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品陣容，推出極其堅固的全新設備，以供在環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IP65，是冷藏間、船舶和石油天然氣行業的理想之選。全新的精智系列戶外面板的工作環境溫度范圍為-30℃到60℃，環境濕度可達90%，幾乎能應用于任何環境和行業。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，可自動調節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1600萬色，能清晰地顯示復雜的工藝參數和整個工廠的生產全景。高度防眩、廣角可視及自動亮度調節功能使操作人員能輕松可靠地監控設備。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據。

可垂直安裝并能存儲足夠的電能為優化工廠的空間利用，滿足特殊的機器設計需要，新面板還可以實現垂直安裝，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據安全，，保證所有的歸檔進程能夠正常退出，并對數據進行備份。WINCC組態，舊操作畫面可輕松導入目前，該系列面板正在申請應用于危險區域的Ex2/22和FM Class I Div.2認證以及船級社認證。我們通過工業以太網（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。此前為其他精智系列面板開發的操作畫面可以便捷地應用到新款面板中，只需針對戶外應用進行特定補充。此外，西門子還為這些堅固的設備提供長達22年的服務和支持。

凡是參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。目前，人機界面HMI在各個領域有著廣泛的應用，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，本文總結了人機界面在日常工作中常出現的故障及其處理的方法。
一、人機界面無響應，按觸摸任何部位都無響應。
處理方法：遇到這種情況，首先檢查各接線接口是否出現松動，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，那么應調整資源，避開沖突。其次，檢查人機界面表面是否出現裂縫，如發現有裂縫應及時更換。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，可能是人機界面驅動程序版本過低，需要安裝的驅動程序。其二，可能是在主機啟動裝載人機界面驅動程序之前，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。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的操作。
處理方法：這種現象有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；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。

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生的諧波進行抑制處理，可選的濾波產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。其實在現場簡單方法是將儀表遠離變頻器。。

　一個控制系統的規模有時按照它大能夠控制的I/O點的數量來定的。模擬量和開關量在控制系統中，另一個常見的術語就是模擬量和開關量。不論輸入還是輸出，一個參數要么是模擬量，要么是開關量。模擬量指控制系統量的大小是一個在一定范圍內變化的連續數值，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。而開關量指該物理量只有兩種狀態，如開關的導通和斷開的狀態，繼電器的閉合和打開，電磁閥的通和斷，等等。

　　對控制系統來說，由于CPU是二進制的，數據的每位有“”和“”兩種狀態，因此，開關量只要用CPU內部的一位即可表示，比如，用“”表示開，用“”表示關。而模擬量則根據精度，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。當然，在實際的控制系統中，模擬量的精度還要受模擬/數字轉換器和儀表的精度限制，通常不可能達到這么高。控制回路通常是針對模擬量的控制來說，一個控制器根據一個輸入量，按照一定的規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準為米bps時，實際上可達米，RS-接口在總線上是容許連接多達個收發器即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絡。因為RS-接口組成的半雙工網絡，一般只需二根信號線，所以RS-接口均采用雙絞線傳輸。 　　RS-的國際標準并沒有規定RS-的接口連接器標準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，從發生器到負載其數據信號傳輸所容許的大電纜長度是數據信號速率的函數，這個長度數據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，終端負載電阻為歐時所得出的。引自GB附錄A。當數據信號速率降低到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。。

　　控制回路有開環和閉環的區別。開環控制回路，指輸出是根據一個參考量而定，輸入和輸出量沒有直接的關系。而閉環回路則將控制回路的輸出再反饋回來作為回路的輸入，與該量的設定值或應該的輸出值作比較。閉環回路控制又叫反饋控制，是控制系統中常見的控制方式。下面介紹幾種常規的反饋控制的模式。二位控制這是簡單的反饋控制，有時也叫開關控制。這種控制是當被測量達到高值或低值的時候，就給出一個開關的信號。雖然被測量可能是模擬量，但控制輸出是開關的，所以叫兩位控制。

　　在工業現場，有許多溫控器和液位開關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的測量值和設定值或某個參考點的偏差是一個比例關系。比例控制比二位控制要平滑一些，了二位控制時會產生的被控量上下振蕩的情形。比如，對一個反應罐的液位，如果設定的液位值是毫米，當液位降低時，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定值的偏差大小成比例關系。積分控制在積分控制中，被控變量的值的變化與控制系統輸出控制到實際生效的時間有一個預先設定的關系。

　　一臺三墾IPKW變頻器在保修期內損壞，上電無顯示。打開機器蓋子，仔細的觀察各個部分，發現充電電阻燒壞，接觸器線圈燒斷而且外殼焦糊。經過追問，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正常，結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。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矩的生產機械，如橋式起重機礦井提升機空氣壓縮機不可逆軋鋼機等，應采用繞線式異步電動機。無調速要求，需要轉速恒定或要求改善功率因數的場合，應采用同步電動機，例如中大容量的水泵，空氣壓縮機提升機磨機等。調速范圍要求在∶以上，且需連續穩定平滑調速的生產機械，宜采用他勵直流電動機或用變頻調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。要求起動轉距大，機械特性軟的生產機械，使用串勵或復勵直流電動機，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備的MODBUS系列通訊協議的派生產品，顯而易見，它覆蓋了使用TCP/IP協議的“Intranet”和“Internet”環境中MODBUS報文的用途。協議的用途是為諸如PLC’s，I/O模塊，以及連接其它簡單域總線或I/O模塊的網關服務的。

MODBUS/TCP 使MODBUS_RTU協議運行于以太網，MODBUS TCP使用TCP/IP和以太網在站點間傳送MODBUS報文，MODBUS TCP結合了以太網物理網絡和網絡標準TCP/IP以及以MODBUS作為應用協議標準的數據表示方法。MODBUS TCP通信報文被封裝于以太網TCP/IP數據包中。與傳統的串口方式，MODBUS TCP插入一個標準的MODBUS報文到TCP報文中，不再帶有數據校驗和地址。

1. 通訊所使用的以太網參考模型

Modbus TCP傳輸過程中使用了TCP/IP以太網參考模型的5層：

層：物理層，提供設備物理接口，與市售介質/網絡適配器相兼容

第二層：數據鏈路層，格式化信號到源/目硬件址數據幀

第三層：網絡層，實現帶有32位IP址IP報文包

第四層：傳輸層，實現可靠性連接、傳輸、查錯、重發、端口服務、傳輸調度

第五層：應用層，Modbus協議報文

2. Modbus TCP數據幀

Modbus數據在TCP/IP以太網上傳輸，支持Ethernet II和802.3兩種幀格式，Modbus TCP數據幀包含報文頭、功能代碼和數據3部分，MBAP報文頭(MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus應用協議)分4個域，共7個字節，如圖1所示：

圖1： MODBUS TCP報文

由于使用以太網TCP/IP數據鏈路層的校驗機制而保證了數據的完整性，MODBUS TCP 報文中不再帶有數據校驗”CHECKSUM”，原有報文中的“ADDRESS”也被“UNIT ID”替代而加在MODBUS應用協議報文頭中。

3. Modbus TCP使用的通訊資源端口號

在Modbus服務器中按缺省協議使用Port 502 通信端口，在Modbus客戶器程序中設置任意通信端口，為避免與其他通訊協議的沖突一般建議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，無需認可，但不保證代碼使用性,如變為公共代碼，需交RFC認可；

3) 保留功能代碼，由某些公司使用某些傳統設備代碼，不可作為公共用途。

按照應用深淺，可分為3個類別：

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

2) 類別1，可實現基本互易操作常用代碼：讀線圈(fc.1)；讀開關量輸入(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、監控系統例行操作和數據傳送功能：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,具體的數據傳輸過程如下：

1) Modbus TCP客戶端實況，用Connect()命令建立目標設備TCP 502端口連接數據通信過程；

2) 準備Modbus報文，包括7個字節MBAP內請求；

3) 使用send()命令發送；

4) 同一連接等待應答；

5) 同recv()讀報文，完成一次數據交換過程；

6) 當通信任務結束時，關閉TCP連接，使服務器可以為其他服務。

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

下面章節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，因此需要調用SIMATIC S7標準功能塊，對于S7-300/400的CP來說，需要調用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，如下圖1所示：

圖1 功能塊V1.x和V2.x版本區別

當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項目的實際情況修改相應的參數即可，可以節省大量的參數設置時間，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單站系統通過CP443-1 作為Server進行Modbus TCP通訊

以S7-400單站系統及Modscan32軟件為例，詳細介紹如何將S7-400單站系統通過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為服務器功能塊庫的程序結構及各功能塊完成的功能：

圖5 服務器功能塊庫程序結構

注意：Modscan32軟件可以從網上免費下載得到，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備及軟件

本例中所用的硬件設備如下表：

表1 服務器硬件清單

所用到軟件如下表：

表2 服務器軟件清單

2.2 S7-400系統及Modscan32軟件組態

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，在硬件組態界面下分別插入機架，電源PS407、CPU414-3PN/DP、CP443-1,本例中將CP的IP地址設為192.168.70.2，如下圖7所示：

圖7 硬件組態并設置CP443-1的IP地址

打開Netpro網絡組態，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 網絡組態-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號設置為502，組態完成后，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中調用的FB108的id和laddr需根據組態確認）。對于通訊伙伴Remote的IP地址可以不填，即允許任意IP地址的客戶端發起連接，如下圖9所示：

圖9 S7-400為服務器的TCP connection參數設置

對于服務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)一般情況下服務器端的Port號modbus TCP規范缺省為502，客戶端的Port號設置為客戶端允許的號即可，另外各廠商產品也有一些限制，對于SIMATIC產品一般從2000之后開始。

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