任务二 S7-1200与HMI的下载及仿真

任务描述

建立S7-1200 PLC和西门子精简系列面板HMI之间的连接，并在HMI上设计两个按钮和一个指示灯，如图1-2-1所示。

具体要求：

1.单击“启动”按钮，指示灯显示绿色；单击“停止”按钮，指示灯显示灰色。

2.能启动程序监视，对应观测程序运行与HMI操作显示。

相关知识

一、以太网基础知识

（一）工业以太网

工业以太网（Industrial Ethernet，IE）是遵循国际标准IEEE802.3的开放式、多供应商、高性能的区域和单元网络。工业以太网已经广泛地应用于控制网络的最高层，并且越来越多地在控制网络的中间层和底层（现场设备层）使用。

西门子的工控产品已经全面的“以太网化”，PLC、变频器、HMI和分布式I/O都有集成的以太网接口或PROFINET通信模块。工业以太网可以将自动化系统连接到企业内部互联网、外部互联网和因特网，实现远程数据交换。

（二）MAC地址

MAC（Media Access Control，媒体访问控制）地址是以太网端口设备的物理地址。MAC地址通常由设备生产厂家写入设备的EEPROM或闪存芯片。在网络底层的物理传输过程中，通过MAC地址来识别发送和接收数据的主机。MAC地址是48位二进制数，分为6个字节，一般用十六进制数表示，用短画线分隔，例如00-05-BA-CE-07-0C。其中，前3个字节是网络硬件制造商的编号，它由IEEE（国际电气与电子工程师协会）分配，后3个字节代表该制造商生产的某个网络产品（例如网卡）的序列号。MAC地址就像我们的身份证号码，具有全球唯一性。

每个CPU在出厂时都已装载了一个永久唯一的MAC地址，MAC地址印在CPU上，不能更改CPU的MAC地址。

（三）IP地址

为了使信息能在以太网上准确快捷地传送到目的地，连接到以太网的每台计算机必须拥有一个唯一的IP地址。IP地址，即Internet Protocol（网际协议）地址，由32位二进制数组成，在控制系统中，一般使用固定的IP地址。

IP地址通常用十进制数表示，用小数点分隔，例如192.168.0.1。

（四）子网掩码

子网是连接在网络上的设备的逻辑组合。同一个子网中的节点彼此之间的物理位置通常相对接近。子网掩码（Subnet Mask）是一个32位二进制数，用于将IP地址划分为子网地址和子网内节点的地址。二进制的子网掩码的高位应该是连续的1，低位应该是连续的0，子网掩码通常也用十进制数表示。以常用的子网掩码255.255.255.0为例，其高24位二进制数（前3个字节）为1，表示IP地址中的子网地址（类似于长途电话的地区号）为24位；低8位二进制数（最后一个字节）为0，表示子网内节点的地址（类似于长途电话的电话号）为8位。具有多个PROFINET接口的设备，各接口的IP地址应位于不同的子网中。

PLC出厂时默认的IP地址为192.168.0.1，默认的子网掩码为255.255.255.0。

（五）路由器

IP路由器用于连接子网，如果IP报文发送给别的子网，首先将它发送给路由器。在组态时子网内所有的节点都应输入路由器的地址。路由器通过IP地址发送和接收数据包。路由器的子网地址与子网内的节点的子网地址相同，其区别仅在于子网内的节点地址不同。

在串行通信中，传输速率（又称波特率）的单位为bit/s，西门子的工业以太网默认的传输速率为10M/100Mbit/s。

二、HMI仿真调试的方法

WinCC的运行系统用来在计算机上运行采用WinCC进行工程系统组态的项目，并查看进程。运行系统还可以用来在计算机上测试和模拟HMI功能。

如果在标准PC或Panel PC上安装了运行系统的高级版和面板，需要授权才能无限制地使用。如果没有授权，运行系统高级版和面板将以演示模式运行。

在计算机上安装了“仿真/运行系统”组件后，在没有HMI设备的情况下，可以用WinCC的运行系统来模拟HMI设备，用它来测试项目，调试已组态的HMI设备的功能。模拟调试也是学习HMI设备组态方法和提高动手能力的重要途径。

有4种仿真调试的方法。

1.使用变量仿真器仿真

如果手中既没有HMI设备，也没有PLC，可以用变量仿真器来检查人机界面的部分功能。这种调试称为离线调试或离线测试，可以模拟画面的切换和数据的输入过程，还可以用仿真器来改变输出域显示的变量的数值或指示灯显示的位变量的状态，或者用仿真器读取来自输入域的变量的数值和按钮控制的位变量的状态。因为没有运行PLC的用户程序，这种仿真方法只能模拟实际系统的部分功能。

2.使用S7-PLCSIM和WinCC运行系统的集成仿真

如果将PLC和HMI集成在博途的同一个项目中，可以用WinCC的运行系统对HMI设备仿真，用PLC的仿真软件S7-PLCSIM对S7-300/400/1200/1500仿真。同时还可以对被仿真的HMI和PLC之间的通信和数据交换仿真。这种仿真不需要HMI设备和PLC的硬件，只用计算机也能很好地模拟PLC和HMI设备组成的实际控制系统的功能。这种方法比较常用，本书中所有项目都使用该方法对各任务进行集成仿真。

3.连接硬件PLC的仿真

如果没有HMI设备，但是有PLC，可以在建立起计算机和S7 PLC通信连接的情况下，用计算机模拟HMI设备的功能。这种测试称为在线测试，可以减少调试时刷新HMI设备的闪存的次数，节约调试时间。仿真的效果与实际系统基本上相同。

4.使用脚本调试器的仿真

可以用脚本调试器测试运行系统中的脚本，以查找用户定义的VB函数的编程错误，这种方法一般很少使用。

技能操作

一、创建项目

双击计算机桌面“TIA Portal V15.1”图标 ，打开软件，单击“创建新项目”，在项目名称栏中输入“S7-1200与HMI的集成仿真”，修改路径为“F:\人机界面组态与应用技术”（读者可根据个人计算机硬盘实际情况选择不同路径），单击“创建”，如图1-2-2所示。

二、添加PLC

单击屏幕左下侧“项目视图”，将软件界面切换到“项目视图”，在项目树下，双击“添加新设备”，弹出“添加新设备”窗口，选中“控制器”，单击“SIMATIC S7-1200”→“CPU”→“CPU 1214C DC/DC/DC”→“6ES7 214-1AG40-0XB0”，选中版本为V4.2，单击“确定”，如图1-2-3所示，完成PLC添加。

三、添加HMI

在项目树下，双击“添加新设备”，弹出“添加新设备”窗口，选中“HMI”，单击“SIMATIC精简系列面板”→“7″显示屏”→“KTP700 Basic”→“6AV2 123-2GB03-0AX0”，选中版本为15.1.0.0，如图1-2-4所示，单击“确定”，弹出“HMI设备向导”，单击“浏览”右侧的下拉菜单，选中“PLC_1”，如图1-2-5所示，单击“完成”，完成HMI添加以及与PLC的连接。

四、PLC变量添加

在项目树下，展开“PLC变量”，双击打开“默认变量表”，如图1-2-6所示，添加变量“启动”，数据类型为“Bool”，地址为“M0.0”；添加变量“停止”，数据类型为“Bool”，地址为“M0.1”；添加变量“电机”，数据类型为“Bool”，地址为“Q0.0”，如图1-2-7所示。

五、触屏画面设计

步骤一 ：在项目树下，展开“画面”，双击打开“根画面”，如图1-2-8所示。

步骤二 ：打开右侧“工具箱”，展开“元素”，选中“按钮”，如图1-2-9所示，再在画面中单击鼠标，生成一个“按钮_1”，修改文本为“启动”。

步骤三 ：选中“启动”，单击鼠标右键→属性，打开“事件”选项卡，选中“按下”，添加“按下按键时置位位”，变量设定为“启动”，如图1-2-10所示。

步骤四 ：复制粘贴“启动”，生成一个“按钮_2”，修改文本为“停止”，修改其“事件”中“按下”的变量为“停止”，如图1-2-11所示。

步骤五 ：在“工具箱”中，展开“基本对象”，选中“圆”，如图1-2-12所示，再在画面中单击鼠标，生成一个“圆_1”。

步骤六 ：选中“圆_1”，单击鼠标右键→属性，打开“动画”选项卡，展开“显示”，双击“添加新动画”，弹出“添加动画”，选中“外观”，单击“确定”，如图1-2-13所示。

步骤七 ：在生成的“外观”中，设定变量为“电机”；增加范围为“0”，背景色为灰色“222,219,222”；增加范围为“1”，背景色为绿色“0,255,0”，如图1-2-14所示。

六、PLC程序编写

在项目树下，展开“程序块”，双击打开“Main［OB1］”，在程序编辑窗口的“程序段1”中，添加“起保停”程序，如图1-2-15所示。

七、下载及仿真运行

模块一：实物PLC和实物HMI

步骤一 ：利用路由器，将计算机、PLC和HMI用网线进行连接，如图1-2-16所示。

步骤二 ：在项目树下，双击打开“设备组态”，选中其中“网络视图”选项卡，单击“PLC_1”模块上绿色方块，展开其属性选项卡，选中“常规”中的“以太网地址”，设置其IP地址为“192.168.0.1”，如图1-2-17所示；单击“HMI_1”模块上绿色方块，展开其属性选项卡，选中“常规”中的“以太网地址”，设置其IP地址为“192.168.0.2”（这两个地址可以修改，要求与实物的IP地址一致），如图1-2-18所示。

步骤三 ：修改计算机的IP地址，打开计算机的“网络连接”，选中“以太网”，并通过鼠标右键打开其“属性”，弹出“以太网属性”窗口，选中“Internet协议版本4（TCP/IPv4）”，如图1-2-19所示，单击“属性”，弹出“Internet协议版本4（TCP/IPv4）属性”窗口，勾选“使用下面的IP地址（S）”，设置IP地址为同一网段“192.168.0.20”，子网掩码为“255.255.255.0”，如图1-2-20所示。

步骤四 ：打开计算机的“控制面板”，单击“查看方式”类别的下拉菜单，选中“小图标”，如图1-2-21所示，单击“设置PG/PC接口（32位）”，弹出“设置PG/PC接口”窗口，滑动鼠标滑轮找到并选中对应在使用的计算机的“网卡”，如图1-2-22所示，选中“Realtek PCIe FE Family Contronller.TCPIP.1.Auto.1”，设置应用程序访问点为“S7ONLINE（STEP 7）→Realtek PCIe FE Family Contronller.TCPIP.1.Auto.1”，单击“确定”。

步骤五 ：在项目树中，选中“PLC_1”，单击“下载到设备”，弹出“扩展下载到设备”，选中“网卡”，如图1-2-23所示，单击“开始搜索”，搜索到相应的PLC，单击“下载”，单击“装载”，单击“完成”。

步骤六 ：给HMI上电，启动触屏，单击触屏上的“Settings”，单击“Transfer”，选中“PN/IE”，单击“设置”，双击打开“PN_X1 Settings”，在“IP Address”中可以修改HMI的IP地址为“192.168.0.2”，返回界面，单击“Transfer”，等待下载传输。

步骤七 ：在项目树下，选中“HMI_1”，单击“下载到设备”，选中“全部覆盖”，单击“装载”。

步骤八 ：回到触摸屏，可看到触摸屏显示“已经建立连接”。

步骤九 ：在触摸屏上，单击“启动”，则触摸屏上指示灯亮，显示绿色，PLC的Q0.0有输出。

模块二：实物PLC和仿真HMI

步骤一 ：在项目树下，选中“HMI_1”，单击“启动仿真”。

步骤二 ：在仿真的触屏上，单击“启动”，指示灯亮，显示绿色，实物PLC的Q0.0有输出。

模块三：仿真PLC和仿真HMI

步骤一 ：打开计算机的“控制面板”，单击“查看方式”类别的下拉菜单，选中“小图标”，单击“设置PG/PC接口（32位）”，弹出“设置PG/PC接口”窗口，滑动鼠标滑轮查找并选中“PLCSIM.TCPIP.1”，设置应用程序访问点为“S7ONLINE（STEP 7）→PLCSIM.TCPIP.1”，如图1-2-24所示，最后单击“确定”按钮确认。

步骤二 ：回到博途软件，在项目树下，选中“PLC_1”，单击“启动仿真”，弹出“启动仿真禁用所有其它在线接口”对话框，如图1-2-25所示，单击“确定”，在弹出的“扩展下载到设备”窗口中，设置接口/子网的连接为“插槽1×1处方向”，单击“开始搜索”，如图1-2-26所示，单击“下载”，弹出“下载预览”窗口，如图1-2-27所示，单击“装载”，单击“完成”，并单击弹出的“Siemens”窗口的“RUN”，启动仿真，“RUN/STOP”指示灯变绿，如图1-2-28所示。

步骤三 ：在项目树下，选中“HMI_1”，单击“启动仿真”，可看到计算机屏幕右下“编译”进度条随着程序编译有进度显示，如图1-2-29所示。

步骤四 ：当编译完成后，弹出“RT Simulator”仿真触屏，在仿真的触屏上，单击“启动”，指示灯亮，显示绿色，如图1-2-30所示。

步骤五 ：在项目树下，展开“程序块”，双击打开“Main［OB1］”，单击该窗口工具栏中“启用/禁用监视”按钮，启用监视，可看到程序段中Q0.0有输出，如图1-2-31所示，实现仿真调试。