湖北西门子专业授权总代理商

近年来，随着工厂自动化系统的兴起，可编程控制器(PLC)和现场总线在工业控制中得到了广泛的应用。在工厂自动化系统中，一般利用PLC的高可靠性、模块化结构以及编程简单等特点，将其作为下位机完成实时采集和控制任务；利用现场总线系统的开放性、互用性以及系统结构的高度分散性来构筑自动化领域的开放互连系统。控制系统中的主从站结构是经常用到的通讯方式，不过以往的从站只能单纯的靠主站中存储的程序来运行，主站若发生故障，从站就不能继续工作，这样就使整个系统的连续工作能力下降，不利于企业效益的增长。要解决这一问题，可换用带CPU的智能化DP从站，它不仅能实现独立的PID控制，也能接收PROFIBUS的PLC主站或PC主站的控制数据，构成一个数字化、智能双向、多点的通信系统现场总线网络，实现优控制，而且DP从站具有可靠性高、抗扰能力强、、维护方便的特点，因而可以很好的解决上述问题。
1  通讯结构
    CPU315-2DP是西门子生产的S7系列产品，它的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口。AriCon 211-DP是北京金自天正智能控制股份有限公司(以下简称金自天正公司)的产品，它的CPU上也集成有PROFIBUS-DP通讯接口。

    MPI：MPI（Multi Point Interface）数据线用来连接PC机的串口和CPU315-2DP的通讯口。它是通过一个西门子生产的PC适配器把PC机的串口转化为MPI协议的。
RS232C：RS232C(RS表示Recommended Standard，C代表RS232新定义的一个型号)是目前PC机与通信工业中应用广泛的一种串行接口。它被定义为连接数据终端设备（DTE）和数据电路设备（DCE）的电缆中的信号电特性，是一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准，采取不平衡传输方式，即单端通讯。RS232C适用于近距离传输。连接方式如图2所示。

PROFIBUS-DP（Process FieldBus）：采用RS485传输技术通讯，波特率可选9.6Kbps～12Mbps，电缆的大长度就取决于所选用的波特率。线路的两端带有终端传输电阻，介质为带屏蔽的双绞电缆。在这一级，PLC通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯。

2  硬件部分
2.1  CPU315-2 DP
其主存储器的大存储量为512KB，CPU能多处理82K语句，并提供大8192个标记，512个定时器和512个计数器。同时CPU可扩充到1024DI/DO或128AI/AO。它的强大功能也可用一个集成的PROFIBUS-DP接口达到，并可作为主设备或从设备设置。多可将125个PROFIBUS-DP站连接到主设备。数据传输率为12Mbps。分布式I/O以与中央I/O完全相同的方式(即用STEP 7)进行配置和编程。它的通信协议芯片SPC3集成了DP协议中的FDL层，可以承担通信部分的微处理器负载，实现DP从站通信处理。
2.2  AriCon 211-DP
可用符合IEC61131-3标准的AriOCS对其组态编程，具有高灵活性，可以连接32个功能模块（数字I/O、模拟I/O、脉冲计数、通讯等）。具有极快的扫描周期，可连接附加的外部存储器，无需MPI适配器。大传输率为12Mbps。组态好的数据要使用RS232C下装到模块的CPU中。
3  软件部分
由PROFIBUS总线构成的现场总线控制器的软件包括：PROFIBUS总线设备的配置软件、驱动软件、组态软件和应用程序等。它们具有以下功能：主站和远程从站的参数设定，主站对从站的数据读写、图形组态、数据库建立与维护、数据统计、报表打印、故障报警，应用程序的开发、调试、运行等。其中，配置软件和驱动软件由设备厂商提供，组态软件可采用STEP7等通用型软件。
本次实验所有的软件都基于Microsoft bbbbbbs NT系统，有良好的用户界面，其功能也都相当完善和实用，使用非常方便。
3.1  编程组态软件STEP7
STEP7是西门子开发的一套SIMATIC 工业软件。它功能非常强大，不仅对开关量有完善的指令，而且在处理模拟量时也有丰富的指令系统。可以使用任何一种编程语言，如STL（语句表）、FBD（功能块图）和LAD（梯形图），可随心所欲的从一种语言切换到另一种。硬件配置工具和试验工作方式的切换设备以及指令集（存有丰富的指令），即使是非常复杂的功能也能简便地编程。地址的分配和安装模块的组态是西门子STEP7管理器的一个功能，在这里，模块作为一个实际的PROFIBUS主站系统出现。完成的工程通过串口MPI传送给CPU。
3.2  组态软件AriOCS
AriOCS是金自天正公司开发的专用于IEC1131-3 AriCon CPU21x编程组态的软件，采用IEC标准规定的五种语言。它支持在线调试修改和离线仿真，调试功能非常丰富，具有在线帮助功能。另外，它还附带了一个参数配置软件WinNCS。
3.3  文件
PROFIBUS设备具有不同的性能特征，主要表现在现有功能（即I/O信号的数量和诊断信息）的不同或可能的总线参数，例如波特率和时间的监控不同。这些参数对每种设备类型和每家生产厂来说均有差别，为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，这些特性均在电子数据单中具体说明，有时称为设备数据库文件（即文件）。使用基于的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在一个总线系统中。文件由生产厂商分别针对每一种设备并以设备数据库清单的形式提供给用户，此种文件格式便于读出任何一种PROFIBUS-DP设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。
4  操作过程
将所有设备按照图1所示顺序连接好。
PROFIBUS通信协议将网络中通讯参与者分为主站和从站：主站首先要向从站发送通讯请求指令，从站根据请求指令中指定的内容向主站发回数据。一个主站可以向多个从站发送通讯请求，并利用从站地址（SLAVE ADDRESS）或从站识别码（SLAVE ID）来区分。
智能从站与普通从站的大区别就是带有自己的CPU，因此，它除了处理来自主站的数据外，还要处理本身的I/O数据，并且必须确保两种数据不重叠。在给主站组态的同时，也要给从站组态。
主站的CPU必须从FFh到00h记数，并且要先把来自智能从站的数据传送到主站的输出模块，然后，主站再把自己的数据传送给智能从站。从站接收到的数据必须保存在CPU外围模块的输入区域，并且通过背板总线传送给输出模块。另一方面，智能从站要从00h到FFh记数。这些数据也必须被保存到从站CPU的输出区域，然后通过PROFIBUS传送到主站，主站再传给输出模块。以此做周期性循环。
这里对以下数据进行组态：
①主站：PROFIBUS地址            1
输入区域        从10开始   字节长度：2Byte
输出区域        从20开始   字节长度：4Byte
②智能从站：PROFIBUS地址        2
输入区域        从30开始   字节长度：4Byte
输出区域        从40开始   字节长度：2Byte
参数数据  从50开始  字节长度：24Byte(固定)
诊断数据  从60开始  字节长度：6Byte(固定)
状态数据  从100开始  字节长度：2Byte(固定)
组态好的PROFIBUS地址必须与CPU模块上拨码开关设定的地址一致。
输入输出区域中的数据是映射到对方CPU中的数据：主站的输入对应于从站的输出，它们的字节长度要相等；而主站的输出则对应于从站的输入，它们的字节长度也要相等。
用STEP7给主站CPU315-2 DP组态，组态好的数据通过MPI电缆下装到主站的CPU中。在STEP7中，为主站编程。

其中：M0.0为中间变量，Q1.0对应于主站所带的I/O模块地址，而Q20.0则为映射到智能从站的数据，它对应着智能从站的Q30.0。
智能从站的组态采用组态软件AriOCS，组态好的数据通过RS232C传送给AriCon 211-DP。在AriOCS中，为智能从站编程。

其中：I30.0为映射到主站的数据，而Q2.7则对应于智能从站所带的I/O模块地址。
PROFIBUS通信协议保障了通信的高可靠性，不过这要以硬件和软件设计为基础。在通信接口连接时，必须遵循一定的规范，如信号的隔离、总线接口与收发器间避免线路过长等。这样，主从站就可以实现数据的通讯了。
5  结语
本次实验主要是实现了PLC与智能从站之间的数据通讯。使用智能从站的大好处在于，当主站出现故障停止运行时，智能从站因自身带有CPU，组态的数据都存在自己的CPU中，所以能够继续运行，而不受主站的影响，极大的提高了系统连续工作的能力，该方法值得推广应用。

培养学生掌握一定的操作技能，是各类职业技术教育的一项重要任务。目前，我国职业技术技能人才的紧缺已制约了中国经济快速向前发展，大力发展职业技术教育，加强中、技术技能人才的培养已成为当务之急。因此，职业技术学校作为培养合格技术技能人才的基地之一，理应承担起这一社会责任。从另一个角度来讲职业技术教育要提高自身的社会竞争能力，就要提高办学质量和水平，突出教学特色，适应当前社会的经济发展和科技进步，培养学生具有较强的实践操作能力和一定的创新能力、创业能力；特别是重点培养学生解决生产企业中实际问题的能力，以满足市场经济条件下的社会和企业的发展需求已经刻不容缓。目前，实用型技术人才有着较为广阔的市场需求，所以“维修电工”的含义已不仅仅是传统上的操作和维修了，必须在内容的设置方面充实新的知识和内容。电气维修如果还只是单纯停留在继电器、接触器控制上就不能满足企业的技术要求。为此，除了要求学生掌握基本的理论知识外，更要突出学生的实践技能和水平。让学生在校学习期间就能在实际操作技术方面达到符合生产实际需要的标准，否则就会被市场需求所淘汰。因此，在维修电工教学中充实可编程控制器及其应用的课题势在必行。那么能否舍弃基础教学环节而急于求成呢？我作为一名职业技术学校电气技术的实习指导教师，经过多年的生产实习教学和实践，有如下一些体会：

一、        欲速则不达。培养学生水平和实践能力要耐心引导，抓好教学的基础训练和学习。

技术学校的学生学习基础参差不齐，在教学上必然存在困难，这就要求我们指导教师基本功要扎实，理论水平要高，因地制宜的安排好教学内容的顺序；才能发挥这些学生的长处并增强其信心，提高他们克服学习困难的勇气，从而让学生由简到繁的掌握各个课题的控制原理和工艺要求。可以说所有的技工学校都是根据国家劳动和社会保障部技工学校电工类的教学大纲，并结合各自的实际情况制定各自的教学计划。我校也有自己的模式和特色，且在教学实践中不断的探索和完善。例如二年级的实习课程已涉及机床控制电路的学习，如何使学生领会控制原理，提高学生独立安装、维修操作的水平是本实习教学的重点。为了解决这些问题，一些教师只强调多学多练，这固然重要。然而电器电路的安装及维修，不是单纯强调多练就能从根本上解决问题的。因为控制电路是多种多样的，不同的控制对象有不同的控制电路且方法、元件亦有多种，故接线方式方法就会各不相同；造成的故障现象也是多种多样、意想不到的。因此，只有利用控制原理去分析其原因，确定、缩小故障可能出现的范围，才能快捷地查找出故障点。如果不用电工理论去深刻领会控制原理，只凭多做多练是难以安装出高质量的电路控制板的，更谈不上电路维修了。所以没有一定的电工控制理论基础是学不好维修电工实习课程的，于是我翻阅了实习用的相关教科书，发现机床控制电路不外乎是基本逻辑控制电路。为此，我把学生可以理解和接受的逻辑代数中的逻辑与、逻辑或、和逻辑非的控制关系介绍给同学们，让他们在学习中具备基本的控制理论。而这些知识恰恰与工教学中的数字电路知识和可编程控制器应用技术是紧密联系的。这样既使学生掌握电路的基本分析方法、了解简单机床控制电路的设计技巧，增加了学生的学习兴趣；又为将来步入工学习PLC、复杂设备的维修奠定了基础。

在此基础上，把学生熟悉控制电路、巩固控制理论知识和工艺安装训练依据他们接受的顺序按照步骤安排学生们进行练习。首先要求学生不考虑配线工艺，根据电气控制原理图在电器安装板上用BVR软导线和实际器件装接。完成后在不通电情况下，组织学生利用万用表进行自查和互查，进一步使学生熟悉所学电路、提高自主学习的兴趣和信心，后老师检查无误再通电试车。由于没有配线工艺的要求，学生可以集中精力掌握和熟悉控制电路，由简到繁、由浅入深、多学多练，使学生学到的控制理论知识马上得到运用和验证，既节省了大量用于安装工艺训练的时间，又大大提高了学生掌握和熟悉控制电路的接受效率。接下来在学生已经掌握控制电路的基础上，再要求学生注重安装工艺技能的练习和掌握，包括电器元件在安装板上的位置要与布线要求、维修方便、美观合理等因素综合考虑。此时的学生已经对电路的器件构成、电路形式、工作原理有了较深刻和直观的认识，接受上述装配工艺要求自然就不困难了。通过实践，这样安排教学便于学生接受机床配电这一单元的知识，并能使学生做到知识上的融会贯通，从而有效的提高了教学效率的同时，提高了学生的技术理论知识和分析解决实际问题的操作技能水平与能力。

二、    以市场导向为根本立足点，注重学生能力的培养。

随着经济的发展和科技的进步，机械行业已经从机械化向智能化方向发展，加工手段已经由技术型向智能型转化。原来有继电器控制的生产设备，因其控制装置体积大、耗电多、可靠性差、改变生产程序不方便等缺点已不能满足产品多元化生产方式的需要。而可编程控制器正是综合计算机技术、自动控制技术以及通讯技术发展起来的新一代工业自动化控制装置。它以其控制能力强、改变生产程序灵活方便、可靠性高等特点，在工业自动化控制中显示出较大的优越性。因此它在自动化控制中得到了广泛应用，使自动化设备不断优化、升级，因而具有广阔的培训前景。目前可编程控制器的应用在我国有了很大的发展，并取得了良好的经济效益，但由于企业现有技术工人在这方面知识欠缺，难以承担设备维修、程序调整等任务，故在一定程度上影响了企业生产的正常运行。所以我认为技术学校教学内容的设置一定要放宽眼界，瞄准市场的要求，以培养生产一线所需的劳动者为突破口。为此，我校在完成了电力拖动单元电路和机床控制电路的教学内容基础上，紧随其后安排了可编程控制器这一内容；既使继电器控制的教学内容得到合理的延伸，又降低了教学上的难度便于学生理解和掌握，收到了较好的教学效果。因为学生在前面学习继电接触器控制课题上有了较扎实的基础，况且可编程控制器又与以往的接触器控制有相同和相似之处，故学生学习起来感觉知识内容既连贯又易于掌握和接受。事实证明，这样做还是符合教学规律的。可编程控制器是按照用户的控制要求编写程序来进行的，而程序的编制就是用一定的编程语言把一个控制任务描述出来。我们在教学中采用的是梯形图这种图形语言，因为它沿用了传统的继电接触器控制中的继电器触点、线圈、串并联等术语和图形符号，而且还加进了许多功能强而又使用灵活的指令，将微机的特点结合进去，似的编程容易。梯形图比较形象、直观，对于熟悉继电接触器控制系统的学生来说也易于接受。这种编写程序的语言表达方式，使学生们在学习进程中也很感兴趣。但教学中模拟实验设备的选择会在一定程度上影响教学效果。所以，在模拟实验编程程序时，对于可编程控制器各种输入输出来讲既形象又直观，并且可以根据教学、考核需要，将设备各独立的控制环节有机结合，精心编排，设计例题。例如：在基本指令和梯形图设计的课题中，可以结合前面所学的电力拖动单元控制电路或机床控制电路进行编程练习和程序的相互修改练习，也可以分别利用1—3台电动机的简单运动进行编程练习。以此来充分发挥设备各控制环节与教学、考核内容之间的联系，较好的完成教学、考核任务，达到一机多用的目的。值得一提的是，可编程控制器技术是一门建立在微机技术及电气自动化控制基础上的学科。实习指导教师和理论课教师应积极地通过自学、培训等方式尽快掌握熟悉它，以更好的胜任不断发展的教学工作。

三、可编程控制器的教学体会和探讨。

可编程控制器虽然型号、系列、厂家多种多样，但是它们都是采用逻辑指令、梯形图的编程方式。可以通过对某一品牌可编程控制器编程的学习，达到触类旁通的目的。例如我校采用的就是松下FP1系列C16和C24两种型号的可编程控制器。它的编程设备有两种：即便携式编程器和利用编程软件在计算机上编程。考虑到便携式编程器的编程功能所限：体积小、不占空间、但显示屏幕只能显示当前的一条程序指令、前后指令语句只能逐条翻滚显示、一旦输入错误指令不便于操作者对整个程序的检查和修改且无法在bbbbbbs界面下直接利用梯形图编程显示。而利用已经淘汰的IBM80386以上兼容机配以NPST-GR编程软件来取而带之，完全可以改善上述不足，且在编程过程中极大的方便了操作者对所编程序随时进行检查和修改，使用效果优于便携式编程器。与此同时还节省了每台可编程控制器另外配备一台便携式编程器所带来的不必要的开支。我校所建的PLC机房共投资了25台可编程控制器，编程器全部采用IBM80386计算机配备编程软件，这样算下来可省去25台便携式编程器的额外开销。同时，使用计算机编程软件进行教学，不但克服了编程器的局限性，还有许多优点：诸如易实现网络化教学、脱机编程减少教学设备投入、学生上机实习或考核的时间不再受PLC机器数量的限制等。

通过一段时间的教学实践，使我感到可编程控制器技术是一门理论性、趣味性、实践性都很强的课程，而它又与机床电器控制电路有着密不可分的紧密联系。只要我们从教学实践出发，抓好教学的基础训练，以市场需求和导向为根本立足点，合理安排好教学内容的先后顺序，注重学生学习兴趣和能力的培养，就一定能确保教学质量，在教学中取得很好的社会效益和经济效益的。也只有这样，我们的职业技术教育才能在激烈的市场竞争中求得发展，焕发出勃勃的生机与活力。