)測受熱體的溫度，并將采集到的溫度信號送入變送器輸出單極性模擬電壓信號，接入EM235模塊中的模擬輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入CPU，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算處理后，經(jīng)EM235模塊中模擬輸出通道進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬量電流信號到調(diào)壓模塊輸入端，調(diào)壓模塊根據(jù)輸入電流的大小，改變輸出電壓的值并送至加熱器。在該實(shí)驗(yàn)中需用PID實(shí)現(xiàn)對溫度的控制，通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握模擬量輸入輸出模塊的作用，以及EM235模塊與外界模擬輸入信號和模擬輸出信號的連接。同時，深刻理解并掌握工業(yè)現(xiàn)場模擬量PID控制的相關(guān)知識和實(shí)現(xiàn)方法，以及定時中斷的使用。比如掌握PID控制器的控制規(guī)律，學(xué)會使用利用PLC軟件中的指令向?qū)瓿蓪ID的組態(tài)，借助編程軟件中PID參數(shù)自整定和PID調(diào)節(jié)控制面板兩項(xiàng)功能輕松實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定。利用定時中斷周期性的采集模擬輸入信號進(jìn)行處理、運(yùn)算和控制等功能。

(2)使用USS協(xié)議庫的S7-200與變頻器的通信。變頻器具有調(diào)速范圍寬、精度高、可靠性好、效率高、操作方便和便于與其他設(shè)備接口通信等特點(diǎn)，其在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。使用USS通信協(xié)議，用戶程序通過子程序調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)S7-200 PLC和西門子的變頻器之間的通信，其通信網(wǎng)絡(luò)由PLC和變頻器內(nèi)置的RS-485通信接口和雙絞線組成。對變頻器的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，PLC通過使用USS協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)對變頻器進(jìn)行初始化和控制實(shí)現(xiàn)通信。

(3)將兩臺S7-200 PLC與裝有編程軟件的計(jì)算機(jī)通過RS-485通信接口和網(wǎng)絡(luò)連接器組成一個使用PPI協(xié)議的單主站通信網(wǎng)絡(luò)。即可實(shí)現(xiàn)PPI點(diǎn)對點(diǎn)的通訊實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)兩個PLC之間的數(shù)據(jù)交換。如2號站為主站，3號站為從站，編程用的計(jì)算機(jī)的站地址為0。用2號站的I0.0～I(xiàn)0.7控制3號站的 Q0.0～Q0.7，用3號站的 I0.0 ～I(xiàn)0.7 控制2號主站的Q0.0～0.7。通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生學(xué)會用指令向?qū)?shí)現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)讀寫功能，以及通過組成PPI網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制更能。

(4)使用自由端口模式的計(jì)算機(jī)與S7-200 PLC的通信。在自由端口模式下可以使用發(fā)送指令、接收指令、接收完成中斷、字符接收中斷和發(fā)送完成中斷來控制PLC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。在該實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生利用Visual Basic(VB)語言編寫上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)PC與S7-200 PLC之間的自由端口通信模式實(shí)驗(yàn)［5］，由PLC完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制，上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的監(jiān)控、分析和修改等，給用戶提供了良好的界面。

(5)高速計(jì)數(shù)、高速脈沖輸出指令的應(yīng)用，可通過一個開放實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)和掌握。實(shí)驗(yàn)中可先用高速脈沖輸出指令得到脈沖串(PTO)輸出，該輸出一方面驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，另一方面用高速計(jì)數(shù)器對該脈沖串輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過中斷功能對脈沖串輸出進(jìn)行反復(fù)計(jì)數(shù)。

(6)組態(tài)軟件在實(shí)驗(yàn)仿真和實(shí)驗(yàn)監(jiān)控中的應(yīng)用。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常是以簡單的硬件來模擬實(shí)際的對象，如用按鈕開關(guān)和指示燈來模擬實(shí)際系統(tǒng)的輸入和輸出信號，然后實(shí)驗(yàn)中根據(jù)輸入輸出信號的狀態(tài)變化情況來驗(yàn)證程序的邏輯性是否符合編程要求。這種單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不直觀，不容易達(dá)到將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，相應(yīng)就很難調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性。而把組態(tài)軟件整合到PLC實(shí)驗(yàn)中，可將抽象的工業(yè)現(xiàn)場控制畫面通過組態(tài)軟件形象地在上位機(jī)(PC機(jī))上制作出來，并在組態(tài)王的數(shù)據(jù)詞典中定義變量，再將控制畫面中的圖做到動畫連接，這樣在組態(tài)軟件中畫面幾乎就是工業(yè)現(xiàn)場的再現(xiàn)。相應(yīng)在PLC編程軟件中編輯好程序，在PLC運(yùn)行程序的過程中，通過組態(tài)軟件會很形象地看到整個控制系統(tǒng)的控制過程，達(dá)到對控制系統(tǒng)的監(jiān)控和仿真作用。這樣可將實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程聯(lián)系起來，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而進(jìn)一步提高了學(xué)生的實(shí)踐動手能力。

另外，由于可以使用組態(tài)軟件中的圖形界面系統(tǒng)生成現(xiàn)場過程圖形畫面，即使實(shí)驗(yàn)室沒有該實(shí)驗(yàn)?zāi)K，我們同樣可以利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)各種控制裝置的模擬和仿真監(jiān)控。例如:生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)仿真、混合液體控制系統(tǒng)仿真和加工中心控制系統(tǒng)仿真等等。采用組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真既解決了實(shí)驗(yàn)?zāi)K數(shù)目和實(shí)驗(yàn)場地受限的問題，同時在利用控制系統(tǒng)軟硬件方面達(dá)到對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)［6］。

四、結(jié)束語

以上給出了基于模塊化S7-200 PLC設(shè)備的部分開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。當(dāng)然基于此設(shè)備能開設(shè)的開放實(shí)驗(yàn)還有很多，例如:文本顯示器的組態(tài)及應(yīng)用，基于觸摸屏的開放實(shí)驗(yàn)，基于PROFIBUS-DP從站模塊EM277的通信等?；谶@些開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開闊了學(xué)生的視野，讓學(xué)生深感PLC的有趣和重要性。加強(qiáng)鞏固了學(xué)生的理論知識，培養(yǎng)提高了學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力。

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