一.行業(yè)痛點與需求背景

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，西門子S7-200系列PLC憑借其穩(wěn)定可靠的性能，長期以來在中小型自動化控制場景中占據(jù)重要地位，廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)設(shè)備、能源設(shè)施的控制環(huán)節(jié)。然而，隨著工業(yè)4.0理念的深入推進(jìn)和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，S7-200系列PLC逐漸暴露出一個關(guān)鍵短板——缺乏原生以太網(wǎng)接口，這使其難以接入現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，無法滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和集中管理的需求。

某大型能源集團(tuán)下屬的分布式能源站便面臨著這一典型問題。該能源站采用多套西門子S7-200PLC（具體型號為CPU226CN）負(fù)責(zé)不同區(qū)域的配電設(shè)備、變頻系統(tǒng)和能耗監(jiān)測儀表的控制與數(shù)據(jù)采集。由于S7-200PLC僅配備RS485通訊口（9針接口），長期以來只能通過PPI協(xié)議與本地觸摸屏進(jìn)行有限的數(shù)據(jù)交互，存在以下突出問題：

1.數(shù)據(jù)孤島嚴(yán)重：各區(qū)域的S7-200PLC自成體系，數(shù)據(jù)無法集中上傳，管理層難以實時掌握整體能源運行狀態(tài)。

2.遠(yuǎn)程維護(hù)困難：設(shè)備故障需技術(shù)人員到場排查，增加了運維成本和停機(jī)時間。

3.系統(tǒng)擴(kuò)展受限：無法與新建的基于西門子S7-1500PLC的中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，形成新舊系統(tǒng)的技術(shù)鴻溝。

4.多品牌設(shè)備兼容問題：能源站后期引入的第三方觸摸屏（如威綸通MT8102iE）與S7-200PLC的通訊配置復(fù)雜，穩(wěn)定性欠佳。

為解決上述問題，該能源站亟需一種能夠?qū)7-200PLC接入以太網(wǎng)的解決方案，實現(xiàn)與S7-1500PLC的實時數(shù)據(jù)交互，并支持上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的集中管理，同時需保留原有觸摸屏的本地操作功能。經(jīng)過多方調(diào)研與測試，最終選擇了遠(yuǎn)創(chuàng)智控PPI-ETH-YC01Plus直通型以太網(wǎng)通訊處理器作為核心轉(zhuǎn)換設(shè)備。

二.解決方案與設(shè)備選型

核心設(shè)備選型

1.主控制器

o原有設(shè)備：西門子S7-200PLC（CPU226CN，6ES7216-2BD23-0XB8），負(fù)責(zé)各區(qū)域能源設(shè)備的邏輯控制與數(shù)據(jù)采集。

o新增設(shè)備：西門子S7-1500PLC（CPU1511-1PN，6ES7511-1AK02-0AB0），作為中央控制系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)匯總與協(xié)調(diào)控制。

2.通訊轉(zhuǎn)換設(shè)備

o遠(yuǎn)創(chuàng)智控PPI-ETH-YC01Plus直通型以太網(wǎng)通訊處理器：作為S7-200PLC與以太網(wǎng)的橋梁，支持PPI協(xié)議與ModbusTCP/IP協(xié)議的雙向轉(zhuǎn)換，其9針接口可同時連接S7-200PLC和第三方觸摸屏，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行傳輸。

3.人機(jī)交互設(shè)備

o原有設(shè)備：威綸通MT8102iE觸摸屏，通過PPI協(xié)議與S7-200PLC進(jìn)行本地數(shù)據(jù)交互。

o新增設(shè)備：西門子TP1700精智面板（6AV2124-1GC01-0AX0），用于中央控制室的本地監(jiān)控。

4.上位機(jī)系統(tǒng)

o采用西門子WinCCV7.5組態(tài)軟件，部署于工業(yè)服務(wù)器（戴爾PowerEdgeR740），實現(xiàn)全系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理。

5.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

o西門子SCALANCEXB005交換機(jī)（6GK5005-0BA10-1AA3）：構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

o工業(yè)級光纖收發(fā)器（赫斯曼RS20-0800M2M2SDAEHC）：用于遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸，保障通訊穩(wěn)定性。

三.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該能源管理與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設(shè)計：

1.現(xiàn)場控制層：由S7-200PLC（CPU226CN）、遠(yuǎn)創(chuàng)智控PPI-ETH-YC01Plus網(wǎng)關(guān)模塊和威綸通觸摸屏組成。S7-200PLC通過9針RS485接口與PPI-ETH-YC01Plus模塊連接，同時該模塊的9針接口通過分支線路連接威綸通觸摸屏，實現(xiàn)本地操作與數(shù)據(jù)采集的并行處理。

2.中央控制層：以西門子S7-1500PLC（CPU1511-1PN）為核心，通過工業(yè)以太網(wǎng)與各現(xiàn)場控制層的PPI-ETH-YC01Plus模塊建立通訊連接，實現(xiàn)對分布式能源設(shè)備的集中監(jiān)控與協(xié)調(diào)控制。

3.監(jiān)控管理層：由WinCC上位機(jī)系統(tǒng)和西門子TP1700精智面板組成，通過以太網(wǎng)與S7-1500PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)全系統(tǒng)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、報表生成和遠(yuǎn)程控制功能。

系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵在于PPI-ETH-YC01Plus模塊的"直通型"設(shè)計——該模塊不僅能將S7-200PLC的PPI協(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)協(xié)議，還能通過其9針接口同時支持第三方觸摸屏的PPI協(xié)議通訊，無需在PLC端進(jìn)行復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換配置，完美解決了新舊設(shè)備兼容和數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)膯栴}。

四.詳細(xì)實施過程

硬件安裝與接線

1.PPI-ETH-YC01Plus模塊與S7-200PLC的連接

o使用遠(yuǎn)創(chuàng)智控專用的PPI通訊電纜（YC-PPI-03），一端連接S7-200PLC的9針RS485接口（引腳定義：3-Data+，8-Data-，5-GND），另一端連接PPI-ETH-YC01Plus模塊的"PLC"接口。

o模塊的電源接口接入24VDC電源（由能源站的直流電源柜提供，確保電壓穩(wěn)定）。

2.觸摸屏與PPI-ETH-YC01Plus模塊的連接

o威綸通MT8102iE觸摸屏通過其RS485接口（引腳定義：2-Data+，3-Data-，5-GND）連接至PPI-ETH-YC01Plus模塊的"Touch"接口，采用標(biāo)準(zhǔn)屏蔽雙絞線，長度控制在10米以內(nèi)，避免信號干擾。

3.以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組建

oPPI-ETH-YC01Plus模塊的以太網(wǎng)口通過超五類工業(yè)以太網(wǎng)電纜連接至SCALANCEXB005交換機(jī)。

oS7-1500PLC的PROFINET接口、WinCC服務(wù)器的網(wǎng)卡和TP1700精智面板的以太網(wǎng)口均通過工業(yè)以太網(wǎng)電纜連接至同一交換機(jī)，形成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

o對于距離超過100米的區(qū)域（如室外配電房），通過赫斯曼光纖收發(fā)器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，采用單模光纖傳輸，保障通訊穩(wěn)定性。

模塊參數(shù)配置

PPI-ETH-YC01Plus模塊的參數(shù)配置通過遠(yuǎn)創(chuàng)智控提供的"YC-ETH-Config"軟件完成，具體步驟如下：

1.模塊搜索與連接：將電腦通過以太網(wǎng)電纜直接連接至PPI-ETH-YC01Plus模塊，打開配置軟件，點擊"搜索設(shè)備"，軟件自動識別模塊并顯示其默認(rèn)IP地址（192.168.1.100）。

2.網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置：根據(jù)能源站的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)劃，將模塊IP地址修改為192.168.0.10（子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)192.168.0.1），與S7-1500PLC（IP：192.168.0.2）和上位機(jī)（IP：192.168.0.100）處于同一網(wǎng)段。

3.PPI協(xié)議參數(shù)配置：設(shè)置模塊與S7-200PLC的通訊參數(shù)，包括波特率（9600bps，與S7-200PLC默認(rèn)波特率一致）、數(shù)據(jù)格式（8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗）和PLC地址（2，與S7-200PLC的PPI地址對應(yīng)）。

4.ModbusTCP參數(shù)配置：啟用模塊的ModbusTCP服務(wù)器功能，設(shè)置設(shè)備ID為1，選擇數(shù)據(jù)映射模式為"自動映射"，模塊自動將S7-200PLC的V區(qū)寄存器映射為ModbusTCP的保持寄存器（例如V0.0映射為40001，V1.0映射為40002等）。

5.保存與重啟：完成參數(shù)配置后點擊"保存設(shè)置"，模塊自動重啟并應(yīng)用新配置，配置軟件顯示"設(shè)備配置成功"。

S7-1500PLC的通訊配置

在TIAPortalV16軟件中完成S7-1500PLC與PPI-ETH-YC01Plus模塊的通訊配置：

1.硬件組態(tài)：在項目中添加S7-1500PLC（CPU1511-1PN）和SCALANCEXB005交換機(jī)，設(shè)置PLC的IP地址為192.168.0.2。

2.ModbusTCP客戶端配置：

o在PLC的設(shè)備視圖中添加"ModbusTCPClient"功能塊（MB_CLIENT）。

o配置MB_CLIENT的參數(shù)：遠(yuǎn)程服務(wù)器IP地址為192.168.0.10（PPI-ETH-YC01Plus模塊的IP），端口號502，從站地址1。

o編寫數(shù)據(jù)讀寫邏輯：通過MB_CLIENT功能塊周期性讀取S7-200PLC的V區(qū)數(shù)據(jù)（如V0.0-V100.0對應(yīng)的Modbus地址40001-40101），并將控制指令寫入指定寄存器（如V200.0對應(yīng)的40201）。

3.數(shù)據(jù)處理：在OB1組織塊中編寫數(shù)據(jù)處理程序，將從S7-200PLC讀取的能耗數(shù)據(jù)（電流、電壓、功率等）進(jìn)行轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化處理，存儲至PLC的過程數(shù)據(jù)塊（DB1）中，供上位機(jī)系統(tǒng)調(diào)用。

上位機(jī)與觸摸屏配置

1.WinCC上位機(jī)配置：

o在WinCCV7.5中創(chuàng)建與S7-1500PLC的連接，采用S7協(xié)議，IP地址192.168.0.2。

o組態(tài)監(jiān)控畫面，包括能源站總覽、各區(qū)域能耗監(jiān)測、設(shè)備運行狀態(tài)、報警信息等。

o建立變量連接，將S7-1500PLC數(shù)據(jù)塊（DB1）中的能耗數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)變量映射至WinCC變量。

o配置歷史數(shù)據(jù)歸檔和報表系統(tǒng)，設(shè)置數(shù)據(jù)采樣周期為1分鐘，生成日/周/月能耗報表。

2.觸摸屏配置：

o威綸通MT8102iE觸摸屏：通過EasyBuilderPro軟件配置與S7-200PLC的PPI通訊，設(shè)置波特率9600bps，PLC地址2，組態(tài)本地操作畫面（如手動/自動切換、參數(shù)設(shè)置、故障復(fù)位等）。由于PPI-ETH-YC01Plus模塊的直通功能，觸摸屏與PLC的通訊不受以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換的影響，保持原有操作邏輯不變。

o西門子TP1700精智面板：在TIAPortal中配置與S7-1500PLC的PROFINET連接，組態(tài)中央控制畫面，實現(xiàn)對全系統(tǒng)的集中監(jiān)控與操作。

五.系統(tǒng)功能與運行效果

主要功能實現(xiàn)

1.數(shù)據(jù)采集與集中監(jiān)控：通過PPI-ETH-YC01Plus模塊，S7-200PLC的實時數(shù)據(jù)（如各回路電流、電壓、功率因數(shù)、開關(guān)狀態(tài)等）經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至S7-1500PLC，再由WinCC上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集中展示，管理人員可在中央控制室實時掌握各區(qū)域的能源運行狀態(tài)。

2.遠(yuǎn)程控制與參數(shù)修改：上位機(jī)系統(tǒng)可通過S7-1500PLC向S7-200PLC發(fā)送控制指令（如遠(yuǎn)程啟停設(shè)備、調(diào)整運行參數(shù)等），指令經(jīng)PPI-ETH-YC01Plus模塊轉(zhuǎn)換為PPI協(xié)議后傳遞給S7-200PLC執(zhí)行，實現(xiàn)遠(yuǎn)程運維。

3.本地與遠(yuǎn)程操作并行：威綸通觸摸屏通過PPI-ETH-YC01Plus模塊的9針接口保持與S7-200PLC的本地通訊，操作人員可在設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行操作，同時不影響遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，實現(xiàn)"本地-遠(yuǎn)程"雙操作模式。

4.報警與故障診斷：系統(tǒng)可實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常（如過流、過壓、設(shè)備故障等）時，S7-200PLC將報警信息經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至S7-1500PLC和上位機(jī)，觸發(fā)聲光報警并記錄報警時間與原因，便于快速故障定位。

5.能耗分析與報表：WinCC上位機(jī)系統(tǒng)對采集的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，生成能耗趨勢曲線和報表，為能源管理提供數(shù)據(jù)支持，幫助企業(yè)優(yōu)化能源配置，降低能耗成本。

六.運行效果與效益分析

系統(tǒng)投入運行后，實現(xiàn)了以下顯著效果：

1.通訊穩(wěn)定性：PPI-ETH-YC01Plus模塊表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，平均無故障運行時間（MTBF）超過10,000小時，數(shù)據(jù)傳輸延遲控制在50ms以內(nèi)，滿足實時監(jiān)控需求。

2.操作便捷性：通過以太網(wǎng)通訊，技術(shù)人員可在辦公室遠(yuǎn)程訪問S7-200PLC，進(jìn)行程序下載、在線監(jiān)控和故障診斷，無需頻繁往返現(xiàn)場，運維效率提升60%以上。

3.系統(tǒng)兼容性：模塊完美支持威綸通觸摸屏與S7-200PLC的通訊，無需修改原有觸摸屏程序，保護(hù)了企業(yè)的既有投資，同時實現(xiàn)了與S7-1500PLC和WinCC系統(tǒng)的無縫集成。

4.能源管理水平提升：通過集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，該能源站的能源利用率提升了8%，年節(jié)約能源成本約15萬元；設(shè)備故障響應(yīng)時間縮短了50%，減少因停機(jī)造成的損失約20萬元/年。

5.擴(kuò)展靈活性：基于以太網(wǎng)的通訊架構(gòu)為未來系統(tǒng)擴(kuò)展預(yù)留了空間，后續(xù)可方便地接入更多S7-200PLC或其他品牌的自動化設(shè)備，實現(xiàn)全廠區(qū)的能源一體化管理。

七.總結(jié)與展望

遠(yuǎn)創(chuàng)智控PPI-ETH-YC01Plus直通型以太網(wǎng)通訊處理器在該能源站的應(yīng)用，成功解決了西門子S7-200PLC缺乏以太網(wǎng)接口的行業(yè)痛點，通過簡單可靠的方式實現(xiàn)了與S7-1500PLC及上位機(jī)系統(tǒng)的通訊，同時保留了第三方觸摸屏的本地操作功能。該方案具有以下特點：

1.經(jīng)濟(jì)性：無需更換大量在用的S7-200PLC，通過低成本的通訊模塊實現(xiàn)系統(tǒng)升級，降低了改造費用。

2.易用性：模塊配置簡單，無需復(fù)雜的編程知識，安裝調(diào)試周期短（整個系統(tǒng)從安裝到投運僅用7天）。

3.兼容性：同時支持PPI協(xié)議和ModbusTCP/IP協(xié)議，兼容多品牌設(shè)備，適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。

4.可靠性：工業(yè)級設(shè)計，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)寬溫、潮濕等惡劣環(huán)境，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該方案還可進(jìn)一步擴(kuò)展——通過在WinCC上位機(jī)系統(tǒng)中集成MQTT協(xié)議網(wǎng)關(guān)，可將能源數(shù)據(jù)上傳至云端平臺，實現(xiàn)更高級的數(shù)據(jù)分析與遠(yuǎn)程運維。遠(yuǎn)創(chuàng)智控的PPI-ETH-YC01Plus模塊為老舊設(shè)備的數(shù)字化改造提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)的解決方案，在工業(yè)自動化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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審核編輯 黃宇