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如何基于工業庫在PCS 7中集成S7-300 CPU

1、工業庫簡介
SIMATIC PCS 7工業庫（SIMATIC PCS 7 Industry Library，以下簡稱IL）為PCS 7 V8.0以上版本提供了全新的控制功能庫，是對PCS 7高級過程庫（APL）的擴展，集成了非標準PCS 7 系統的工廠組件，包括S7-300控制器或者WinCC Flexible操作員面板。此外，IL中還集成了多個行業庫，例如，水、廢水處理行業庫和樓宇自動化行業庫。PCS 7 IL與PCS 7 APL一起使用，可對不同領域內的控制任務實現協調*的總體解決方案。

圖1-1 PCS 7工業庫

在多數PCS 7應用場合中，除了和過程控制直接相關的核心組件之外，工廠中還廣泛存在需要獨立控制的機器和設備，這些所謂的“成套設備”都是可以實現特定生產任務的控制子單元。由于點數規模較小、控制任務相對單一、邏輯運算為主等特點，所以，部分“成套設備”的控制都采用S7-300配合操作員面板使用。關于如何基于工業庫在PCS 7中集成操作員面板請參考如下應用文檔：

為了實現在PCS 7中集成S7-300 CPU，在PCS 7 V8.0中工業庫提供了兩個子庫：IL for PCS 7和IL for S7，其中的“IL for S7”主要就是面向S7-300 CPU環境下的應用需求。而在PCS 7中集成S7-300 CPU主要有兩個方式，一個是以S7-400 CPU為主，S7-300 CPU作為類似RTU的角色與S7-400 CPU通訊，提供相應的數據；另一個方式則是S7-300 CPU獨立組態，包含OS或操作員面板等，無須額外的作為主控的S7-400 CPU站。
本文分別按照兩個不同方式介紹具體的實現步驟，并在此過程中重點介紹“IL for S7”中功能塊調用、與S7-400 CPU的通訊以及分層操作等三個方面。

2、S7-300 CPU組態工業庫
在集成S7-300 CPU的PCS 7系統項目中，S7-300 CPU及其對應的操作員面板是一相對獨立的單項目，該項目可以在PCS 7項目中創建生成，也可以來自成套設備提供商。同時，相關的功能塊還需要在OS上產生圖標和操作面板，實現類似于APL功能塊一樣的操作。為此，集成的S7-300 CPU的程序需要基于IL S7庫來組態。具體組態過程如下：

2.1 創建多項目框架
由于PCS 7的創建項目向導中沒有集成S7-300 CPU的選項，所以需要按照手動的方式床架如下圖所示框架的多項目。其中的“300_IL_St”單項目就是包含了S7-300 CPU站和操作員面板組態項目。
示例項目采用CPU 317-2DP和MP370，只見通過IE完成通訊連接。具體S7-300 CPU站點的組態與常規項目組態*。

圖2-1 基本項目框架

在PCS 7軟件環境中組態S7-300 CPU，還需要為其創建工廠層級，一方面可以和多項目中的其他項目結構保持*，另一方面也可以實現跨單項目的OS分配等功能。更多關于多項目的功能使用可以參考：

2.2 用戶程序組態
針對S7-300 CPU進行編程，所使用的功能塊必須要從“Industry Lib S7 V80”庫中拖拽。在庫中提供了通訊、控制、監控等常用功能，還包含了與操作員面板的接口功能塊（“PANEL”）。
需要注意的是，由于PCS 7軟件中不能提供基于S7-300 CPU的模塊驅動，所以該庫中無APL庫類似的“Channel”功能塊。

圖2-2 Industry Lib PCS 7 V80

2.2.1 電機控制
在層級文件夾下創建CFC，雙擊打開，從“Industry Lib S7 V80”庫中分別拖拽“S7Mot”（來自DRIVES）和“S7PMot”（來自PANEL），并按照如下圖所示連接：

圖2-3 S7PMot與S7Mot連接

CFC中功能塊之間的連線過程較為簡單，只需要將S7PMot的輸出管腳“QOP_ACTIVE”、“QOP_RESET”“QOP_AUT_ON”、“QOP_MAN_ON”和“MSG_FILTER”分別連接到S7Mot塊的同名輸入管腳即可。
需要注意的是，為了實現在操作員面板上的指針連接，在S7程序Blocks文件夾中要新建一個自定義共享DB塊，其中創建數據類型為INT的參數“Motor”，用于連接S7PMot接口功能塊。對于需要操作員面板上顯示的對象，據需要在該共享DB塊中定義一個INT類型的變量。將“S7PMot”功能塊的輸出“IDBNR”連接到共享DB的“Motor”即可。

圖2-4 創建共享DB

2.2.2 閥門控制
與電機控制一樣，分別從庫中拖放“S7Vlv”和“S7PVlv”兩個功能塊到CFC中，完成連線即可：

圖2-5 S7Vlv和S7PVlv之間的連接

閥門的其他過程輸入輸出與常規編程*，只是不再使用驅動功能塊而已。

2.2.2 PID控制
“IL for S7”庫中還提供了PID控制功能塊“S7PIDCon”，同時也提供了在操作員面板上使用的“S7PPID”接口功能塊。具體連接更為簡單：

圖2-6 S7PIDCon和S7PPID之間的連接

“S7PPID”功能塊要獲取PID功能塊的狀態，只需要將“BlockCon”管腳與PID的任何一輸出相連接即可，這一點與其他類型的功能塊連接略有不同。

2.3 操作員面板組態
“IL for S7”成功安裝完成之后，會在WinCCFlexible中集成一個“IL_S7_Flex_80”庫文件（Program files SIEMENSSTEP7S7LIBS），其中包含了針對各類對象的塊圖標和面板，當在畫面中添加面板和塊圖標時會自動創建變量、連接、文本列表等，用戶只需要根據項目情況做適當調整即可。

圖2-7 S7PIDCon和S7PPID之間的連接

在WinCCFlexible中的具體組態過程可以參考《如何基于工業庫在PCS 7中集成Panel》應用文檔。

3、S7-300 CPU作為RTU組態
在多數情況下，S7-300 CPU控制的設備需要集成到現有的PCS 7整體體系中。而對于一個典型的PCS 7系統而言，OS服務器/單站都是和S7-400 CPU的AS站通訊獲取數據，不會直接和S7-300 CPU這樣的RTU通訊。為此，S7-300 CPU站點作為RTU角色，除了基本控制程序組態之外，還需要考慮和S7-400 CPU的AS站點的通訊問題。
在S7-400 CPU配合S7-300 CPU完成控制的架構中，需要對S7-400 CPU和S7-300 CPU的角色和功能有明確的定義。一般而言，S7-300 CPU控制器負責具體控制實現，而S7-400 CPU作為OS獲取S7-300數據的渠道——當然，如果有需要，也可以在S7-400中完成一些在設備控制之上的連鎖、復雜算法等等。
更具體實現過程而言，S7-300 CPU中的編程方式與上一章節的描述無異，但在S7-400 CPU中，如何利用S7-300 CPU通訊傳輸過來的數據，并采用和其他功能塊類似的ICON/操作面板風格在OS上體現，則是需要重點考慮的。針對這個需求通常有兩個方案：
- 自定義功能塊/ICON/操作面板
創建一個新的功能塊，定義相應的管腳連接通訊過來的數據。同時定義功能塊及相關管腳的屬性，同時在其中可以調用SFB35（“Alarm_8P”）產生相應的消息。在OS上，可以參照系統集成的ICON和面板來制作針對新功能塊的圖標和操作面板。
更多關于自定義功能塊/圖標/面板的信息可以參考：
《PCS 7 - Programming Instructions for Blocks》
PCS 7安裝目錄STEP7S7MANUALpcs7librarys7jpa70b.pdf - 利用現有的控制功能塊
在S7-400 CPU的編程中，可以利用PCS 7中現有的功能塊，例如標準庫下的Motor/Valve等。將S7-300 CPU中的相關數據與功能塊連接即可。
這種方案無需人為定義程序、面板等，而且由于可以采用和其他程序一樣的功能塊，所以編程、OS操作方式等都較為方便。但是，利用這種方法需要注意上下兩層控制的協調問題，典型情形就是OS和S7-300 CPU站本身的操作員面板之間的協調問題，為此，IL中還提供了相應的功能塊來解決分層操作的問題。
另外，由于S7-300 CPU和S7-400 CPU中的功能塊不同，可能存在數據無法*對應的問題。更為重要的是，OS上的信息并不能全部通過輸出管腳傳送到S7-300 CPU中。例如S7-400 CPU中采用標準塊Motor，而S7-300 CPU站點中采用S7Mot，而Motor塊操作面板上的“Reset”就無法通過輸出管腳下達到S7Mot中。
這兩個方案可以根據實際情況選擇使用，在此就不贅述。以下就重點介紹如何實現S7-300 CPU和S7-400 CPU站點的通訊。

3.1 與單S7-400 CPU通訊

3.1.1 組態S7連接
在S7-400 CPU的AS所在的單項目中點擊工具欄上的按鈕 ，打開網絡組態NetPro。在CPU上右鍵菜單中選擇“Insert New Connection”創建新的連接：

圖3-1 打開NetPro

在彈出的新窗口中選擇連接伙伴方。如果S7-300 CPU和S7-400 CPU處在同一個項目中，則可以直接選擇；如果處在不同的項目中，則需要選擇一個“Unspecified”（未），點擊“Apply”應用即可。

圖3-2 選擇通訊伙伴方

在如下所示的S7連接屬性設置窗口中填寫通訊伙伴方的IP地址，然后點擊“Address Details…”按鈕：

圖3-3 配置連接參數一

在詳細信息中修改伙伴方的槽位為2，點擊OK確認。

圖3-4 配置連接參數二

將建立好的連接下載到S7-400站即可。

3.1.2 通訊程序調用
在通訊功能塊調用之前，需要在S7-300 CPU中準備和S7-400 CPU通訊用的共享DB塊。示例中創建DB50和DB51，分別對應“輸出”和“輸入”數據。
在S7-400 CPU側調用“S7Put”完成向S7-300 CPU寫入數據，調用“S7Get”從S7-300 CPU側讀出數據：

圖3-5 功能塊調用

在上圖左側“S7Get”的功能塊中，S7-300 CPU站側的DB50里從DBB0開始的10個字節會被讀取到S7-400 CPU側的DB10里DBB18開始的10個字節區域中；
在上圖右側“S7Put”的功能塊中，S7-400 CPU站側的DB11里從DBB52開始的10個字節會寫入到S7-300 CPU側的DB51里從DBB0開始的10個字節區域中。

3.2 與S7-400 HCPU通訊

3.1.1 組態S7連接
由于S7-300 CPU和S7-400H CPU之間無法建立S7容錯連接，所以在連接創建的時候，需要分別從S7-400H CPU的兩個CPU分別建立到S7-300 CPU（或者Unspecified）的連接：

圖3-6 HCPU中0機架上的連接

圖3-7 HCPU中1機架上的連接

從S7-400H CPU的兩個CPU分別創建一個到“Unspecified”的S7連接，可以看到，這兩個連接的ID號是不同的。參照前文所述修改連接參數之后將連接下載到S7-400 CPU中。
HCPU到S7-300 CPU站點的通訊鏈路由兩個S7連接實現，如何基于這兩個連接可靠地完成數據交換則是需要考慮的重點。具體的方案較多，可以采用兩個連接同時工作，接受方通過判斷連接狀態來選擇數據的方式，也可以采用“心跳信號”的方式判斷出可用的連接之后再完成傳輸等。
在下載中心網頁上提供了一個“H_Status”的功能塊（下載地址：，可以方便地顯示HCPU的冗余狀態。基于“H_Status”提供的冗余狀態來選擇具體的通訊連接，具體編程如下：

圖3-8 HCPU下的通訊程序組態

上圖中，“H_Status”功能塊讀取0機架和1機架上CPU的主備狀態，通過管腳“R0_MSTR”/“R1_MSTR”輸出。這兩個輸出連接到負責通訊讀寫的“S7Put”和“S7Get”功能塊的使能管腳，這樣，當機架0為主CPU時，“R0_MSTR”為1，其所連接的通訊功能塊被使能，通訊從S7連接1中進行，反之亦然。

4、分層操作
PCS 7系統一般可以劃分多個操作層級，如*控制室、區域控制室、就地控制室、就地操作等等，每個層級都可以對同一現場設備進行操作。例如，現場控制站S7-300 CPU會配合一個操作員面板實現設備的就地監控，而控制室的PCS 7 OS負責整體的監控。有些情況，用戶希望只是位于就地的操作員面板可以操作設備，而位于中控室的計算機禁止操作，或者要求不能同時操作設備，防止多點操作造成設備的誤動作，保證人身安全、設備可靠穩定運行，因此分層操作控制是*的。分層操作可以在工廠范圍內協調各個層級的操作，提高工作效率、優化人員調配。
PCS 7 APL功能庫OpStations可以實現基于操作站的分層控制，而操作員面板與操作站OS之間權限控制的功能，可以通過PCS 7工業庫的S7UsrM功能塊來實現。組態步驟如下：
關于APL庫“OpStations”功能塊的使用請參考下面文檔：

4.1 建立枚舉變量
為了能夠在程序塊圖標上顯示現場設備所屬的操作層級，需要創建枚舉變量“OP_Conf1”。如下圖所示，新建“Shared Declarations”，在“Shared Declarations”—“Enumerations”中新建枚舉變量，命名為“OP_Conf1”。
在其中創建需要的操作層級，對應的值依次從1到8，例如本地OS為1，控制室為2，*塊操作員界面為3等等。同時還定義數值0為“NoOperation”，以表示當前操作層級。

圖4-1 創建“OP_Conf1”

4.2 組態S7UsrM
將功能塊“S7UsrM”添加至新的或者先前的CFC中。“OPDEAV_1~8”8個層級是否可用。“KeySwitch”定義操作層級是否可以在OS中手動選擇，或當KeySwitch為1時通過程序設置KS_Device值來操作層級。“MaxLevel”定義在OS中顯示的大操作層級數量。連接S7UsrM至S7Mot和S7PMot，將輸出“QPERMIS”分別連接到兩個功能塊的“PERMIS”管腳，如下圖所示。

圖4-2 S7UsrM連接

為了讓S7Mot能夠從操作員面板上控制，可以將S7PMot的輸出管腳“QOP_ACTIVE”和“OP_ACTIVE”相連接。這樣在操作員面板獲得操作權限之后，可以對S7Mot塊進行手自動切換、復位等操作。

4.3 操作層級權限組態

4.3.1 OS組態
在WinCC Explorer打開操作站的OS項目，在Tag Management ® Internal tags ® Split Screen Manager中找到內部變量@Permission，其屬性StartValue定義為操作層級的起始值。若S7Mot參數“PERMIS”值與@Permission相等，則表示可以在OS中對設備進行操作。

圖4-3 @Permission默認值設置

4.3.2 操作員面板組態
在接口功能塊“S7PMot”中設置參數“PanelPerm”，用于操作面板的操作層級。只有當PanelPerm值等于S7PMot功能塊的OP_PERMIS參數值時才可能在操作員面板中對設備進行操作。

圖4-4 S7PMot的操作層級設置

當WinCC Flexible中添加面板時，會自動創建文本列表，用于面板操作層級的顯示。修改“Permission_S7”文本列表，使其與枚舉變量“OP_Conf1”*。

圖4-5 WinCC Flexible文本列表

4.4 操作運行
通過S7UsrM選擇LocalOS控制（因為@Permission設置為1），OS操作站上可以實現對電機的操作，而操作員面板不可操作，但顯示設備當前的操作層級。切換到Panel1，操作員面板上即可使能操作。

圖4-6 S7UsrM操作運行效果

關鍵詞
PCS 7 工業庫，S7-300 CPU，操作員面板，時間同步，多用戶操作