西門子模塊6ES7321-1FF10-0AA0

西門子擴充了旗下Simatic HMI（人機界面）面板中高性能精智面板家族的產(chǎn)品陣容，推出極其堅固的全新設(shè)備，以供在環(huán)Simatic HMI TP700和Simatic HMI TP1500精智系列戶外面板正面采用防紫外線材料，防護等級達(dá)IP65，是冷藏間、船舶和石油天然氣行業(yè)的理想之選。全新的精智系列戶外面板的工作環(huán)境溫度范圍為-30℃到60℃，環(huán)境濕度可達(dá)90%，幾乎能應(yīng)用于任何環(huán)境和行業(yè)。7英寸和15英寸寬屏高亮顯示屏，在各種光線條件下都清晰易讀，可自動調(diào)節(jié)亮度在日光下可讀的高分辨率7英寸和15英寸寬屏顯示屏，其寬高比為16:9，屏幕色彩高達(dá)1600萬色，能清晰地顯示復(fù)雜的工藝參數(shù)和整個工廠的生產(chǎn)全景。高度防眩、廣角可視及自動亮度調(diào)節(jié)功能使操作人員能輕松可靠地監(jiān)控設(shè)備。這使得用戶在多變的天氣或光線條件下也可以正常讀取數(shù)據(jù)。

可垂直安裝并能存儲足夠的電能為優(yōu)化工廠的空間利用，滿足特殊的機器設(shè)計需要，新面板還可以實現(xiàn)垂直安裝，方便以縱向模式進行操作。因為儲存有足夠的電能，即使在意外斷電的情況下，幾乎無需任何維護的精智系列戶外面板也能夠確保的數(shù)據(jù)安全，，保證所有的歸檔進程能夠正常退出，并對數(shù)據(jù)進行備份。WINCC組態(tài)，舊操作畫面可輕松導(dǎo)入目前，該系列面板正在申請應(yīng)用于危險區(qū)域的Ex2/22和FM Class I Div.2認(rèn)證以及船級社認(rèn)證。我們通過工業(yè)以太網(wǎng)（Profinet）將面板集成到自動化解決方案中，并使用TIA 博途（TIA Portal）工程軟件平臺中的Simatic WinCC工程工具進行組態(tài)。此前為其他精智系列面板開發(fā)的操作畫面可以便捷地應(yīng)用到新款面板中，只需針對戶外應(yīng)用進行特定補充。此外，西門子還為這些堅固的設(shè)備提供長達(dá)22年的服務(wù)和支持。

凡是參與人機信息交流的領(lǐng)域都存在著人機界面。目前，人機界面HMI在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但在使用人機面過程中，常常會遇到很多問題。針對這些情況，本文總結(jié)了人機界面在日常工作中常出現(xiàn)的故障及其處理的方法。
一、人機界面無響應(yīng)，按觸摸任何部位都無響應(yīng)。
處理方法：遇到這種情況，首先檢查各接線接口是否出現(xiàn)松動，然后檢查串口及中斷號是否有沖突，如果是由于沖突引起的，那么應(yīng)調(diào)整資源，避開沖突。其次，檢查人機界面表面是否出現(xiàn)裂縫，如發(fā)現(xiàn)有裂縫應(yīng)及時更換。此外，還需要檢查人機界面表面是否有塵垢，若有，用軟布進行清除。觀察檢查控制盒上的指示燈是否工作正常，正常時，指示燈為綠色，并且閃爍。如果上面的部分均正常，可用替換法檢查人機界面，先替換控制盒，再替換觸摸屏，最后替換主機。
二、人機界面正常但電腦不能操作。一臺人機界面，經(jīng)試驗其本身一切正常，但接上主機后，電腦不能操作。
處理方法：對于這種情況，原因有二。其一，可能是人機界面驅(qū)動程序版本過低，需要安裝的驅(qū)動程序。其二，可能是在主機啟動裝載人機界面驅(qū)動程序之前，人機界面控制卡接收到操作信號，只需重新斷電后，再啟動計算機即可。
三、觸摸不準(zhǔn)。一臺表面聲波人機界面，用手指觸摸顯示器屏幕的部位不能正常地完成對應(yīng)的操作。
處理方法：這種現(xiàn)象有2種原因。種可能是聲波屏的反射條紋受到輕微破壞，如果遇到這種情況則將無法*修復(fù)；第二種可能是聲波人機界面在使用一段時間后，屏四周的反射條紋上面被灰塵覆蓋，可用一塊干的軟布進行擦拭，然后斷電、重新啟動計算機并重新校準(zhǔn)。

變頻器一開，儀表信號亂跳。變頻器干擾問題四大解決方案對變頻器產(chǎn)生的諧波進行抑制處理，可選的濾波產(chǎn)品有變頻器輸入濾波器變頻器輸出濾波器變頻器輸入電抗器變頻器輸出電抗器等。在輸入電路內(nèi)串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。變頻器一開，儀表信號亂跳。變頻器干擾問題四大解決方案此外，為防止變頻器干擾信號和控制回路，需要給控制器儀表和工控機采用單獨的隔離電源進行供電。其實在現(xiàn)場簡單方法是將儀表遠(yuǎn)離變頻器。。

　一個控制系統(tǒng)的規(guī)模有時按照它大能夠控制的I/O點的數(shù)量來定的。模擬量和開關(guān)量在控制系統(tǒng)中，另一個常見的術(shù)語就是模擬量和開關(guān)量。不論輸入還是輸出，一個參數(shù)要么是模擬量，要么是開關(guān)量。模擬量指控制系統(tǒng)量的大小是一個在一定范圍內(nèi)變化的連續(xù)數(shù)值，比如溫度，從-度，壓力從-MPA，液位從-米，電動閥門的開度從-%，等等，這些量都是模擬量。而開關(guān)量指該物理量只有兩種狀態(tài)，如開關(guān)的導(dǎo)通和斷開的狀態(tài)，繼電器的閉合和打開，電磁閥的通和斷，等等。

　　對控制系統(tǒng)來說，由于CPU是二進制的，數(shù)據(jù)的每位有“”和“”兩種狀態(tài)，因此，開關(guān)量只要用CPU內(nèi)部的一位即可表示，比如，用“”表示開，用“”表示關(guān)。而模擬量則根據(jù)精度，通常需要位到為才能表示一個模擬量。常見的模擬量是位的，即精度為-，高精度約為萬分之二點五。當(dāng)然，在實際的控制系統(tǒng)中，模擬量的精度還要受模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和儀表的精度限制，通常不可能達(dá)到這么高。控制回路通常是針對模擬量的控制來說，一個控制器根據(jù)一個輸入量，按照一定的規(guī)則和算法來決定一個輸出量，這樣，輸入和輸出就形成一個控制回路。

　　但是由于RS-常常要與PC機的RS-口通信，所以實際上一般高Kbps。又由于太高的速率會使RS-傳輸距離減小，所以往往為bps左右或以下；RS-接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好；RS-接口的大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)為米bps時，實際上可達(dá)米，RS-接口在總線上是容許連接多達(dá)個收發(fā)器即RS-具有多機通信功能，這樣用戶可以利用單一的RS-接口方便的建立起網(wǎng)絡(luò)。因為RS-接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根信號線，所以RS-接口均采用雙絞線傳輸。 　　RS-的國際標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定RS-的接口連接器標(biāo)準(zhǔn)所以采用接線端子或者DB-DB-等連接器都可以。在使用RS-接口時，對于特定的傳輸線徑，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號傳輸所容許的大電纜長度是數(shù)據(jù)信號速率的函數(shù)，這個長度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。大電纜長度與信號速率的關(guān)系曲線是使用AWG銅芯雙絞電話電纜線徑為mm，線間旁路電容為PF/M，終端負(fù)載電阻為歐時所得出的。引自GB附錄A。當(dāng)數(shù)據(jù)信號速率降低到Kbit/S以下時，假定大容許的信號損失為dBV時，則電纜長度被限制在m。。

　　控制回路有開環(huán)和閉環(huán)的區(qū)別。開環(huán)控制回路，指輸出是根據(jù)一個參考量而定，輸入和輸出量沒有直接的關(guān)系。而閉環(huán)回路則將控制回路的輸出再反饋回來作為回路的輸入，與該量的設(shè)定值或應(yīng)該的輸出值作比較。閉環(huán)回路控制又叫反饋控制，是控制系統(tǒng)中常見的控制方式。下面介紹幾種常規(guī)的反饋控制的模式。二位控制這是簡單的反饋控制，有時也叫開關(guān)控制。這種控制是當(dāng)被測量達(dá)到高值或低值的時候，就給出一個開關(guān)的信號。雖然被測量可能是模擬量，但控制輸出是開關(guān)的，所以叫兩位控制。

　　在工業(yè)現(xiàn)場，有許多溫控器和液位開關(guān)控制是采用這種方式的。比例控制控制器的輸出值與被控參數(shù)的測量值和設(shè)定值或某個參考點的偏差是一個比例關(guān)系。比例控制比二位控制要平滑一些，了二位控制時會產(chǎn)生的被控量上下振蕩的情形。比如，對一個反應(yīng)罐的液位，如果設(shè)定的液位值是毫米，當(dāng)液位降低時，進料管道上的閥門就要增加開度，而液位偏高時，則要將開度減小。增加和減小的比例與液位和設(shè)定值的偏差大小成比例關(guān)系。積分控制在積分控制中，被控變量的值的變化與控制系統(tǒng)輸出控制到實際生效的時間有一個預(yù)先設(shè)定的關(guān)系。

　　一臺三墾IPKW變頻器在保修期內(nèi)損壞，上電無顯示。打開機器蓋子，仔細(xì)的觀察各個部分，發(fā)現(xiàn)充電電阻燒壞，接觸器線圈燒斷而且外殼焦糊。經(jīng)過追問，原來用戶電源電壓低，變頻器常常因為欠壓停機，就專門給變頻器配了一個升壓器。但是用戶并沒有注意到在夜間電壓會恢復(fù)正常，結(jié)果首先燒壞接觸器然后燒壞充電電阻。由于整流橋和電解電容耐壓相對較高而幸免于難。更換損壞器件修復(fù)。升降溫檢查法此法對于一些特殊的故障非常見效。人為地給一些溫度特性較差的元件加溫或降溫，產(chǎn)生“病癥”或“病癥來查找故障原因。。

　　起動制動比較頻繁，要求有較大的起動制動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械，如橋式起重機礦井提升機空氣壓縮機不可逆軋鋼機等，應(yīng)采用繞線式異步電動機。無調(diào)速要求，需要轉(zhuǎn)速恒定或要求改善功率因數(shù)的場合，應(yīng)采用同步電動機，例如中大容量的水泵，空氣壓縮機提升機磨機等。調(diào)速范圍要求在∶以上，且需連續(xù)穩(wěn)定平滑調(diào)速的生產(chǎn)機械，宜采用他勵直流電動機或用變頻調(diào)速的鼠籠式異步電動機或同步電機，例如大型精密機床龍門刨床軋鋼機提升機等。要求起動轉(zhuǎn)距大，機械特性軟的生產(chǎn)機械，使用串勵或復(fù)勵直流電動機，例如電車電機車重型起重機等。

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Modbus TCP通信概述

MODBUS/TCP是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(shè)備的MODBUS系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品，顯而易見，它覆蓋了使用TCP/IP協(xié)議的“Intranet”和“Internet”環(huán)境中MODBUS報文的用途。協(xié)議的用途是為諸如PLC’s，I/O模塊，以及連接其它簡單域總線或I/O模塊的網(wǎng)關(guān)服務(wù)的。

MODBUS/TCP 使MODBUS_RTU協(xié)議運行于以太網(wǎng)，MODBUS TCP使用TCP/IP和以太網(wǎng)在站點間傳送MODBUS報文，MODBUS TCP結(jié)合了以太網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以及以MODBUS作為應(yīng)用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表示方法。MODBUS TCP通信報文被封裝于以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)包中。與傳統(tǒng)的串口方式，MODBUS TCP插入一個標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS報文到TCP報文中，不再帶有數(shù)據(jù)校驗和地址。

1. 通訊所使用的以太網(wǎng)參考模型

Modbus TCP傳輸過程中使用了TCP/IP以太網(wǎng)參考模型的5層：

層：物理層，提供設(shè)備物理接口，與市售介質(zhì)/網(wǎng)絡(luò)適配器相兼容

第二層：數(shù)據(jù)鏈路層，格式化信號到源/目硬件址數(shù)據(jù)幀

第三層：網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)帶有32位IP址IP報文包

第四層：傳輸層，實現(xiàn)可靠性連接、傳輸、查錯、重發(fā)、端口服務(wù)、傳輸調(diào)度

第五層：應(yīng)用層，Modbus協(xié)議報文

2. Modbus TCP數(shù)據(jù)幀

Modbus數(shù)據(jù)在TCP/IP以太網(wǎng)上傳輸，支持Ethernet II和802.3兩種幀格式，Modbus TCP數(shù)據(jù)幀包含報文頭、功能代碼和數(shù)據(jù)3部分，MBAP報文頭(MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus應(yīng)用協(xié)議)分4個域，共7個字節(jié)，如圖1所示：

圖1： MODBUS TCP報文

由于使用以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)鏈路層的校驗機制而保證了數(shù)據(jù)的完整性，MODBUS TCP 報文中不再帶有數(shù)據(jù)校驗”CHECKSUM”，原有報文中的“ADDRESS”也被“UNIT ID”替代而加在MODBUS應(yīng)用協(xié)議報文頭中。

3. Modbus TCP使用的通訊資源端口號

在Modbus服務(wù)器中按缺省協(xié)議使用Port 502 通信端口，在Modbus客戶器程序中設(shè)置任意通信端口，為避免與其他通訊協(xié)議的沖突一般建議2000開始可以使用。

4. Modbus TCP使用的功能代碼

按照使用的通途區(qū)分，共有3種類型分別為：

1) 公共功能代碼：已定義好功能碼，保證其性，由Modbus.org認(rèn)可；

2) 用戶自定義功能代碼有兩組，分別為65～72和100～110，無需認(rèn)可，但不保證代碼使用性,如變?yōu)楣泊a，需交RFC認(rèn)可；

3) 保留功能代碼，由某些公司使用某些傳統(tǒng)設(shè)備代碼，不可作為公共用途。

按照應(yīng)用深淺，可分為3個類別：

1) 類別0，客戶機/服務(wù)器最小可用子集：讀多個保持寄存器(fc.3)；寫多個保持寄存器(fc.16)。

2) 類別1，可實現(xiàn)基本互易操作常用代碼：讀線圈(fc.1)；讀開關(guān)量輸入(fc.2)；讀輸入寄存器(fc.4)；寫線圈(fc.5)；寫單一寄存器(fc.6)。

3) 類別2，用于人機界面、監(jiān)控系統(tǒng)例行操作和數(shù)據(jù)傳送功能：強制多個線圈(fc.15)；讀通用寄存器(fc.20)；寫通用寄存器(fc.21)；屏蔽寫寄存器(fc.22)；讀寫寄存器(fc.23)。

5. Modbus TCP通訊應(yīng)用舉例

在讀寄存器的過程中，以Modbus TCP請求報文為例,具體的數(shù)據(jù)傳輸過程如下：

1) Modbus TCP客戶端實況，用Connect()命令建立目標(biāo)設(shè)備TCP 502端口連接數(shù)據(jù)通信過程；

2) 準(zhǔn)備Modbus報文，包括7個字節(jié)MBAP內(nèi)請求；

3) 使用send()命令發(fā)送；

4) 同一連接等待應(yīng)答；

5) 同recv()讀報文，完成一次數(shù)據(jù)交換過程；

6) 當(dāng)通信任務(wù)結(jié)束時，關(guān)閉TCP連接，使服務(wù)器可以為其他服務(wù)。

S7-300/400 的CPx43-1 MODBUS TCP 通訊(STEP7)

下面章節(jié)將介紹如何使用軟件選項包” ModbusTCP CP V4.3 "的功能塊庫配置S7-300/400單站系統(tǒng)通過CP343-1/CP443-1與第三方模擬軟件進行Modbus/TCP進行通訊的詳細(xì)步驟

1.“ ModbusTCP CP V4.3”塊庫使用說明

1) 該功能塊庫可以用于S7-300單站通過CP343-1或S7-400單站通過CP443-1進行ModbusTCP通訊。

2) 由于需要在SIMATIC站與其他通訊伙伴之間建立TCP連接用于Modbus通訊，因此需要調(diào)用SIMATIC S7標(biāo)準(zhǔn)功能塊，對于S7-300/400的CP來說，需要調(diào)用FC5(AG_SEND)，FC6(AG_RECV)功能塊。

3) 對于主要功能塊FB106、107和108來說，包含了V1.x和V2.x，它們管腳參數(shù)并沒有更改，只是在V2.x中增加了FC10”AG_CNTRL”功能塊用于管理TCP連接，是否支持功能塊與CP的型號和固件版本有關(guān)，如下圖1所示：

圖1 功能塊V1.x和V2.x版本區(qū)別

當(dāng)將軟件選項包安裝完集成到Step7時，可以在Step7安裝文件的相應(yīng)目錄中找到塊庫、例程、英文手冊，另外還可找到用CFC語言編程的功能快庫，供讀者選用，如下圖2~4所示，在實際的項目調(diào)試過程中由于例子程序的各項功能比較完善，因此可以直接使用例子程序根據(jù)項目的實際情況修改相應(yīng)的參數(shù)即可，可以節(jié)省大量的參數(shù)設(shè)置時間，以下主要描述了使用軟件選項包” ModbusTCP CP V4.3 "配置S7-300/400站的詳細(xì)配置和編程步驟。

圖2 塊庫、例程、英文手冊和軟件注冊的文件夾位置

圖3 例程(注:當(dāng)找不到例程時可以通過”Browse..”按鈕來進行查找) 

圖4 功能塊庫(注:當(dāng)找不到塊庫時可以通過”Browse..”按鈕來進行查找)

2. 配置S7-400單站系統(tǒng)通過CP443-1 作為Server進行Modbus TCP通訊

以S7-400單站系統(tǒng)及Modscan32軟件為例，詳細(xì)介紹如何將S7-400單站系統(tǒng)通過CP443-1配置為Server，Modscan32為Client進行Modbus TCP通訊，在本例中將使用帶FC10”AG_CNTRL”版本的功能塊，下圖5為服務(wù)器功能塊庫的程序結(jié)構(gòu)及各功能塊完成的功能：

圖5 服務(wù)器功能塊庫程序結(jié)構(gòu)

注意：Modscan32軟件可以從網(wǎng)上免費下載得到，本例中使用的版本為V7.0版，由于各版本的功能不盡相同，因此需要注意版本問題。

2.1 例子中使用的硬件設(shè)備及軟件

本例中所用的硬件設(shè)備如下表：

表1 服務(wù)器硬件清單

所用到軟件如下表：

表2 服務(wù)器軟件清單

2.2 S7-400系統(tǒng)及Modscan32軟件組態(tài)

打開Step7軟件，新建一個工程項目文件，命名為“M_TCP_CP_V43(Server)”， 在項目下插入一個S7-400站，如下圖6所示：

圖6 新建S7-400 Station

雙擊插入的SIMATIC 400 Station的“Hardware”，打開硬件組態(tài)，在硬件組態(tài)界面下分別插入機架，電源PS407、CPU414-3PN/DP、CP443-1,本例中將CP的IP地址設(shè)為192.168.70.2，如下圖7所示：

圖7 硬件組態(tài)并設(shè)置CP443-1的IP地址

打開Netpro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，選中CPU414-3PN/DP，插入一個新連接，連接伙伴為Unspecified，連接類型為TCP Connection，如下圖8所示：

圖8 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)-新建TCP connection

打開連接屬性對話框中的“General Information”，由于CP443-1做Server被動連接，因此不勾選“Active connection estabishment”選項，ID保持缺省即可，在“Address”欄中同樣由于CP443-1做Server，因此填入連接的Port號設(shè)置為502，組態(tài)完成后，編譯保存，將例程站點“SIMATIC 400(Server)”中的程序（System data不需要拷貝）拷貝到該項目中并下載（注意：OB100中調(diào)用的FB108的id和laddr需根據(jù)組態(tài)確認(rèn)）。對于通訊伙伴Remote的IP地址可以不填，即允許任意IP地址的客戶端發(fā)起連接，如下圖9所示：

圖9 S7-400為服務(wù)器的TCP connection參數(shù)設(shè)置

對于服務(wù)器和客戶端的端口號(下述中以Port代替)的選擇需要注意以下幾點:

1)一般情況下服務(wù)器端的Port號modbus TCP規(guī)范缺省為502，客戶端的Port號設(shè)置為客戶端允許的號即可，另外各廠商產(chǎn)品也有一些限制，對于SIMATIC產(chǎn)品一般從2000之后開始。

2）對于一個系統(tǒng)來說，當(dāng)創(chuàng)建多個TCP連接時，要保證IP地址和Port號不重合，即同一個IP地址下創(chuàng)建多個TCP連接時Port號必須不同，而不同的系統(tǒng)因IP地址不同可以使用相同的Port號，例如本例中如果需要創(chuàng)建多個TCP連接作為Server時因只有一個IP，因此Port號必須不同。