项目目7 水箱水位控制水箱水位控制2021/6/161任务7.1S7-200的网络通信技技术理理论S7-200PLC的通信的通信1概述概述S7-200的通信功能强，有多种通信方式可供用户选择。在运行Windows或Windows NT 操作系统的个人计算机（PC）上安装了编程软件后，PC可作为通信中的主站。（1）单主站方式单主站与一个或多个从站相连，如图7-1-1所示。SETP-Micro/WIN 32每次和一个S7-200CPU通信，但是它可以访问网络上的所有CPU。2021/6/162（2）多主站方式通信网络中有多个主站，一个或多个从站。图7-1-2和图7-1-3中带CP通信卡的计算机和文本显示器TD200、操作面板OP15是主站，S7-200CPU可以是从站或主站。2021/6/163（3）使用调制解调器的远程通信方式利用PC/PPI电缆与调制解调器连接，可以增加数据传输的距离。串行数据通信中，串行设备可以是数据终端设备（DTE），也可以是数据发送设备（DCE）。S7-200系列PLC单主站通过11位调制解调器（Modem）与一个或多个作为从站的S7-200CPU相连，或单主站通过10位调制解调器与一个作为从站的S7-200CPU相连。（4）S7-200通信的硬件选择表7-1-1给出了可供用户选择的SETP-Micro/WIN 32支持的通信硬件和波特率。2021/6/1642021/6/1652利用利用PPI协议进行网行网络通信通信PPI 通信协议是西门子专为S7-200 系列PLC 开发的一个通信协议，可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网，波特率为9.6kbit/s 19.2kbit/s 和187.5kbit/s 。S7-200 系列CPU 上集成的编程口同时，就是PPI 通信联网接口利用PPI 通讯协议进行通信非常简单方便，只用NETR 和NETW 两条语句，即可进行数据信号的传递，不需额外再配置模块或软件。3利用利用MPI协议进行网行网络通信通信 MPI协议总是在两个相互通信的设备之间建立逻辑连接。MPI协议允许主主和主从两种通信方式。选择何种方式依赖于设备类型。如果是S7-300CPU，由于所有的S7-300CPU都必须是网络主站，所以进行主主通信方式。如果设备是S7-200CPU，那么就进行主从通信方式，因为S7-200CPU是从站。2021/6/1664利用利用PROFIBUS协议进行网行网络通信通信 PROFIBUS是世界上第一个开放式现场总线标准，目前技术已成熟，其应用领域覆盖了从机械加工、过程控制、电力、交通到楼宇自动化的各个领域。在S7-200 系列PLC的CPU中，CPU22X都可以通过增加EM277 PROFIBUS-DP 扩展模块的方法支持PROFIBUS DP 网络协议。最高传输速率可达12Mbit/s。采用PROFIBUS的系统，对于不同厂家所生产的设备不需要对接口进行特别的处理和转换，就可以通信。西门子S7通过PROFIBUS现场总线构成的系统，其基本特点如下：PLC、I/O模板、智能仪表及设备可通过现场总线连接，特别是同厂家的产品提供通用的功能模块管理规范，通用性强，控制效果好。I/O模板安装在现场设备（传感器、执行器等）附近，结构合理。信号就地处理，在一定范围内可实现互操作。编程仍采用组态方式，设有统一的设备描述语言。传输速率可在9.6kbs12Mbs间选择。传输介质可以用金属双绞线或光纤。2021/6/167（1）PROFIBUS的组成 PROFIBUS-DP（Distributed Periphery 分布I/O系统）PROFIBUS-DP是一种优化模板，是制造业自动化主要应用的协议内容，是满足用户快速通信的最佳方案，每秒可传输12兆位。可以用于设备级的高速数据传输，远程I/O系统尤为适用。PROFIBUS-PA（Process Automation 过程自动化）是为PA主要用于过程自动化的信号采集及控制，它是专为过程自动化所设计的协议，可用于安全性要求较高的场合及总线集中供电的站点。PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification 现场总线信息规范）FMS是为现场的通用通信功能所设计，主要用于非控制信息的传输，传输速度中等，可以用于车间级监控网络。2021/6/168（2）PROFIBUS协议结构PROFIBUS协议以ISOOSI参考模型为基础。第一层为物理层，定义了物理的传输特性；第二层为数据链路层；第三层至第六层PROFIBUS未使用；第七层为应用层，定义了应用的功能。（3）传输技术RS-485RS485是PROFIBUS使用最频繁的传输技术，具体论述参见前面有关章节。IECll58-2根据IECll58-2在过程自动化中使用固定波特率31.25kb/s的同步传输，它可以满足化工和石化工业对安全的要求，采用双线技术通过总线供电，这样PROFIBUS就可以用于危险区域了。光纤在电磁干扰强度很高的环境和高速、远距离传输数据时，PROFIBUS可使用光纤传输技术。2021/6/169（4）PROFIBUS介质存取协议PROFIBUS通信规程采用了统一的介质存取协议，此协议由OSI参考模型的第二层来实现。在PROFIBUS协议设计时充分考虑了满足介质存取控制的两个要求，即：在主站间通信时，必须保证在分配的时间间隔内，每个主站都有足够的时间来完成它的通信任务，在PLC与从站（PLC或其他设备）间通信时，必须快速、简捷地完成循环，进行实时的数据传输。为此，PROFIBUS提供了两种基本的介质存取控制：令牌传递方式和主/从方式。（5）S7-200CPU接入PROFIBUS网络S7-200CPU必须通过PROFIBUS-DP模块EM277连接到网络，不能直接接入PROFIBUS网络进行通信。EM277经过串行I/O总线连接到S7-200CPU。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277模块。这个端口支持9600b/s12Mb/s之间的任何传输速率。EM277模块在PROFIBUS网络中只能作为PROFIBUS从站出现。2021/6/16105利用利用ModBus协议进行网行网络通信通信 STEP7 Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通信设计的预先定义的专门的子程序和中断服务程序，从而与Modbus主站通信简单易行。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，具有较广泛的应用。在Modbus网络上转输时，标准的Modbus口是使用与RS-232C兼容的串行接口，它定义了连接口的引脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。ModBus查询回应周期：查询消息包括功能代码、数据段、错误检测等几部分。回应消息包括功能代码、数据段、错误检测等几部分。ModBus数据传输模式。2021/6/16116S7-200通信部件介通信部件介绍（1）通信端口S7-200系列PLC内部集成的PPI接口的物理特性为RS-485串行接口，为9针D型，该端口也符合欧洲标准EN50170中PROFIBUS标准。在进行调试时，将S7-200与接入网络时，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见表7-1-2。2021/6/1612（2）PCPPI电缆用计算机编程时，一般用PC/PPI(个人计算机/点对点接口)电缆连接计算机与可编程序控制器，这是一种低成本的通信方式。PCPPI电缆外型如图7-1-4所示。2021/6/16136S7-200 PLC通信功能通信功能实现（1）自由端口通信实现S7-200系列PLC的串行通信口可以由用户程序来控制，这种由用户程序控制的通信方式称为自由端口通信模式。通信所使用的波特率、奇偶校验以及数据位等由特殊存储器位SMB30（对应端口0）和SMB130（对应端口1）来设定。特殊存储器位SMB30和SMB130的具体内容图7-1-7所示。2021/6/1614例7-1-1】当输入信号I0.0接通并发送空闲状态时，将数据缓冲区VB200中的数据信息发送到打印机或显示器。分析：首先利用首次扫描脉冲，进行自由端口通信协议设置，初始化自由端口；然后再发送空闲时执行发送命令。对应梯形图如图7-1-8所示。2021/6/1615（2）网络模式下的通信实现S7-200系列PLC的网络连接形式点对点通信网络：这种形式采用一根PC/PPI电缆，将计算机与PLC连接在一个网络中，PLC之间的连接则采用网络连接器完成，这种网络使用PPI协议进行通信。如图7-1-11所示。2021/6/1616多点网络在计算机或编程设备中插入一块MPI卡或CP卡，可以将计算机或编程设备直接通过RS-485电缆与S7-200系列PLC进行相连，这种网络使用MPI通信协议。如图7-1-12所示。2021/6/1617PROFIBUS网络S7-200网络系列PLC通过EM277 PROFIBUS-DP模块可以方便的与PROFIBUS现场总线连接，进而实现抵挡设备的网络运行。如图7-1-13所示。2021/6/1618网络读/写通信指令在SIMATIC S7的网络中，S7-200被默认为从站。只有在采用PPI通信协议时，有些S7-200系列的PLC允许工作于PPI主战模式。网络读写指令格式及功能如表7-1-7所示。2021/6/1619任务7.2使用文本显示器技技术理理论使用使用TD400C文本文本显示器示器1概述概述TD400C与设备的连接。图7-2-1给出了连接编程设备、S7-200 CPU和TD400C的实例。TD400C的组态是在编程设备上使用的组态软件来创建的。在组态后，TD400C即可与S7-200 CPU进行通信。2021/6/1620TD400C面板及其说明：TD400C的功能：显示报警允许调整指定的程序变量允许强制/取消强制输入/输出点允许为具有实时时钟的CPU设置时间和日期查看层级用户菜单及屏幕，以便于和应用程序或过程进行交互查看CPU状态2021/6/1621TD400C功能键说明如表7-2-1所示。2021/6/16222组态画面画面创建自定义面板的步骤：启动STEP 7-Wicro/WIN，点击工具窗口中的Keypad Designer图标或者，启动面板设计窗口，在窗口中选择“文件”菜单中的“新建”来创建新的布局。如图7-2-3所示TD400最多具有15个可定义的按键。2021/6/16233使用使用“文本文本显示向示向导”为TD400C组态S7-200 CPU使用“文本显示向导”组态TD400C在工具窗口中“向导”下选择“文本显示”命令，或者在“工具”菜单使用“文本显示向导”命令，打开“文本显示向导”窗口。2021/6/16242021/6/1625在接下来的配置键盘按键窗口中，可以创建自己定义的键盘，并将该组态保存为一个文件（*.td），可以将该组态文件载入“文本显示向导”，来更新按键表和按键符号。2021/6/1626接下来的步骤是选择“用户菜单”，下一步进入“定义用户菜单“窗口：2021/6/1627成TD400C的组态前，系统需要为组态分配311个字节的V存储区，输入起始地址或接受建议地址。在完成TD400C的组态后，文本显示向导会列出一些该向导生成的组件，可以用于用户自己的程序中。输入TD组态的名称，则STEP 7-Micro/WIN将在项目树中为TD组态创建条目。TD_CTRL_x（其中，x是TD组态编号）：该子程序确保可以立即实施对TD400C的所有更新，每次扫描时，用户程序应使用SM0.0来调用子程序。TD_ALM_x（其中，x是TD组态编号）：用户程序使用此子程序通过符号名来调用报警。2021/6/16282021/6/1629工作任工作任务实施施1分析分析本项目是一个简单的实现文本显示器与PLC通信的程序，按要求正确连接设备，然后再软件配置环境实现组态即可。并编写一个PLC程序实现对文本显示器调整的值进行使用即可。2设计按任务要求完成设计，需要灵活并创新。编写相关控制程序，并予以测试。本项目的相关解答不予提供。3施工施工断电状态下进行设备安装和接线。连接PC/PPI电缆，运行STEP Micro/WIN32编程软件，检测通讯是否正常。组态控制画面。编写控制程序，编译、下载并运行，检查测试系统是否按要求工作。4评价价（1）考核学生实践活动，并给以成绩评价。（2）汇总整理并编制报告。2021/6/1630巩固与拓展巩固与拓展训练PLC连接TD400C文本显示器，实现通过文本显示器实现密码控制的系统。要求：系统内有4个字节单元存储4位密码，通过文本显示器4个输入窗口输入四位密码，按确认件后，PLC程序进行判断比较，通过后启动系统（Q0.4有效）。密码有三次机会，每一次输入密码错误后，文本显示器显示报警屏幕。三次全部输入错误，系统报警（Q0.0控制一盏红色指示灯，间隔1秒闪烁；Q0.1控制扬声器）。2021/6/1631任务7.3水箱水位控制技技术理理论模模拟量量处理与理与PID控制控制1EM231模模拟量量输入模入模块（1）EM231模拟量输入模块EM231模拟量输入模块可连接4个模拟量回路的输入信号，经输入滤波电路通过多路转换开关送入差动放大器，差动放大器输出的信号经增益调整电路进入电压缓冲器，等待模数转换，模数转换后的数字量直接送入PLC内部的模拟量输入寄存器AIW中。图7-3-2是EM231模拟量输入模块输入回路框图。2021/6/1632（2）EM231模拟量输入模块的性能：数据格式：对单极性为-32000+32000，对单极性为032000。输入阻抗：10M。最大输入电压：DC32V。最大输入电流：32mA。分辨率：最小满量程电压输入时为1.25mV，电流输入时为5uA。输入类型：差分输入型。输入电压范围：对单极性为05V或010V，对双极性为 5V或 2.5V。输入电流范围：020mA。模拟量到数字量的转换时间：250us。2021/6/1633（3）信号整定使用EM231模拟量输入模块时，首先要根据信号的类型及范围通过模拟量模块上的DIP开关进行参数设定。如表7-3-1所示。2021/6/1634选择好DIP开关的设置后，就需要对输入信号进行整定，具体做法是：断电环境下，通过DIP开关设定输入信号及其范围。接通电源，使模块带电工作15分钟。用一个电压源（或电流源），给模块一个零值信号。读取模拟量输入寄存器AIW的值，获得偏移误差：输入为0时，模拟量模块产生的数字量偏差量。该误差在模块中无法得到校正。将一个工程量的最大值加到模拟量模块输入端，调节增益电位器，直到AIW的读数为32000，或所需要的值。2021/6/1635图7-3-5为EM231外部接线图。2021/6/16362EM232模模拟量量输出模出模块（1）EM232模拟量输出模块的内部结构及数据格式EM232模块模拟量输出的过程是将PLC模拟量输出寄存器AQW中的数字量转换为可用于驱动执行元件的模拟量，其外部接线端子如图7-3-6所示。2021/6/1637（2）EM232模拟量输出模块的输出性能EM232模拟量输出模块的输出特性如表7-3-2所示。2021/6/16383EM235模模拟量量输入入输出模出模块EM235模拟量输入输出混合模块外部接线图如图7-3-8所示。该模块可以连接4个模拟量输入回路的输入信号及1个模拟量输出回路的输出信号。（1）EM235模拟量输入输出模块的输入输出特性EM235模块的输出特性同EM232模块。2021/6/1639（2）EM235模拟量输入输出模块的使用使用EM235模拟量输入输出混合模块时，主要应根据输入信号的范围对EM235模块的输入信号进行整定，整定后的关系曲线如图7-3-9所示。其整定步骤如下：断电环境下，通过DIP开关选择输入信号及其范围。接通电源，使模块带电工作15分钟。用一个电压源给模块一个零值信号。调节偏置电位器（如图7-3-10所示），使模拟量输入寄存器的读数为零或为所需要的数值。将一个满刻度的信号加到模块输入端，调节增益电位器，直到读数为32000，或为所需要的值。2021/6/16402021/6/16414模模拟量量输入信号的整定入信号的整定模拟量输入信号的整定通常需要考虑以下问题。（1）模拟量输入值的数字量表示方法（2）模拟量输入值的数字量表示范围（3）系统偏移量是指在无模拟量信号输入情况下由测量元件的测量误差及模拟量输入模块的转换死区所引起的具有一定数值的转换结果。（4）过程量的最大变化范围（5）标准化问题（6）数字量滤波问题2021/6/16425模模拟量量输出信号的整定出信号的整定拟量输出信号的整定就是要将PLC的运算结果按照一定的函数关系转换为模拟量输出寄存器中的数字值，以备模拟量输出模块转换为现场需要的输出电压或电流。6PID指令指令在工业生产过程控制中，模拟信号PID调节是常见的一种控制方法，PID控制系统结构图如图7-3-14所示。2021/6/1643典型的PID算法包括三项：比例项、积分项和微分项。即：输出=比例项+积分项+微分项。（1）PID算法连续系统的PID算法连续系统PID调节的微分方程式由比例项、积分项和微分项3部分组成。如式（7-3-1）所示2021/6/1644积分、微分时间常数的物理意义积分时间常数TI：在式（7-3-1）中设偏差e(t)为常量C，则比例项为所以积分项为TI、TD常数的物理意义如图7-3-15所示。2021/6/1645离散系统的PID算法2021/6/1646由式（7-3-4）可以看出，积分项包括自第一次采样到当前采样时刻的所有偏差；微分项由本次和上次采样值所决定；而比例项仅由本次采样值所决定。在PLC中要存储所有采样的偏差值是不实际的，也不是必要的。由于PLC从第一次采样开始，每有一个采样偏差值必须计算一次输出值，所以只需保存上一次的偏差值和上一次的积分项即可。利用PLC处理的重复性，可以将式（7-3-4）简化为式（7-3-5）的形式。2021/6/1647（2）PID控制回路选项PID控制回路的参数表如表7-3-6所示。运行PID控制指令，S7-200将根据参数表中的输入测量值、控制设定值及PID参数，进行PID运算，求得输出控制值。参数表中有9个参数，全部为32位的实数，共占用36个字节。2021/6/1648（3）PID控制回路输入量的标准化和转换步骤如下：将实际值从16位整数转换成32位浮点数或实数。将实数转换成0.0至1.0之间的标准化数值。PID回路输出转换为成比例的整数（4）PID指令PID指令格式及功能如表7-3-7所示。2021/6/1649 结束束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！