鄭長山

摘 要： 針對學(xué)生對通過EM277模塊進行的S7-300與S7-200PLC的PROFIBUS-DP通信難以理解，學(xué)習(xí)興趣不濃厚等問題，作者提出了一種優(yōu)化教學(xué)的設(shè)計方案。該方案分析了教學(xué)情況，采用了相應(yīng)的教學(xué)策略，詳細介紹了教學(xué)設(shè)計的過程。結(jié)論表明，本教學(xué)設(shè)計通過各種教學(xué)方法，系統(tǒng)化了之前學(xué)習(xí)的知識，WinCC監(jiān)控的引入豐富了視覺感受，使學(xué)生產(chǎn)生了學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞： PROFIBUS-DP 教學(xué)設(shè)計 教學(xué)方法

目前，PROFIBUS的應(yīng)用十分廣泛?；贓M277的S7-200與S7-300間的PROFIBUS通信除可實現(xiàn)全集成自動化控制以外，還可以廉價地實現(xiàn)分布式I/O。S7-200作為分布式I/O實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集與控制，S7-300則實現(xiàn)中央集中控制功能，該方案與傳統(tǒng)I/O控制方式相比，避免了繁瑣的I/O接線問題，提高了系統(tǒng)的可靠性[1]。

現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等課程一般都要講述EM277的S7-200與S7-300間的PROFIBUS-DP通信，該通信學(xué)生理解困難，學(xué)習(xí)興趣不濃厚，效果不理想。對老師來說，教學(xué)實施困難，教學(xué)效果不是很滿意。為此，我進行了教學(xué)設(shè)計的優(yōu)化實踐。

1.對教學(xué)情況分析

高職學(xué)生特點：學(xué)習(xí)積極性不高；興趣不濃；自主學(xué)習(xí)能力弱；好奇心強，樂于動手與實踐。

教學(xué)目標(biāo)：了解通信的硬件與軟件配置；掌握通信硬件連接（重點）；掌握系統(tǒng)硬件組態(tài)；掌握網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及通信區(qū)設(shè)置（重難點）；掌握網(wǎng)絡(luò)編程方法（重難點）；掌握變量表調(diào)試（重點）、熟悉WinCC畫面及PLC指示燈調(diào)試（重點）；掌握聯(lián)機調(diào)試方法（重點）。最終培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力及良好的職業(yè)綜合能力。

2.采用的教學(xué)策略

根據(jù)以上教學(xué)情況分析，教學(xué)策略要體現(xiàn)“做中教，做中學(xué)”的特色，具體教學(xué)策略如下：

2.1采用項目教學(xué)法，采用工程項目解決步驟，培養(yǎng)工程思維。運用詳細步驟法，降低難度。采用該策略解決重難點、培養(yǎng)解決問題能力及職業(yè)綜合能力。

2.2在從站S7-200PLC側(cè)，控制對象為星-三角降壓啟動控制的電機。主站S7-300PLC側(cè)引入WinCC監(jiān)控，可監(jiān)控從站。上述做法系統(tǒng)化了知識體系，將學(xué)生之前學(xué)習(xí)的電氣控制、S7-200PLC、S7-300PLC、WinCC組態(tài)等課程聯(lián)系起來，既是復(fù)習(xí)又是系統(tǒng)化的提升還使各門課程得到具體應(yīng)用。以上內(nèi)容通過觀測電機及畫面，達到強烈的視覺效果，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。

2.3采用小組學(xué)習(xí)法，小組排名以激發(fā)集體榮譽感，解決學(xué)習(xí)積極性不高的問題。

2.4播放工程應(yīng)用視頻，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.教學(xué)過程設(shè)計（6課時）

3.1課前準(zhǔn)備。

課前通過微信或QQ發(fā)送給學(xué)生精品課程網(wǎng)站網(wǎng)址及其他相關(guān)知識學(xué)習(xí)的網(wǎng)址，讓學(xué)生課前學(xué)習(xí)。另外，通過教材預(yù)習(xí)PROFIBUS-DP通信，使學(xué)生有目的地學(xué)習(xí)。

3.2播放工程通信視頻，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

通過網(wǎng)上下載PROFIBUS-DP通信工程應(yīng)用視頻短片，播放給學(xué)生觀看的同時并講解，使學(xué)生了解工程實例，了解所學(xué)的知識是有廣泛的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3.3創(chuàng)建本課程PROFIBUS-DP通信項目應(yīng)用情境。

為給學(xué)生直觀感性的認識，提高學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)設(shè)項目實例應(yīng)用情境，首先教師邊講邊演示課前教師已經(jīng)完成的PROFIBUS-DP通信項目。該項目通過EM277模塊組建1臺S7-300PLC與1臺S7-200PLC的PROFIBUS-DP通信，其中S7-300PLC為主站，DP地址為2，S7-200PLC為從站，DP地址為3。要求：

3.3.1在主站通過WinCC畫面監(jiān)控從站電機狀態(tài)，按下畫面中啟動按鈕圖形，可以啟動從站電機，按下畫面中停止按鈕圖形，可以停止從站電機。并且在主站W(wǎng)inCC畫面中，監(jiān)測到從站電機的運行狀態(tài)。

3.3.2從站電機要求星-三角降壓啟動PLC控制，并且從站可以啟動或停止從站電機。

星-三角PLC控制之前已經(jīng)學(xué)過，因此這些硬件連接部分已經(jīng)完成，但是要完成軟件PLC編程。另外，還要完成PROFIBUS-DP通信。

將學(xué)生分成兩人一個學(xué)習(xí)小組，然后請小組模仿體驗操作過程及觀測效果，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教師告訴學(xué)生，他們通過六節(jié)課的學(xué)習(xí)，可以完成該實驗的通信硬件連接及軟件編程，也能看到同樣的效果。短時間里就能體會到成功的喜悅，這種做法是給學(xué)生下達項目任務(wù)。

3.4項目實施過程

步驟1：硬件與軟件配置。

學(xué)生課前預(yù)習(xí)后，教師在課堂上抽查小組預(yù)習(xí)情況，由組員代表回答硬件、軟件配置，根據(jù)回答情況記錄成績。為了實現(xiàn)S7-300與S7-200PLC的PROFIBUS-DP通信，必須以下配置：

硬件：一臺西門子CPU315-2PN/DP、一個電源模塊PS3075A、一臺S7-200PLC、一個EM277模塊、一根PROFIBUS通信電纜、兩個DP頭，用于S7-300PLC的以太網(wǎng)下載線，用于S7-200PLC的USB/PPI編程電纜下載線。安裝有STEP7-Micro/WINV4.0SP6編程軟件的電腦、安裝有STEP7編程軟件的電腦。通信硬件連接如圖1所示，DP頭在終端，所以DP頭開關(guān)撥向OFF。

圖1 通信硬件連接

軟件：用于S7-300PLC的STEP7編程軟件，用于S7-200PLC的STEP7-Micro/WINV4.0SP6以上編程軟件，WinCC組態(tài)軟件。

步驟2：系統(tǒng)硬件組態(tài)。

關(guān)于系統(tǒng)硬件組態(tài)，較簡單，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生完成操作，具體內(nèi)容如下。

本系統(tǒng)選用帶有DP口和以太網(wǎng)口的西門子CPU315-2PN/DP作為主站的控制器。雙擊SIMATIC300，插入導(dǎo)軌，1號槽位插入電源模塊PS3075A，2號槽位插入CPU模塊CPU315-2PN/DP。

步驟3：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置。

此步驟根據(jù)小組完成的時間進行打分。

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置是重難點，教師邊操作，邊講解，告訴學(xué)生注意理解選定地址、通信速率含義，會GSD文件的安裝過程。學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊操作，更重要的是理解。如果有疑問，小組內(nèi)部解決，如不能解決，老師個別輔導(dǎo)，具體內(nèi)容如下。

在HWConfig中，雙擊CPU模板的MPI/DP行，接口類型選擇PROFIBUS，DP地址選擇為2。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中傳輸率設(shè)置12Mbps，配置文件為DP。

要與S7-200PLC進行DP通信，本系統(tǒng)把S7-200PLC的DP地址設(shè)置為3，在硬件EM277模塊上，用螺絲刀將撥碼開關(guān)箭頭指向3的位置，必須對PLC斷電重啟，才可以使設(shè)定的地址有效。

關(guān)于軟件，安裝EM277的GSD文件，EM277作為PROFIBUS-DP從站模塊，其有關(guān)參數(shù)是以GSD文件的形式保存的。在對EM277組態(tài)之前，需要安裝它的GSD文件。GSD文件是siem089d.gsd。在HWConfig界面上，單擊選項按鈕，再單擊安裝GSD文件，直到安裝結(jié)束。

在HWConfig界面右側(cè)，找到AdditionalFieldDevices，將EM277PROFIBUS-DP，拖到PROFIBUS（3）：DP主站系統(tǒng)線上，如圖2所示。

圖2 EM277PROFIBUS-DP拖到PROFIBUS主站系統(tǒng)

在屬性-PROFIBUS接口EM277PROFIBUS-DP界面上，設(shè)置從站DP地址為3。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置傳輸率12Mbps，配置文件：DP。

步驟4：通信區(qū)設(shè)置。

此步驟根據(jù)小組完成的時間進行打分。

通信區(qū)設(shè)置是重難點，教師可用打比方的方法講清楚發(fā)送和接收的含義。教師邊操作邊講解，學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊實踐，如果有疑問，小組內(nèi)部解決，如不能解決，則老師個別輔導(dǎo)。操作及講解內(nèi)容如下：

根據(jù)需要選擇傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，選擇8輸出/8輸入，單擊EM277，單擊右邊8BytesOut/8BytesIn，STEP7自動分配主站的I地址和Q地址。即主站接收區(qū)是IB0～IB7，發(fā)送區(qū)是QB0～QB7。

雙擊網(wǎng)絡(luò)線下的EM277，打開屬性-DP從站對話框，單擊分配參數(shù)按鈕，設(shè)置I/OOffsetintheV-memory為100，如圖3所示。即在V存儲區(qū)中的I/O偏移量為100，含義是S7-200PLC中的VB100～VB107是接收區(qū)。接收的是S7300PLC中的QB0～QB7發(fā)送區(qū)發(fā)送的數(shù)據(jù)；S7-200PLC中的VB108～VB115是發(fā)送區(qū)，發(fā)送到S7300PLC的接收區(qū)IB0～IB7。然后保存并編譯，組態(tài)結(jié)束后，將整個組態(tài)信息下載到S7-300PLC中，通信區(qū)如圖4所示。

圖3 設(shè)置I/OOffsetintheV-memory為100

圖4 通信區(qū)

步驟5：程序設(shè)計。

關(guān)于程序設(shè)計，建議先編寫簡單通信的程序，調(diào)試網(wǎng)絡(luò)是否正常。教師邊操作邊講解如下：

主站通過MOVE指令編寫自發(fā)送數(shù)據(jù)程序，編寫自接收程序；從站編寫接收的信息通過MOVE指令送發(fā)送出去。通過變量表調(diào)試自發(fā)自接收數(shù)據(jù)是否成功，如果不成功，檢查原因，繼續(xù)調(diào)試，直到成功為止，說明網(wǎng)絡(luò)正確。

根據(jù)項目任務(wù)和圖4通信區(qū)編寫主站與從站程序，向?qū)W生強調(diào)任務(wù)要深刻理解。

編寫星-三角降壓啟動PLC控制程序，再編寫WinCC畫面相關(guān)程序。引入這部分既是復(fù)習(xí)，又是將幾門課程系統(tǒng)化的提升，也使各門課程得到具體應(yīng)用?？梢宰寣W(xué)生直接觀測通信效果，直接看到電機運行狀態(tài)，WinCC監(jiān)控更形象生動，使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

步驟6：WinCC監(jiān)控畫面制作及調(diào)試。

下面的知識學(xué)生學(xué)過，教師引導(dǎo)，學(xué)生完成。

利用之前學(xué)習(xí)的WinCC組態(tài)課程，根據(jù)任務(wù)建立變量、制作畫面，建立連接，在斷電情況下確保PLC輸入正確接線，PLC輸出暫時不接，送電，通過WinCC畫面及PLC指示燈調(diào)試。

如果滿足項目要求，調(diào)試成功，不滿足，檢查原因，修改程序，繼續(xù)調(diào)試，直到滿足要求為止。

步驟7：聯(lián)機調(diào)試。

這一步使學(xué)生獲得成就感，之前教師已經(jīng)操作過，所以教師引導(dǎo)學(xué)生操作。

必須在斷電的情況下，學(xué)生將PLC輸出連到控制對象，確保連線正確，通電進行聯(lián)機調(diào)試，在主站W(wǎng)inCC畫面上，單擊啟動按鈕圖形，觀看從站電機由低速到高速啟動運行，單擊停止按鈕圖形，觀看到從站電機停止。WinCC畫面指示燈HL能監(jiān)視從站電機運行狀態(tài)。

在從站按下啟動按鈕SB1，觀看從站電機由低速到高速啟動運行，在從站按下停止按鈕SB2，觀看到從站電機停止。

如果滿足上述要求，聯(lián)機調(diào)試成功，不滿足，檢查原因，繼續(xù)聯(lián)機調(diào)試，直到滿足要求為止。

步驟8：教師點評與評定成績。

根據(jù)教師檢查、項目完成情況、合作情況、過程記錄情況進行點評，自制評分表格，教師給出小組最終成績，每個小組排名。每位學(xué)生為了本組集體榮譽，為此更積極努力，增強學(xué)習(xí)效果。

步驟9：項目拓展。

將本項目學(xué)到的一個主站S7-300與一個從站S7-200的PROFIBUS-DP通信拓展到一個主站與兩個從站PROFIBUS-DP通信，再拓展到一個主站與三個從站PROFIBUS-DP通信。

本教學(xué)設(shè)計采用項目教學(xué)法、小組學(xué)習(xí)法、步驟法、案例教學(xué)法等，通過觀看視頻、系統(tǒng)化各門課程、增強視覺效果等多種方法，在項目實施過程中突出“做中教，做中學(xué)”的教學(xué)方法，使學(xué)生在操作中提高能力，體驗解決問題、克服困難及獲得成功的樂趣，達到滿意的學(xué)習(xí)效果。

參考文獻：

[1]邵奇峰.基于SIEMENSEM277的PROFIBUS通訊.中原工學(xué)院學(xué)報，2008，19（3）.

[2]廖常初.跟我動手學(xué)S7-300/S7-400PLC.機械工業(yè)出版社，2010.9.

[3]彭旭.閆學(xué)文.基于PROFIBUS-DP的PLC控制系統(tǒng).工業(yè)控制計算機，2015，28（2）.

[4]許洪華.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù).電子工業(yè)出版社，2007.3.

[5]向曉漢.西門子PLC工業(yè)通信完全精通教程.化學(xué)工業(yè)出版社，2013.2.

基金項目：江蘇省高等職業(yè)院校高級訪問工程師計劃資助項目（2014FG113）