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1. 概述
通常情况下，要实现HMI设备与V20变频器的通讯，需要一个支持USS通讯或MODBUS通讯的PLC，比如S7-200系列PLC。其通讯电缆连接如图1所示。PLC的一个通讯端口与屏连接，可以采用PPI协议通讯。PLC的另一个通讯端口与V20的RS485通讯端口连接，采用MODBUS协议通讯，PLC上编写MODBUS主站程序，V20为从站。
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图1 屏通过PLC与V20变频器通讯
line;color:#333333;"> 如果只需要对V2O变频器做简单的运行控制和变量，那么上述配置中PLC的作用仅为数据中转。这种情况下，屏直接和V20变频器通讯，不仅能够实现监控功能，而且可以少用一个PLC，节省成本。采用西门子的ART LINE系列屏能够实现与V20变频器直接通讯的功能。通讯电缆连接如图2所示。ART LINE屏作为MODBUS主站，V20为从站。
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图2 屏直接与V20变频器通讯
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2. 硬件设备及其安装
下面用一个实例来介绍Smart Line屏与一台V20变频器通过MODBUS通讯的实现。该例子中用到的主要硬件设备如表1所示，屏组态为WinCC Flexible 2008 SP4 China。
line;color:#333333;"> 表1 示例主要硬件设备bOU
| 名称 | 订货号 | 数量 | 说明 |
| 屏 | 66648-0BE11-3AX0 | 1 | Smart 1000 IE |
| 24V电源 | 6EP1332-1SH51 | 1 | DC24V/4A |
| 变频器 | 6SL3210-5BE17-5UV0 | 1 | V20 变频器 0.75kW |
| 电机 | 1LA9060-4KA10-Z | 1 | 1LA9 电机 0.12kW |
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硬件安装步骤如下：
1）将变频器、电机、屏固定在安装工位上。
2）连接变频器到电机的动力电缆和接地电缆。
3）连接供电电源到变频器的动力电缆和接地电缆。
4）连接变频器和屏的RS485通讯电缆。屏RS485的9针接口与 V20端子对应关系：3对应P+，8对应N-。
5）连接24V直流电源的交流进线电缆和到屏的直流供电电缆。
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3. V20变频器参数设置
V20变频器要采用MODBUS通讯，可以做如下设置：
line;color:#333333;"> 表2 Cn011对应参数设置
| 参数 | 描述 | 工厂缺省值 | Cn011默认值 | 备注 |
| P0700[0] | 选择命令源 | 1 | 5 | RS485为命令源 |
| P1000[0] | 选择速度给定 | 1 | 5 | RS485为速度设定值 |
| P2023[0] | RS485协议选择 | 1 | 2 | MODBUS RTU协议 |
| P2010[0] | USS/MODBUS波特率 | 8 | 6 | 波特率为9600bps |
| P2021[0] | MODBUS地址 | 1 | 1 | 变频器MODBUS地址为1 |
| P2022[0] | MODBUS应答时时间 | 1000 | 1000 | 向主站发回应答的大时间 |
| P2014[0] | USS/MODBUS报文间断时间 | 2000 | 100 | 监控报文间断时间 |
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3）修改MODBUS通讯参数，其它参数为Cn011连接宏默认参数：
P2014[0]=0 不监控报文间隔时间，否则可能会报F72故障
P2021[0]=3 MODBUS设备地址为3（与屏组态中设置的从站地址一致）
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4. 屏组态bOU
在WinCC Flexible 2008 SP4 China中组态Smart 1000 IE屏。详细步骤如下：
1）创建项目。
创建一个空项目，如图3所示。
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图3 创建空项目
line;color:#333333;"> 选择屏设备为Smart 1000 IE，如图4所示。
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图4 选择Smart 1000 IE屏
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2）设置连接。
在连接画面中新建一个连接，相关参数设置如下：
通讯驱动程序：Modicon
连接设置如图5所示。
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图5 连接设置
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3）添加变量。
添加与变频器监控相关的10个变量，如表3所示。
line;color:#333333;"> 表3 变量列表
| 变量名 | MODBUS寄存器地址 | 说明 |
| CtrlWord1 | 40100 | 控制字1 |
| SetPoint | 40101 | 速度设定值 |
| StsWord1 | 40110 | 状态字1 |
| Feedback | 40111 | 速度实际值 |
| ActFreq | 40342 | 实际值 |
| OutpVoltage | 40343 | 输出电压 |
| DCVol | 40344 | 直流电压 |
| OutpCurrent | 40345 | 输出电流 |
| OutpTorque | 40346 | 输出转矩 |
| OutpPower | 40347 | 输出功率 |
line;color:#333333;"> 变量地址参照V20变频器操作手册，添加完成后的变量画面如图6所示。
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图6 添加变量
line;color:#333333;"> 速度设定值变量SetPoint是由-16384(-4000H)到+16384(+4000H)来表示-50Hz到+50Hz的转速，此处采用变量的线性转换属性，将-16384对应-1500，+16384对应+1500，如图7所示。再采用变量的值属性，将变量的输入值在-1600和+1600之间，如果出该值的范围，则输入不起作用。如图8所示。
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图7 速度设定值变量线性转换
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图8 速度设定值变量值
line;color:#333333;"> 速度反馈值变量Feedback也是由-16384(-4000H)到+16384(+4000H)来表示-50Hz到+50Hz的转速，此处也采用变量的线性转换属性，将-16384对应-1500，+16384对应+1500，如图9所示。注意，图9和图7所示的线性转换是一致的
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图9 速度反馈值变量线性转换
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4）添加画面。
项目生成时已经有一个模板和一个画面，此例仅用到一个画面。修改画面的名字为V20_Monitor，如图10所示。
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图10 编辑之前的画面V20_
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5）编辑模板。
模板中的对象在选择使用模板的画面中会显示出来，此处把西门子的LOGO和退出Runtime的按钮放置在模板中，如图11所示。
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图11 编辑模板
line;color:#333333;"> 然后在按钮的事件属性中添加函数。在按钮STOP RT事件属性的单击事件下添加StopRuntime函数，如图12所示。
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图12 退出运行画面按钮事件设置
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6）编辑画面。
在V20_Monitor画面中放置IO域、文本域、按钮、棒图、圆形等对象。在文本域中输入相应的文本，设置字号、颜色等，将相关对象分类排列整齐，完成后的V20_Monitor画面如图13所示。
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图13编辑完成的画面V20_
line;color:#333333;"> 给10个IO域分别连接10个变量。
line;color:#333333;"> 其中控制字1和状态字1采用16进制显示，控制字1类型为输入/输出，状态字1类型为输出，如图14所示。
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图14 控制字1对应IO域常规设置
line;color:#333333;"> 转速设定、实际转速、输出电压、直流电压采用带符号整数显示，转速设定类型为输入/输出，其它三个变量类型为输出，如图15所示。
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图15 实际转速对应IO域常规设置
line;color:#333333;"> 输出、输出电流、输出转矩、输出功率采用带符号整数显示，并小数点2位，类型为输出，如图16所示。此处小数点2位的作用是将通讯接收到的值除以100并显示在屏上，这样做的理由是V20变频器在发送这些值时将实际值乘了100。
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图16 输出电流对应IO域常规设置
line;color:#333333;"> 除了用IO域来显示实际转速的数值外，还采用棒图这种图形化的形式来显示实际转速，编辑完成的棒图外观如图17所示。
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图17 编辑完成的棒图外观
line;color:#333333;"> 设置棒图的常规属性，其中连接变量为Feedback，大值设为2000，小值设为-2000，如图18所示。
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图18 棒图常规属性设置
line;color:#333333;"> 设置棒图的外观，如图19所示。
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图19 棒图外观属性设置
line;color:#333333;"> 设置棒图刻度，如图20所示。
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图20 棒图刻度属性设置
line;color:#333333;"> 运行指示灯用来指示变频器是否处于运行状态，连接变量为StsWord1的第2位，运行时显示绿色，非运行时显示白色。其外观动画设置如图21所示。
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图21 运行指示及其外观动画设置
line;color:#333333;"> 反转指示灯用来指示变频器是否处于反转状态，连接变量为StsWord1的第14位，反转时显示绿色，非反转时显示白色。其外观动画设置如图22所示
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图22 反转指示及其外观动画设置
line;color:#333333;"> 故障指示灯用来指示变频器是否处于故障状态，连接变量为StsWord1的第3位，故障时显示红色，非故障时显示绿色。其外观动画设置如图23所示。
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图23 故障指示及其外观动画设置
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接着设置4个按钮的功能，此处在按钮的单击事件下添加不同的函数来实现不同的功能。
启动按钮：添加SetValue函数，变量为CtrlWord1，值为1150（16进制047E）。再添加SetBitInTag函数，变量仍为CtrlWord1，位为0，如图24所示。每次按下启动按钮，屏将先发送047E，再发送047F给V20变频器，实现启动功能。
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图24 启动按钮事件设置bOU
line;color:#333333;"> 停止按钮：添加ResetBitInTag函数，变量为CtrlWord1，位为0，如图25所示。每次按下停止按钮，控制字1的第0位将被复位为0，屏将发送047E给V20变频器，实现OFF1停车功能。
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图25 停止按钮事件设置bOU
line;color:#333333;"> 反向按钮：添加InvertBitInTag函数，变量为CtrlWord1，位为11，如图26所示。每次按下反向按钮，控制字1的第11位将做非运算，屏将相应的正转或反转指令发送给V20变频器，实现转向反向功能。
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图26 反向按钮事件设置
line;color:#333333;"> 故障确认按钮：添加SetBitInTag函数，变量为CtrlWord1，位为7。再添加ResetBitInTag函数，变量仍为CtrlWord1，位为7，如图27所示。每次按下故障确认按钮，屏将先发送1状态的故障确认位，再发送0状态的故障确认位给V20变频器，给故障确认位一个上升沿，实现故障确认功能。
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图27 故障确认按钮事件设置
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5. 运行效果
完成上述步骤之后，下载组态程序至屏中。实际运行效果证明：ART LINE屏与V20变频器通讯正常，屏可以通过四个按钮控制变频器运行、停止、反向以及故障确认；变频器相关变量和状态可以在屏上正确显示。变频器运行时屏显示画面如图28所示
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图28 变频器运行时屏显示画面
编程功能
离线编程：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程可成本，但使用和调试不方便。在线编程：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种成本较高，但调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以特殊控制的控制要求。
(五)诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，诊断分内诊断和外诊断。通过对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
| 定货号 | 注释 |
| CPU | |
| 6ES7211-0AA23-0XB0 | CPU221 DC/DC/DC,6输入/4输出[1] |
| 6ES7211-0BA23-0XB0 | CPU221 继电器输出,6输入/4输出[2] |
| 6ES7212-1AB23-0XB8 | CPU222 DC/DC/DC,8输入/6输出[3] |
| 6ES7212-1BB23-0XB8 | CPU222 继电器输出,8输入/6输出[4] |
| 6ES7214-1AD23-0XB8 | CPU224 DC/DC/DC,14输入/10输出[5] |
| 6ES7214-1BD23-0XB8 | CPU224 继电器输出,14输入/10输出[6] |
| 6ES7214-2AD23-0XB8 | CPU224XP DC/DC/DC,14DI/10DO,2AI/1AO[7] |
| 6ES7214-2BD23-0XB8 | CPU224XP 继电器输出,14DI/10DO,2AI/1AO[8] |
| 6ES7216-2AD23-0XB8 | CPU226 DC/DC/DC,24输入/16输出[9] |
| 6ES7216-2BD23-0XB8 | CPU226 继电器输出,24输入/16输出[10] |
| 扩展模块 | |
| 6ES7221-1BH22-0XA8 | EM221 16入 24VDC，开关量[11] |
| 6ES7221-1BF22-0XA8 | EM221 8入 24VDC，开关量[12] |
| 6ES7221-1EF22-0XA0 | EM221 8入 120/230VAC，开关量[13] |
| 6ES7222-1BF22-0XA8 | EM222 8出 24VDC，开关量[14] |
| 6ES7222-1EF22-0XA0 | EM222 8出 120V/230VAC，0.5A 开关量[15] |
| 6ES7222-1HF22-0XA8 | EM222 8出 继电器[16] |
| 6ES7222-1BD22-0XA0 | EM222 4出 24VDC 固态－MOSFET[17] |
| 6ES7222-1HD22-0XA0 | EM222 4出 继电器 干触点[18] |
| 6ES7223-1BF22-0XA8 | EM223 4入/4出 24VDC，开关量[19] |
| 6ES7223-1HF22-0XA8 | EM223 4入 24VDC/4出 继电器[20] |
| 6ES7223-1BH22-0XA8 | EM223 8入/8出 24VDC，开关量[21] |
| 6ES7223-1PH22-0XA8 | EM223 8入 24VDC/8出 继电器[22] |
| 6ES7223-1BL22-0XA8 | EM223 16入/16出 24VDC，开关量[23] |
| 6ES7223-1PL22-0XA8 | EM223 16入 24VDC/16出 继电器[24] |
| 6ES7223-1BM22-0XA8 | EM223 32入/32出 24VDC，开关量 |
| 6ES7223-1PM22-0XA8 | EM223 32入 24VDC/32出 继电器 |
| 6ES7231-0HC22-0XA8 | EM231 4入*12位精度，模拟量[25] |
| 6ES7231-7PB22-0XA8 | EM231 2入*热电阻，模拟量[26] |
| 6ES7231-7PD22-0XA8 | EM231 4入*热电偶，模拟量[27] |
| 6ES7232-0HB22-0XA8 | EM232 2出*12位精度，模拟量[28] |
| 6ES7235-0KD22-0XA8 | EM235 4入/1出*12位精度，模拟量[29] |
| 6ES7277-0AA22-0XA0 | EM277 PROFIBUS-DP接口模块[30] |
| 6GK7243-2AX01-0XA0 | CP243-2 AS-i接口模块[31] |
| 6ES7253-1AA22-0XA0 | EM253 位控模块[32] |
| 6ES7241-1AA22-0XA0 | EM241 调制解调器模块 |
| 6GK7243-1EX01-0XE0 | CP243-1 工业以太网模块 |
| 6GK7243-1GX00-0XE0 | CP243-1IT 工业以太网模块[33] |
| 附件 | |
| 6ES7291-8GF23-0XA0 | MC291,新CPU22x存储器盒,64K |
| 6ES7297-1AA23-0XA0 | CC292,CPU22x时钟/日期电池盒 |
| 6ES7291-8BA20-0XA0 | BC293,CPU22x电池盒 |
| 6ES7290-6AA20-0XA0 | 扩展电缆,I/O扩展,0.8米,CPU22x/EM |
| 6ES7901-3CB30-0XA0 | 编程/通讯电缆,PC/PPI,带光电隔离,5-开关,5m |
| 6ES7901-3DB30-0XA0 | 编程/通讯电缆,PC/PPI,带光电隔离,U接口，5-开关 |
| 6ES7292-1AD20-0AA0 | CPU22x/EM端子连接器块,7个端子,可拆卸 |
| 6ES7292-1AE20-0AA0 | CPU22x/EM端子连接器块,12个端子,可拆卸 |
| 6ES7292-1A-0AA0 | CPU22x/EM连接器块,18个端子,可拆卸 |
| 66640-0AA00-0AX0 | TD400C文本显示器[34] |
| 6EP1332-1SH31 | 专为S7－200 设计电源,24V/3.5A 可并联5个 |
| 6ES7272-0AA30-0YA0 | TD200文本显示器 |
| 6XV1830-0EH10 | 网络总线 |
| 6ES7972-0BB12-0XA0 | 网络总线连结器，带编程口，垂直电缆出线 |
| 6ES7972-0BA12-0XA0 | 网络总线连结器，不带编程口，垂直电缆出线 |
| 6ES7972-0BA41-0XA0 | 网络总线连结器，不带编程口，35度垂直电缆出线 |
| 6ES7972-0BB41-0XA0 | 网络总线连结器，带编程口，35度垂直电缆出线 |
| 6ES7901-0BF00-0AA0 | PLC跟屏通讯电缆 |
