一.行業(yè)痛點(diǎn)與需求背景

在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床加工車間，自動(dòng)化設(shè)備的互聯(lián)互通已成為提升生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)智能化管理的核心需求。然而，許多仍在服役的西門(mén)子S7-200系列PLC（尤其是SMART200型號(hào)）因硬件設(shè)計(jì)限制，未配備以太網(wǎng)接口，僅通過(guò)9針RS485串口實(shí)現(xiàn)有限通訊，這一缺陷成為制約車間智能化升級(jí)的主要瓶頸。

某重型機(jī)械制造企業(yè)的精密加工車間正面臨這一困境：車間內(nèi)12臺(tái)數(shù)控車床均采用西門(mén)子SMARTS7-200PLC（型號(hào)ST40）作為控制核心，負(fù)責(zé)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、刀庫(kù)切換等關(guān)鍵動(dòng)作的邏輯控制。隨著企業(yè)推進(jìn)智能制造改造，需要將這些設(shè)備接入以西門(mén)子S7-1500PLC（型號(hào)1511-1PN）為核心的車間級(jí)控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)SCADA系統(tǒng)（WinCCV7.5）的數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，車間原有3臺(tái)昆侖通態(tài)TPC1061H觸摸屏和2臺(tái)威綸通MT8102iE觸摸屏需保留使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備的本地操作與監(jiān)控。

傳統(tǒng)解決方案存在明顯局限：若通過(guò)串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)通訊轉(zhuǎn)換，不僅需要復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換配置，還存在數(shù)據(jù)傳輸速率低（最高115200bps）、連接穩(wěn)定性差等問(wèn)題；若整體更換為帶以太網(wǎng)接口的新型PLC，將導(dǎo)致近30萬(wàn)元的設(shè)備采購(gòu)成本，且需重新編寫(xiě)控制程序，停機(jī)改造周期長(zhǎng)達(dá)2周，嚴(yán)重影響生產(chǎn)計(jì)劃。

二.解決方案與設(shè)備選型

經(jīng)過(guò)技術(shù)調(diào)研與方案論證，該企業(yè)最終選擇捷米特（Jiemite）ETH-S7200-JM01Plus直通型以太網(wǎng)通訊處理器作為核心轉(zhuǎn)換設(shè)備，構(gòu)建低成本、高可靠性的通訊網(wǎng)絡(luò)。該模塊的核心優(yōu)勢(shì)在于：

1.硬件兼容性：專為西門(mén)子S7-200系列PLC設(shè)計(jì)，通過(guò)9針DB9接口與SMARTS7-200的PORT0/1串口直接連接，無(wú)需改動(dòng)PLC內(nèi)部程序

2.多協(xié)議支持：同時(shí)支持西門(mén)子S7協(xié)議（Client/Server模式）、ModbusTCP協(xié)議，可無(wú)縫對(duì)接S7-1500PLC與各類上位機(jī)系統(tǒng)

3.接口擴(kuò)展性：保留原9針串口的通訊能力，支持RS485/232切換，可同時(shí)連接不同品牌觸摸屏（兼容ModbusRTU協(xié)議）

4.工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)：寬溫工作范圍（-40℃~85℃）、抗電磁干擾（EMCLevel3），滿足機(jī)床車間惡劣電磁環(huán)境需求

本次改造涉及的主要設(shè)備清單如下：

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)通訊系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備層、控制層與監(jiān)控層的無(wú)縫銜接：

1.設(shè)備層：12臺(tái)數(shù)控車床的SMARTS7-200PLC通過(guò)捷米特ETH-S7200-JM01Plus模塊實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)，每臺(tái)PLC的PORT0口連接以太網(wǎng)模塊，PORT1口保留用于連接本地觸摸屏（其中3臺(tái)連接昆侖通態(tài)觸摸屏，2臺(tái)連接威綸通觸摸屏，其余7臺(tái)暫未配置本地屏）

2.控制層：西門(mén)子S7-1500PLC作為主站，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與12個(gè)捷米特模塊建立S7協(xié)議通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的集中控制與數(shù)據(jù)采集

3.監(jiān)控層：上位機(jī)WinCC系統(tǒng)通過(guò)ModbusTCP協(xié)議與捷米特模塊通訊，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信息，并記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切徒Y(jié)構(gòu)：所有捷米特模塊與S7-1500PLC均接入華為工業(yè)交換機(jī)，交換機(jī)通過(guò)光纖與監(jiān)控室上位機(jī)連接，保障數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。為避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，在交換機(jī)上配置了VLAN，將控制網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離。

硬件安裝與接線

捷米特ETH-S7200-JM01Plus模塊的安裝過(guò)程遵循工業(yè)設(shè)備安裝規(guī)范：

1.模塊固定：將模塊通過(guò)DIN導(dǎo)軌安裝在數(shù)控機(jī)床的電氣柜內(nèi)，與S7-200PLC保持5cm以上距離，避免電磁干擾

2.電源連接：采用DC24V供電，與PLC共用開(kāi)關(guān)電源，確保接地可靠（接地電阻≤4Ω）

3.串口連接：使用捷米特原廠DB9公頭線纜（型號(hào)JM-CAB-003）連接模塊的COM口與S7-200PLC的PORT0口，接線定義如下：

o模塊3腳（A+）→PLC3腳（A）

o模塊8腳（B-）→PLC8腳（B）

o模塊5腳（GND）→PLC5腳（SG）

4.以太網(wǎng)連接：使用超五類屏蔽網(wǎng)線連接模塊ETH口與工業(yè)交換機(jī)，網(wǎng)線兩端做好屏蔽層接地

5.觸摸屏連接：對(duì)于需要本地操作的機(jī)床，將觸摸屏通過(guò)另一根DB9線纜連接至S7-200PLC的PORT1口，昆侖通態(tài)與威綸通觸摸屏均采用標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU通訊接線（A接A，B接B，GND接GND）

安裝完成后，檢查各連接點(diǎn)是否牢固，用扎帶整理線纜，避免與強(qiáng)電線路并行敷設(shè)。

三.模塊參數(shù)配置

捷米特ETH-S7200-JM01Plus模塊支持Web配置與專用軟件配置兩種方式，本次采用后者（捷米特ConfigToolV2.3.5）進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：

1.網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置：

oIP地址：192.168.0.101~192.168.0.112（按設(shè)備編號(hào)遞增）

o子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0

o網(wǎng)關(guān)：192.168.0.1（與S7-1500PLC網(wǎng)關(guān)一致）

2.串口參數(shù)設(shè)置（與S7-200PLCPORT0匹配）：

o波特率：187500bps（S7-200默認(rèn)最高波特率）

o數(shù)據(jù)位：8位

o停止位：1位

o校驗(yàn)位：無(wú)

o通訊協(xié)議：PPI（西門(mén)子專用協(xié)議）

3.以太網(wǎng)協(xié)議設(shè)置：

o主協(xié)議：S7Server（允許S7-1500PLC作為Client訪問(wèn)）

o從協(xié)議：ModbusTCPServer（允許WinCC上位機(jī)訪問(wèn)）

o數(shù)據(jù)映射：將S7-200的V區(qū)（V0.0~V500.0）映射為Modbus地址（40001~45001）

4.高級(jí)設(shè)置：

o心跳檢測(cè)：使能（超時(shí)時(shí)間30秒）

o數(shù)據(jù)緩存：使能（緩存大小1024字節(jié)）

o斷線重連：自動(dòng)重連（間隔5秒）

配置完成后，點(diǎn)擊"寫(xiě)入設(shè)備"按鈕將參數(shù)下載至模塊，重啟模塊使配置生效。通過(guò)ConfigTool的"設(shè)備搜索"功能確認(rèn)所有模塊均能正常通訊。

S7-1500PLC通訊程序開(kāi)發(fā)

西門(mén)子S7-1500PLC作為主站，需編寫(xiě)通訊程序?qū)崿F(xiàn)與12個(gè)捷米特模塊的數(shù)據(jù)交互，采用TIAPortalV16編程環(huán)境：

1.硬件組態(tài)：

o在項(xiàng)目中添加S7-1500PLC（1511-1PN），配置其PROFINET接口IP為192.168.0.1

o添加"通用TCP/IP"設(shè)備，分別對(duì)應(yīng)12個(gè)捷米特模塊，設(shè)置IP地址與模塊一一對(duì)應(yīng)

2.通訊程序設(shè)計(jì)：

o使用"TSEND_C"和"TRCV_C"指令實(shí)現(xiàn)基于S7協(xié)議的客戶端通訊

o采用輪詢機(jī)制與12個(gè)模塊依次通訊，每個(gè)模塊的通訊周期設(shè)為100ms

o發(fā)送區(qū)：DB1.DBW0~DB1.DBW20（控制指令，如主軸啟動(dòng)、進(jìn)給控制等）

o接收區(qū)：DB2.DBW0~DB2.DBW50（狀態(tài)數(shù)據(jù)，如當(dāng)前轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、報(bào)警代碼等）

3.錯(cuò)誤處理：

o檢測(cè)通訊超時(shí)（設(shè)置超時(shí)時(shí)間500ms）

o記錄通訊錯(cuò)誤代碼（存儲(chǔ)在DB3中）

o實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤重試機(jī)制（最多3次重試）

程序片段示例：

plaintext

//捷米特模塊1通訊控制

IF"模塊1_通訊允許"THEN

"TSEND_C_模塊1".REQ:=TRUE;

"TSEND_C_模塊1".DATA:="控制指令_模塊1";

IF"TSEND_C_模塊1".DONETHEN

"TRCV_C_模塊1".REQ:=TRUE;

IF"TRCV_C_模塊1".DONETHEN

"狀態(tài)數(shù)據(jù)_模塊1":="TRCV_C_模塊1".DATA;

"模塊1_通訊正常":=TRUE;

END_IF;

END_IF;

END_IF;

上位機(jī)與觸摸屏配置

1.WinCC上位機(jī)配置：

o在WinCC中添加ModbusTCP驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)建12個(gè)驅(qū)動(dòng)連接，分別指向各捷米特模塊IP

o定義變量標(biāo)簽：對(duì)應(yīng)Modbus地址40001~45001（映射S7-200的V區(qū)數(shù)據(jù)）

o設(shè)計(jì)監(jiān)控畫(huà)面：包含設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)參數(shù)曲線、報(bào)警信息列表等

o配置數(shù)據(jù)歸檔：每5秒記錄一次關(guān)鍵參數(shù)，存儲(chǔ)周期為30天

2.觸摸屏配置：

o昆侖通態(tài)TPC1061H：在MCGS組態(tài)軟件中選擇"西門(mén)子S7-200PPI"驅(qū)動(dòng)，設(shè)置波特率187500bps，讀取PLC的I區(qū)和V區(qū)數(shù)據(jù)

o威綸通MT8102iE：在EBPro軟件中選擇"ModbusRTU"驅(qū)動(dòng)，配置串口參數(shù)與PLCPORT1匹配，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)

四.系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行效果

系統(tǒng)調(diào)試分為三個(gè)階段進(jìn)行：

1.單體調(diào)試：逐一檢查每個(gè)捷米特模塊的通訊狀態(tài)，通過(guò)ConfigTool的"數(shù)據(jù)監(jiān)視"功能確認(rèn)模塊能正確讀取S7-200PLC的V區(qū)數(shù)據(jù)，寫(xiě)入測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證通訊雙向性

2.聯(lián)機(jī)調(diào)試：?jiǎn)?dòng)S7-1500PLC程序，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)情況，調(diào)整輪詢周期確保所有設(shè)備通訊流暢；測(cè)試上位機(jī)WinCC與模塊的Modbus通訊，驗(yàn)證數(shù)據(jù)一致性

3.負(fù)載測(cè)試：模擬12臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行的工況，連續(xù)72小時(shí)監(jiān)控通訊穩(wěn)定性，記錄數(shù)據(jù)傳輸延遲（平均12ms）和丟包率（0%）

實(shí)際運(yùn)行效果顯示：

1.通訊性能：數(shù)據(jù)更新周期縮短至100ms，較原串口方案提升10倍以上

2.可靠性：連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月無(wú)通訊中斷，平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）達(dá)1800小時(shí)

3.擴(kuò)展性：新增2臺(tái)設(shè)備時(shí)，僅需配置新模塊IP地址即可接入系統(tǒng)，調(diào)試時(shí)間不足1小時(shí)

4.經(jīng)濟(jì)性：整體改造成本約8萬(wàn)元，僅為更換PLC方案的27%，且實(shí)現(xiàn)了原有觸摸屏的復(fù)用

五.應(yīng)用總結(jié)與擴(kuò)展建議

捷米特ETH-S7200-JM01Plus網(wǎng)關(guān)模塊在本次數(shù)控機(jī)床通訊升級(jí)項(xiàng)目中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，成功解決了S7-200PLC無(wú)以太網(wǎng)接口的行業(yè)痛點(diǎn)，同時(shí)兼顧了多品牌觸摸屏的兼容需求。該方案的核心價(jià)值在于：

1.兼容性設(shè)計(jì)：既支持西門(mén)子專有協(xié)議，又兼容標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了新舊設(shè)備的無(wú)縫對(duì)接

2.雙接口設(shè)計(jì)：保留原串口功能，避免了觸摸屏的重復(fù)投資，降低改造成本

3.工業(yè)級(jí)可靠性：在機(jī)床車間強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下保持穩(wěn)定運(yùn)行，滿足工業(yè)控制要求

對(duì)于后續(xù)擴(kuò)展，建議：

1.增加OPCUA服務(wù)器功能，實(shí)現(xiàn)與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)接

2.配置模塊的SNMP功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)

3.對(duì)于有更高實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)景，可升級(jí)至捷米特ETH-S7200-JM02型號(hào)（支持PROFINET協(xié)議）

本案例證明，采用專業(yè)的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊是解決老舊PLC通訊升級(jí)的經(jīng)濟(jì)有效方案，尤其適合對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性要求高、預(yù)算有限的制造企業(yè)。捷米特ETH-S7200-JM01Plus模塊憑借其穩(wěn)定的性能和靈活的配置，為數(shù)控機(jī)床智能化改造提供了可靠的通訊保障。

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審核編輯 黃宇