基于模块化S7-200 PLC的开放实验研究与实践

张 祥，杨志刚

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074)

可编程序控制器(PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置［1］。目前PLC已成为现代工业控制装置的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM)之一，PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛应用于各个领域的自动控制系统中。现PLC仍处于不断的发展之中，其功能不断增强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。

PLC是一门实践性很强的学科，实践环节至关重要，只有通过实际操作，才能学通学透可编程控制器技术。但由于受该课程所开设的实验课时的限制，一般在所配套开设的实验内容还仅局限于数字量实验。如基本指令编程练习、四节传送带模型控制、自动配料和十字路口交通灯模型控制等，这部分实验内容是基础、必修的。而在工业自动化生产过程中，常常需要对一些连续型的物理模拟量、脉冲量进行控制，且对于实验室配备的 S7-200 PLC模块中的高级实用、丰富的扩展功能模块从未涉及。例如:PLC对模拟量的控制、PLC与变频器的通信以实现对变频器的控制、PLC对文本显示器对触摸屏等的控制。考虑到学生的接受能力差异和实验条件限制，此部分实验内容最适宜于作开放性实验［2］。

一、模块化S7-200 PLC实验设备

PLC原理及应用技术的学习和掌握需要软硬件实验平台做支持。在我校配有12台THSMS-C型网络型可编程控制器高级实验装置设备。该设备采用模块化设计，主模块中有性价比高的CPU224XP主机、EM223数字量输入输出模块和EM235模拟量输入输出模块。另配备了很多模拟实验挂箱，例如:四节传送带、自动配料系统、十字路口交通等控制、温度控制、变频调速控制、触摸屏组态控制和文本显示器控制等实验挂箱。整个实验装置项目齐全，含数字量、模拟量、脉冲量、变频调速、触摸屏、文本显示器、网络通信控制等。装置采用模块化设计，组合灵活，用户可根据不同的需要选择相应的实验挂箱组成不同的控制系统。且该实验装置形象逼真，通过本实验装置的训练，学生可快速适应工业现场的工作环境。

二、什么是开放设计性实验

在实验教学方法手段不断改变的今天，开放实验是近年来的一种新型实验教学模式。它和传统实验课程最大的不同就是改变固定的实验操作步骤，使学生做实验由被动变为主动，充分调动学生的学习积极性。同时，开放实验使学生不受专业的限制，拓展了学生的学习空间，另一方面学校的实验设备也得到了有效的利用。开放实验包含两方面的含义，即时间开放和内容开放［4］。时间上的开放不是简单地将实验室门打开延长实验时间，而是学生可以自由选择完成实验的时间，这样学生可以在时间上有较大的灵活性，提高学生学习的主动性。而内容开放是指实验内容不再是由老师指定制定，学生可根据实验室S7-200 PLC模块自行设计实验方案。将原来属于验证性的实验按设计性实验来完成，这样就成为以学生为主，教师启发与引导为辅的一种实践教学模式。学生必须独立思考，运用所学的理论知识挖掘自身的潜能设计出切实可行的实验方案。本文就是针对基于模块化S7-200 PLC设备所设计的开放实验进行研究。

三、基于模块化S7-200 PLC设计的开放实验

利用模块化S7-200 PLC实验设备除了可完成一些PLC基础编程实验外，还可以完成一些特殊功能和高级应用实验。同时也练习了Micro/Win编程环境集成的各种编程向导，主要有以下几个:

(1)PLC对模拟量温度的PID控制。该实验挂箱中的Pt100为热电偶，用来监测受热体的温度，并将采集到的温度信号送入变送器输出单极性模拟电压信号，接入EM235模块中的模拟输入通道进行A/D转换后送入CPU，经内部运算处理后，经EM235模块中模拟输出通道进行D/A转换输出模拟量电流信号到调压模块输入端，调压模块根据输入电流的大小，改变输出电压的值并送至加热器。在该实验中需用PID实现对温度的控制，通过该实验使学生掌握模拟量输入输出模块的作用，以及EM235模块与外界模拟输入信号和模拟输出信号的连接。同时，深刻理解并掌握工业现场模拟量PID控制的相关知识和实现方法，以及定时中断的使用。比如掌握PID控制器的控制规律，学会使用利用PLC软件中的指令向导完成对PID的组态，借助编程软件中PID参数自整定和PID调节控制面板两项功能轻松实现PID参数的自整定。利用定时中断周期性的采集模拟输入信号进行处理、运算和控制等功能。

(2)使用USS协议库的S7-200与变频器的通信。变频器具有调速范围宽、精度高、可靠性好、效率高、操作方便和便于与其他设备接口通信等特点，其在工业控制中的应用越来越广泛。使用USS通信协议，用户程序通过子程序调用的方式实现S7-200 PLC和西门子的变频器之间的通信，其通信网络由PLC和变频器内置的RS-485通信接口和双绞线组成。对变频器的有关参数进行设置后，PLC通过使用USS协议编程实现对变频器进行初始化和控制实现通信。

(3)将两台S7-200 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。即可实现PPI点对点的通讯实验，实现两个PLC之间的数据交换。如2号站为主站，3号站为从站，编程用的计算机的站地址为0。用2号站的I0.0～I0.7控制3号站的 Q0.0～Q0.7，用3号站的 I0.0 ～I0.7 控制2号主站的Q0.0～0.7。通过该实验让学生学会用指令向导实现上述网络读写功能，以及通过组成PPI网络扩展可实现更加复杂的控制更能。

(4)使用自由端口模式的计算机与S7-200 PLC的通信。在自由端口模式下可以使用发送指令、接收指令、接收完成中断、字符接收中断和发送完成中断来控制PLC与计算机或其他具有串行通信接口的设备进行通信。在该实验中让学生利用Visual Basic(VB)语言编写上位机程序，实现PC与S7-200 PLC之间的自由端口通信模式实验［5］，由PLC完成对现场设备的控制，上位计算机实现对过程参数的监控、分析和修改等，给用户提供了良好的界面。

(5)高速计数、高速脉冲输出指令的应用，可通过一个开放实验来学习和掌握。实验中可先用高速脉冲输出指令得到脉冲串(PTO)输出，该输出一方面驱动步进电机，另一方面用高速计数器对该脉冲串输出进行计数，通过中断功能对脉冲串输出进行反复计数。

(6)组态软件在实验仿真和实验监控中的应用。在现有的实验教学中，通常是以简单的硬件来模拟实际的对象，如用按钮开关和指示灯来模拟实际系统的输入和输出信号，然后实验中根据输入输出信号的状态变化情况来验证程序的逻辑性是否符合编程要求。这种单一的实验教学模式不直观，不容易达到将实验内容与实际工业控制系统联系起来，相应就很难调动学生的积极性和主动性。而把组态软件整合到PLC实验中，可将抽象的工业现场控制画面通过组态软件形象地在上位机(PC机)上制作出来，并在组态王的数据词典中定义变量，再将控制画面中的图做到动画连接，这样在组态软件中画面几乎就是工业现场的再现。相应在PLC编程软件中编辑好程序，在PLC运行程序的过程中，通过组态软件会很形象地看到整个控制系统的控制过程，达到对控制系统的监控和仿真作用。这样可将实验与实际工程联系起来，增加了学生的学习兴趣，从而进一步提高了学生的实践动手能力。

另外，由于可以使用组态软件中的图形界面系统生成现场过程图形画面，即使实验室没有该实验模块，我们同样可以利用组态软件实现各种控制装置的模拟和仿真监控。例如:生产流水线控制系统仿真、混合液体控制系统仿真和加工中心控制系统仿真等等。采用组态软件进行实验仿真既解决了实验模块数目和实验场地受限的问题，同时在利用控制系统软硬件方面达到对学生综合能力的培养［6］。

四、结束语

以上给出了基于模块化S7-200 PLC设备的部分开放实验项目。当然基于此设备能开设的开放实验还有很多，例如:文本显示器的组态及应用，基于触摸屏的开放实验，基于PROFIBUS-DP从站模块EM277的通信等。基于这些开放实验项目，丰富了实验内容，开阔了学生的视野，让学生深感PLC的有趣和重要性。加强巩固了学生的理论知识，培养提高了学生的科学实验素质和综合创新能力。

［1］吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用［M］.2版.北京:机械工业出版社，2004.

［2］赵岩岭，徐淑华，刘华波.基于模块化S7-200培训设备的PLC开放实验设计［J］.实验室研究与探索，2008(8):243－244.

［3］耿新.开放性实验室建设的实践与探索［J］.实验室研究与探索，2011(12):150—152.

［4］李昌春，周林.PLC可编程控器在开放实验中的构架［J］.高等建筑教育，2006(9):116 －118.

［5］廖常初.PLC编程及应用［M］.3版.北京:机械工业出版社，2008.

［6］廖艳娥，毛哲.培养学生创新能力的PLC实验教学内容改革［J］.实践实验科学，2009(4):126－127.