摘 要：本文介绍采用CMDF9系列分体式远程模块，扩展西门子S7-1200/S7-1500 PLC设备I/O，为PROFINET网络应用增加一种性价比较高的I/O扩展方案。
关键词：PROFINET CMDF9 PLC 以太网
Abstract: This paper introduces the use of CMDF9 series remote remote module, expand Siemens S7-1200/
S7-1500 PLC device I/O, PROFINET network applications to add a cost-effective higher I/O expansion plant.
Key words: PROFINET CMDxA9 PLC Ethernet
【中图分类号】TQ573+.8 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2017）06-0000-00
1 引言
PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是基于工业以太网技术的自动化总线标准的新一代现场总线。作为PROFIBUS的升级换代现场总线，PROFINET在自动化通信领域中提供了一个完整的网络和自动化解决方案，借助现有网络和设备，能非常廉价和方便的满足联网、组网、光纤、无线数传需求。近年西门子推出的S7-1200、S7-1500系列PLC，皆因通讯接口升级换代为PROFINET，其主机已经取消PROFIBUS DP接口，并自带一个甚至多个PROFINET网络接口，这虽为下一步PROFINET联网和扩展现场I/O提供了便利，但市面上PROFINET设备还比较少，很多工程人员对此种模式应用也不熟悉，给具体应用带来一定困难。
为了更好的帮助工程人员快速了解和熟悉PROFINET应用，这里借助CMDF9系列PROFINET模块作简单使用介绍，抛砖引玉以丰富工程应用。
2 PROFINET分体式远程模应用
应用案例基于污水处理厂SCADA系统。系统应用CMDF9系列模块+西门子S7-1200系列小型PLC。系统利用TIA Portal软件配置挂接在S7-1200/S 7-1500系统中的CMDF9-8AD标准模拟量采集电压、电流和液位信号、CMDF9-32DI采集阀门位置和行程开关信号、CMDF9-8ADP热电阻采集生化反应温度、再由CMDF9-8DA模拟量输出模块控制温度调节，并由CMDF9-32DOP输出报警指示和闸阀连锁控制。
图1 污水处理厂SACDA系统配置
（1）PLC：西门子S7-1200 PLC 一套；
（2）模拟量采集模块：CMDF9-8AD 三相电流、电压、液位、阀门传感器 一块；
（3）温度采集模块：CMDF9-8ADP 采集反应池温度传感器 一块；
（4）模拟量输出模块：CMDF9-8DA 控制阀门和变频器 一块；
（5）开关量输出模块：CMDF9-32DOP 远端指示灯和电动闸阀变频器启停 一块；
（6）开关量输入模块：CMDF9-32DI 远端加药设备和电动闸阀位置检测 一块；
（7）现场参数显示表：CMD4A9 现场显示温度和流量、液位数据 六块；
2.2 创建工程
西门子S7-1200 PLC V4.0以上是带有以太网接口的小型PLC并支持PROFINET网络连接，适合规模较小的简易应用工程，本例其实也可以选择性能更好的S7-1500 PLC。
对于TIA Portal软件声称推荐的I7/8G RAM，不必太苛求达到，事实上，我们曾经使用G41甚至G31普通电脑主板4G内存都能正常安装运行，只是速度比较慢而已，推荐使用8G内存。
进入TIA Portal主界面，创建一个工程应用：
“污水处理”
当然，你也可以在刚进入的主界面的左下角点击进入“项目视图”去操作：
2.3 组态设备
按照下图“新手上路”提示，顺序完成相应的操作。如果对本软件比较熟悉，还是建议直接进入“项目视图”中，内容齐全、非常直观。接下来点击进入“组态设备”：
按前所述，选择控制器为CPU 1212C DC/DC/DC：选择“6ES7 212-1AE40-0XB0”，版本V40。
点击右下角的添加按钮，将你选择的控制器添加到设备内，同时自动进入到“项目视图”内。你也可以在任意时候双击左面“设备组态”菜单进入到控制器的“设备视图”中。
在下图中，能看到设备概览里控制器的详细数据，也需要设置一些关键参数才能让控制器正常工作。
点击“常规”栏目下“PROFINET接口”菜单，展开“以太网地址”：
本例选择常规192.168.0.xxx网段，一般习惯把192.168.0.1作为路由器IP地址，在调试远程设备时可以借用办公以太网络而无需另外布线。当然可以根据自己已有的网段自行选择其他网段。至于设备名称，采用自动生成PROFINET设备名称就好了。在“接口连接到”“子网络：”中添加一个PN/IE_1网络。其他设置如果没有特殊需要，就采用默认的其他设置即可。下面将配置连接在PROFINET的I/O设备，配置它们首先需要安装设备描述文件：GSDML。
2.4 安装GSDML文件
在工具栏“选项”中点击“安装设备描述文件”GSDML菜单，进入安装界面。
选择存放GSDML的文件夹导入文件，将安装所要用到的CMDF9系列模块GSDM文件。
为了保证正确、完整安装GSDML文件，存放该文件的文件夹内必须有设备GSDML文件和用于标识该设备的BMP图形文件，见下图
从GSDML文件名称结构可以了解对应文件的创建或者修改日期以及相应的版本，名称结构示意如下：GSDML-架构版本-制造商名称-设备族名称-日期。其中“架构版本”是指设备行规下的架构版本， V2.31是采用西门子ERTEC200P开发平台架构。
这里会显示已经安装过该文件和尚未安装的文件。选择一个需要安装的GSDML文件点击安装后就开始自动安装，请依次安装CMDF9-8AD、8DA、8ADP、32DO、32DI和CMD4A9。由于每次退出需要一定时间更新，故先安装完所有的文件后再退出该界面，，请稍微等待自动退出，时间较长不是死机！
2.5 组态CMD系列模块
接下来按相同方式把PROFINET I/O设备依次组态到控制器的网络中：
（1）标准模拟量采集模块：CMDF9-8AD是标准模拟量采集模块，它主要是采集4-20mA电流信号。
首先点中“网络视图”按钮，在硬件目录里找到“其他现场设备”：
在I/O栏目里找到我们刚刚安装JIETONG PN下的CMDF9中的CMDF9-8AD模块。
注意：下面的信息/版本选项要选择对应版本号，便于正确安装不同时期的设备。采用双击或拖拽方式把该设备添加到到网络视图中，右键选择“未分配”处，选择并加入到PLC_1PROFINET接口_1。
显示如下的网络示意：双击CMDF9-8AD进入网络设置界面，因为已经连接到控制器网络中，所以会自动分配远程寄存器地址：上图中I寄存器地址被系统自动分配1-16，当然也可以点击重新分配允许范围的地址即IW2-QW16共8个字。
接下来分配8AD的IP地址和名称：
IP地址和控制器的IP地址段应该一致，地址范围可以在1-255中选择，这里我们分配标准模拟量采集模块IP地址为192.168.0.222。
最后，简单使用自动生成PROFINET设备名称，本例为CMDF9-8AD。如有更多的同类设备，会自动生成下划线序列CMDF9-8AD_1……。
因为该类模块的工作方式需要配置，接下来在选中模块以太网口后再单击-8AD_1槽架，显示用户参数界面如下图：
l 通道输入类型选择：
模块的8个输入通道输入信号均可单独设置3种输入类型：
a.电压输入端子0-5V，电流输入端子0-20mA；
b.电压输入端子1-5V，电流输入端子4-20mA；
c.电压输入端子0-10V，这里均设置为4-20mA。
l 通道滤波处理：
滤波处理可消除采集输入信号杂波，滤波次数越多，消除效果越好，但是采集到的输入信号时间会越长，一般选择默认的1次滤波。
l 通道零点调整：
当外部传感器输入信号最小值时，采集的数码值并不是0的时候，用户可以小范围调整零点，比如液位信号4mA，采集的数码值是10而非0，这时可以减少零点数码值-10左右（偏大减数、偏小加数）。
如果采集的数码值93，而实际输入信号为4.3mA，说明采集的数据高于准确值77，这时可以调整零点负值16左右。
l 通道幅值调整：
通道幅值是在接近最大输入信号附近调整是否为准确数码值；
当采集值低于理论数码值时调整正幅值放大倍数接近理论值；
当采集值高于理论数码值时调整负幅值减少放大倍数以接近理论值。
l 特殊设置：
特殊设置是为以后扩展功能使用这里不用理会。
设置所有通道（本例均为4-20mA）编译下载PLC后模块工作模式自动生效。
（2）标准模拟量输出模块：按照（1）配置CMDF9-8DA模拟量输出模块点开后在I/O栏目里找到刚刚安装JIETONG PN下的CMDF9中的CMDF9-8DA，这是8通道标准模拟量输出模块。
注意：下面的信息/版本选项要选择对应版本号，便于正确安装不同时期的设备。
用双击或者拖拽的方式把该设备添加到到网络视图中，右键选择“未分配”处，选择并加入到PLC_1PROFINET接口_1，进入网络设置界面，因为已经连接到控制器网络中，所以会自动分配远程寄存器地址：QW2-QW16。
继续分配8DA的IP地址：192.168.0.226。
使用自动生成PROFINET设备名称，本例为CMDF9-8DA。如有更多的同类设备，会自动生成下划线序列CMDF9-8DA_1……。
该类模块的工作方式依然需要配置，接下来选中模块以太网口后再单击-8DA_1槽架，显示用户参数界面如下图：
零点和幅值同8AD用户参数设置相同，只是缺少滤波选择项目。
本例除第一路因为是接变频器控制设置为0-10V输出外，其余全部设置为4-20mA电流输出。
这是因为本系统有多余的模拟量输出通道，且变频器也就一台，为节约成本，此处采用0-10V模拟量输出控制变频器转速。如果变频器较多的场合下也可以采用在稍后介绍的PROFINET转MODBUS网桥来控制多台变频设备。
（3）热电阻温度采集模块：和前面一样，添加CMDF9-8ADP到网络中，分配好IP地址和设备名称：
]
8个热电阻通道占用IW18-IW32共计8个字。
为该模块配置相应的工作参数：
l 温度范围设定：
由于采集温度在100摄氏度以下，所有工作温度范围段均选-50-200度：
和其他模块不同，在此温度段范围，模块分辨率同样为12bit。
l 滤波设置：
为有效滤除干扰，这里设置为一次滤波，考虑到温度响应缓慢，也可设置2~3次滤波。
l 零点修正：
和8AD采集模块相似，零点调整用于对准PT-100传感器最低温度与采集值。
l -50-200度幅值修正：
-50-200度幅值修正幅值修正是校准最在高温度200度时采集温度数据。
一般情况下，厂家已经按0.5%精度校准，除非传感器误差偏大或者线路等影响才会去调整。
l -50-410度幅值修正：
-50-410度幅值修正幅值修正是校准最在高温度410度时采集温度数据。
l 输出类型设置：
采集的温度按无符号整型数据表示或者按有符号的实际温度表示。
无符号整型数据0-4095，对应-50-200度范围，需要进行工程量转换才能表示温度高低。
实际温度是经过工程量转换后的数据，为了提高分辨率且避免在PLC内进行浮点数运算增加PLC扫
描周期，CMDF9-8ADP表示的温度数据是实际温度乘以10，即：-50-200度对应温度数据是-500-2000。实际使用无论是比较或者运算除去采集温度外其他数据均可以先按10倍处理，这样可以提高温度分辨率到0.1度。
l 断线报警设置：
一旦纤细的铂金丝断裂或者传感器外部导线接触不良、端子螺钉压接不好，都可能造成采集温度异常。
因此，模块一旦检测异常会发出报警，就会让采集温度数据偏向某一根方向，同时发出诊断故障信息给PLC，避免控制出现严重事故：
例如：反应池温度60度，工艺要求保持反应池温度为80度，势必导致PLC输出加热控制信号，直到
目标值达到给定值80度，才会停止加热。
一旦出现断线事故，采集的温度不能真实反应实际温度会一直加热，甚至超过安全温度到沸腾，酿成
安全事故。有了断线偏向最大值报警，就会使正在加热的设备停止加热。也有工艺需求不允许温度太低，从而选择偏向最小值工作。
（4）开关量输出模块：CMDF9-32DOP是一款密集型PNP型晶体管输出I/O，输出有效时对应通道LED绿色指示灯点亮，相应端子输出DC24V电压，反之灯灭，输出24V电源断开。适合驱动信号灯或者小型中间继电器。
安装方式和前面介绍的模块相同，只是没有用户参数设置，更为简单。但需注意密集型输出I/O模块一般驱动电流较小，所以不能直接驱动大电流负载，较大功率负载还是让中间继电器、接触器来承担吧！
（5）开关量输入模块：安装方式和前面介绍的模块相同，也没有用户参数设置。
采集现场行程开关和阀门开到位、关到位的开关信号，一个CMDF9-32DI模块分配有2组输入方式选择端子，方便现场不同外部设备需要：
l 有源输入方式（NPN输入）：
这是带24V电源的输入，当外部设备发出高限报警和允许设备启动阀门命令后，对应端子上就有
DC24V电源进入，我们通常选择的的是有源输入方式，工程中S1端子短接到模块M（地），允许通道1-通道16有源输入。
有源输入一般需增加保护电路，例如保险丝，防止输入电缆误碰设备外壳（一般设备外壳带保护地）而烧毁输入通道回路的外部元件。
l 漏输入方式（PNP输入）：
普通阀门行程开关一般是干接点输出，所以我们选择S2连接到模块的24V端，这样通道17-通道32工作在漏输入方式：一旦阀门上的行程开关闭合，从各输入通道流出的电流经行程开关闭合流回到地（M），完成已到位的状态。漏输入方式因为回路有限流电阻，即使输入端误碰机壳地，也不会烧毁外部回路的任何元件，推荐现场尽量选择这种方式使用。
（6）数据显示表：CMD4A9支持PROFINET远程显示PLC内数据，特别适合在现场显示工艺参数和操作监视数据。使用方式在连载“PROFINET数据显示器在工程中的使用”已经有过介绍。这里就不再赘述。
2.6 编程控制器
根据工艺系统需要，控制器添加合适的组织块满足编程需要，还可以根据运算的需要添加数据块等其他块。OB100是整个控制系统初始化用程序块，包括各设备初始化和运算用寄存器清零和工艺参数设置，PLC上电只执行一次该程序块。OB35是循环中断产生程序块，系统需要一个基本的时序，包括顺序脉冲产生和定时采样，都以这个程序块来处理。OB1是主程序块，很多运算、控制和调用子程序在这里编制，由于各个工程工艺流程不完全相同，所以这里并不讨论工艺流程和详细的程序处理。最后编辑完成后就可以编译下载到控制器内。
2.7 在线设置
为了关联所有模块与控制器，初次使用CMDF9，还需要分别分配它们的名称和IP地址，便于和刚刚在控制器配置的GSDML相关联。
连接好同一网络中的CMDF9模块并送电，等待各模块完成自检、初始化设备和连接网络等初始化任务后，在“项目树”中的“在线访问”菜单内找到你的计算机网卡点开:
双击“更新可访问的设备”等待扫描结
在项目树栏目下搜索到高亮的可访问设备及特定的MAC地址，并双击“在线访问”进入诊断分配界面：
展开“功能”下的“分配IP地址”，按前面控制器分别分配各CMDF9模块的IP地址填写192.168.0.xxx，然后再点按“分配IP地址”按钮：
界面下端显示“参数已经成功传输”。
接下来将分配设备名称，我们依然按前面控制器配置相同，并分别分配各模块，这里显示表因为数量比较多，被依次分配为CMD4A9_1、CMD4A9_2、CMD4A9_3……、CMD4A9_6共计6个每一个显示表占用4byte的Q输出字节。
成功传输名称参数后，各模块和显示表将自动连接到网络并接收PROFINET网络数据。无论是在线访问还是设备在线监视下，都能观察到各设备已经正常工作并且无任何警告提示（没有红色叉提示）。
如分配名称后设备并没有正常工作，可能PLC没有清除掉原有的配置数据，需要重新初始化到出厂设置值后断电5分钟，重新下载新配置。
特别指出：
PROFINET网络设备的名称非常重要，它的优先级别高于IP地址，所以如果控制器网络中如果已经存在工作中的设备并且名称与控制器指定名称相符，是不能修改IP地址的，要修改IP地址，要么拔掉控制器连接到网络的电缆，要么就先修改转角指示器的设备名称，等待设备离线后你才能重新修改IP地址。
一旦你修改的设备名称与控制器中指定的名称相符，即便是原来设备的IP地址并不是控制器内相同名称下的IP地址，也会自动关联上IP并开始正常工作。
例如：网络中的CMD4A9 名称是CMD4A9_1，IP地址是192.168.0.121，并没有正常与控制器通讯连接，一旦你修改名称为CMD4A9_1，那么系统会自动关联控制器指定的IP地址为192.168.0.120，这一点非常重要，特别牢记！
2.8 添加监视
接下来我们将CMDF9-8AD、CMDF9-8ADP对应的IW区添加到添加到监控表_1并按10进制监视，在线后就能及时监视采集值是多少数据。 CMDF9-32DI也添加到对应IW区并按二进制方式监视，能看到对应位置是否动作。对于CMDF9-8DA模拟量输出及CMDF9-32DOP开关量输出模块，同样发方式也可以添加输出监视区QW，便于强制输出便于测试输出。
至此，模块的配置和测试即告完毕，由此可见应用将变得非常简单！
下面是网络设备示意：
3 结束语
CMDF9系列模块和显示表（器）主芯片是采用PI推荐的ERTC200P，完全由该芯片独立完成PROFINET RT和IRT功能，功能完善、稳定可高，这和市面上某些用普通以太网芯片模拟PROFINET是不同的。CMDF9 PROFINET系列产品是分体式模块，每个模块均带有2个PROFINET网络接口，既可以集中安装，又能分开安装，灵活方便的优点，适合各现场级别的数据采集、控制和显示，弥补PLC在现场显示某些方面的不足，不失一种廉价的PLC控制系统数据采集、控制、显示解决方案，具有一定的推广应用价值！
参考文献
[1] Siemens.SIMATIC S7-1200使用手册.
[2] Siemens.S7-1200 入门指南.
[3] Siemens.SIMATIC TIA Portal STEP 7 Basic V10.5.
[4] 德阳市捷通科技.CMD
[5] 德阳市捷通科技.CMD
[6] 德阳市捷通科技.CMDF9-8AD用户手册.
[7] 德阳市捷通科技. CMDF9-8ADP用户手册.
[8] 德阳市捷通科技.CMDF9-8DA用户手册.
[9] 德阳市捷通科技.CMDF9-32DOP用户手册.
[10]德阳市捷通科技. CMDF9-32DI用户手册.
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