西门子S7-300PLC轨道830MM

西门子S7-300PLC轨道830MM西门子S7-300PLC轨道830MM西门子S7-300PLC轨道830MM西门子S7-300PLC应用技术 
普通高等教育“十二五”规划教材 西门子S7-300 PLC应用技术 刘增辉 赖英旭 赵 伟 编 机械工业出版社 西门子的可编程序控制器(PLC)系列SIMATIC S7产品包括小型系列S7200、中型系列S7300和大型系列S7400。STEP 7是其主流产品S7300和S7400 PLC的编程软件。本书以完成工程项目所需的基本知识、基本能力为依据，按照完成工程项目的一般工作顺序，介绍了S7300 PLC硬件系统的基本构成、STEP 7软件的基本操作及LAD编程语言。在介绍LAD编程语言的指令时，突出指令的特点，针对每条指令都设计了典型的应用案例，并在案例中逐渐渗透编程方法与技巧，由浅入深、循序渐进，使学生在学习完指令的同时，也学会了基本的编程方法与技巧。本书还设计了综合实践环节，对该环节的学习是开放性的，以达到提高编程能力的目的。

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• 西门子S7-300 PLC简介 
•    2.1  PLC技术的概念及发展过程    2.1.1  PLC技术的概念  PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。    2.1.2  PLC技术的发展历史  长期以来，计算机控制和传统PLC控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法，PLC自1969年问世以来，以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小等优点在工业自动化领域得到迅速推广，成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。但传统的PLC体系结构是封闭的，各个PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统各异，用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，学习特定的编程语言，不利于终端用户功能的扩展。近年来，工业自动化控制系统的规模不断扩大，控制结构更趋于分散化和复杂化，需要更多的用户接口。同时，企业整合和开放式体系的发展要求自动控制系统应具有强大的网络通讯能力，使企业能及时地了解生产过程中的诸多信息，灵活选择解决方案，配置硬件和软件。此外为了扩大控制系统的功能，许多新型传感器被加装到控制单元上。  我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。    2.1.3  PLC的发展趋势  1、功能向增强化和专业化的方向发展，针对不同行业的应用特点，开发出专业化
• 的PLC产品。以此来提高产品的性能和降低产品的成本，提高产品的易用性和专业化水平。  2、规模向小型化和大型化的方向发展，小型化是指提高系统可靠性基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；大型化是指应用在工业过程控制领域较大的应用市场，应用的规模从几十点扩展到上千点，应用功能从单一的逻辑运算扩展几乎能满足所有的用户要求。  3、系统向标准化和开放化方向发展，以个人计算机为基础，在WINOOWs平台上开发符合全新一体化开放体系结构的PLC。通过提供标准化和开放化的接口，可以很方便地将PLC接入其它系统[2]。    2.2  PLC的功能特点    2.2.1  PLC的功能  随着自动化技术、计算机技术及网络通信技术的迅速发展，PLC的功能日益增多。它不仅能实现单机控制，而且能实现多机群控制；不仅能实现逻辑控制，还能实现过程控制、运动控制和数据处理等，其主要功能如下： 1、开关量逻辑控制  这是PLC的最基本的功能。PLC具有强大的逻辑运算能力，它提供了与、或、非等各种逻辑指令，可实现继电器触点的串联、并联和串并联等各种连接的开关控制，常用于取代传统的继电器控制系统。使用PLC提供的定时、计数指令，可实现定时、计数功能，其定时值和计数值既可由用户在编程时设定，也可用数字拨码开关来设定，其值可进行在线修改，操作十分灵活方便。 2、模拟量控制  在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。PLC提供了各种智能模块，如模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块、热电阻用模拟量输入模块、热电阻用模拟量输出模块等，通过使用这些模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理；而CPU处理的数字结果，经D/A转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。 3、闭环过程控制  使用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。配置PID西门子S7-300PLC轨道830MM西门子S7-300PLC轨道830MM
• 控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如速度、温度、电流、电压等）进行PID控制。  4、定时、定位、计数控制  PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器，定时器的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现定时或延时控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模块、脉冲输出模块等智能模块，以实现各种需求的定位控制。PLC具有计数控制的功能，它为用户提供了若干个计数器或高速计数模块。计数器的计数值可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现计数控制。 5、顺序（步进）控制  在工业控制中，选用PLC实现顺序控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图进行设计，可以用移位寄存器和顺序控制指令编写程序。 6、网络通信  现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。PLC通过RS232接口可与各种RS232设备进行通信。PLC还可与其它智能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。PLC与变频器组成联合控制系统，可提高交流电动机的自动化控制水平。 7、数据处理  现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表[2]。     2.2.2  PLC的特点   1、通用性强、灵活性好、功能齐全  PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。通过选配相应的控制模块便可适用于各种不同的工业控制系统。同时，由于PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变
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• PLC的硬件，只需改变程序，改变控制逻辑，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此，灵活性和扩展性都很好。 2、可靠性高、抗干扰能力强  为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作。在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源。即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。PLC在设计、生产过程中除了对元器件严格筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波。光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。 3、编程简单、使用方便  PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简单、直观性强，广大电气人员容易接受。用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换，使用极其方便。 4、模块化结构、安装简单、调试方便  PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化结构设计，由机架和电缆将各模块连接起来，由于配置灵活，使扩展、维护更加方便。另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。调试工作大部分是室内调试，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，可以根据它进行测试、排错和修改[2]。    2.3  西门子S7-300 PLC     2.3.1  S7-300的系统结构  S7-300 PLC是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。CPU的右边是可以选择的IM接口模块，如果只用主架导轨而没有使用扩展支架可以不选择IM接口模块。  S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源，CPU和IM分别放在导轨的1号槽、2号
• 槽和3号槽上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源、CPU和IM以外的其他模块。如：DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、FM（功能模块）和CP（通信模块）等[3]。    2.3.2  S7-300  CPU模块  CPU模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制责任，存储并执行程序，实现通信功能，为U形总线提高5V电源。  CPU有4种操作模式：STOP（停机），STARTUP（启动），RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。  S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：  1、6种紧凑型CPU，带有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。  2、革新的标准型CPU：CPU 312、314和315-2DP。  3、5种标准的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。 4、户外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314户外型和315-2DP。 5、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。 6、主从接口安全型CPU：CPU 315F-2DP[3]。   2.3.3  S7-300的模拟量输入模块  在生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用PLC来测量或控制。有的是非电量，例如温度、压力、流量物体的成分和频率等。有的是强电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率等。变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换成标准的量程的直流电流和直流电压信号，例如DC1~5V和DC4~20mA。  模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D转换器。模拟量输入模块的输入信号一般都是模拟量变送器输出的标准量程的直流电压，直流电流信号。  模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码来表示最高位为符号位。模拟量输入模块的模拟值与百分数表示的模拟量之间的对应关系为：双极性模拟量量程的上下限(100%和-100%)分别对应模拟值27648和-27648。单极性模拟量量程的上下限(100%和0%)分别对应于模拟值27648和0[3]。
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• Functions S7-1200 具有以下特点： 易于上手： 专门的入门套件（其中包括仿真器和文档），便于熟悉设备的使用。 操作简单： 功能强大的标准指令，易于使用，用户友好的编程软件，可最大限度降低编程成本。 实时性能： 特殊中断功能、高速计数器和脉冲输出，适用于对时间要求严格的应用。 SIMATIC S7-1200 符合以下国内和国际标准： UL 508 CSA C22.2 No. 142 FM Class I, Div 2, Groups A, B, C, D; T4A Class I, Zone 2, IIC, T4 VDE 0160 EN 61131-2 符合标准 EN 50081-1、50081-2 和 50082-2 电磁兼容性要求 Technical Specifications 通用技术数据 防护等级 IP20，符合 IEC 529 环境温度 运行 （95% 的湿度） 水平安装 -20 ... +60 °C 垂直安装 -20 ... +50 °C 运输/储存 -40 ... +70 °C 湿度 95% 25 ... 55 °C 绝缘 5/24 V DC 电路 500 V 交流测试电压 115/230 V AC 电路接地 1500 V 交流测试电压 115/230 V AC 电路到 115/230 V AC 电路 1500 V 交流测试电压 230 V AC 电路到 5/24 V DC 电路 1500 V 交流测试电压 115 V AC 电路到 5/24 V DC 电路 1500 V 交流测试电压 电磁兼容性 EMC 指示要求 抗干扰度符合 EN 50082-2 测试符合 IEC 801-2、IEC 801-3、IEC 801-4、EN 50141、EN 50204、IEC 801-5 和 VDE 0160 进行测试 辐射干扰符合 EN 50081-1 和 EN 50081-2 测试依据 EN 55011 标准，A 级， 1 组进行测试 机械强度 振动，测试标准符合/测试方法 IEC 68, Part 2-6: 10 ... 57 Hz; 平稳状态下 0.3 mm； 58 ... 150 Hz; 恒定加速度 1 g（安装在 DIN 导轨上）或 2 g（安装在配电盘中）； 振动模式： 振动频率为 1 频程/分钟； 振动持续时间： 在三个互相垂直轴的每个方向上，每根轴为 10 个频率扫描。 冲击，测试标准符合/测试方法 IEC 68, Part 2-27/半正弦： 冲击强度 15 g（峰值），持续时间 11 ms，每三个互相垂直轴上有 6 个冲击。 S7 控制器中的高级控制器 高级控制器尤其适用于具有中等和较高复杂程度的应用。SIMATIC S7-1500 ActiveX Control 是 SIMATIC S7-300 和 SIMATIC 的长期后续产品 S7-400 控制器，未来工厂的标准控制器 – 独一无二的性能和创新的设计与操作方式产生令人信服的结果。 具有模块化扩展能力的 SIMATIC S7 控制器具有长期兼容性，免维护且可以扩展，当然也能在 TIA 博途中进行组态。 它们是任何自动化任务的理想解决方案。www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/catalog/de/simatic_st70_chap02_english_2013.pdf Area of application LOGO! 逻辑模块提供方便的、用户友好的解决方案，用于满足简单的开环和闭环控制任务。 LOGO! 具有广泛的通用性，例如： 楼宇服务/电气安装（照明、百叶窗、遮篷、门、门禁系统、栅栏、通风系统，等。） 控制柜制造。 机电设备（泵，小型压机，压缩机，传送带，升降台等） 暖房，温室的特殊控制 对其他控制器的信号进行处理 LOGO! 逻辑模块可根据应用情况进行扩展。 船级社认证 美国船级社, 法国船级社, 挪威船级社,德国劳氏船级社, 英国劳氏船级社，等 Design LOGO! Modular 可提供多种电压类型(12VDC, 24VDC, 24VAC, 115/230VDC, 115/230VAC)： 标准型： 纯型号，成本经过优化，不带按键控制面板和显示屏。 LOGO! 具有以下特性： R：继电器输出 C:时钟/时间切换 E：以太网接口 o:无显示屏 LOGO!使用非常简单： 按键控制面板和显示屏位于一个设备中。无需其它工具。 通过集成式 EEPROM 备份切换程序和设定值（如定时器），以防电源故障。 LOGO! 节省空间： 例如：LOGO! 230RC：72 x 90 x 55 mm (W x H x D). 经调整后，可安装在配电箱中（尺寸与接地故障断路器相同）。 LOGO! 提供最大的灵活性和通用性： 可扩展性： 根据应用情况可连接扩展模块。 LOGO! 具有通信功能： 使用可选的通信模块，可连接到 AS-Interface 和 KNX Konnex 网络。 LOGO!7 和 8 可与其它 LOGO! 单元通信，或与 SIMATIC 控制器或 SIMATIC 面板通信 Functions LOGO!使用非常简单： 36 种不同功能： 用于电气工程的基本功能(例如：与、或)以及特殊功能(例如：计数器，闭锁继电器，PI 控制器)。 只需通过键盘或PC软件将所存储的功能进行作何，即可轻松进行编程。 通过可选的程序模块，可以简单、方便地复制控制程序。 LOGO!8: 38/43 种不同功能：集成基本功能(例如：与、或)和特殊功能(例如：计数器，闭锁继电器，PI 控制器)。 基本型控制器 基本型控制器是适合中低端应用的智能控制器。包括标准型和安全型。通过其集成输入和输出以及工艺功能，可实现高性价比的紧凑解决方案。使用基本型控制器，可通过集成和可选通信接口，实现联网简便的灵活解决方案。 基本型控制器可在 TIA 博途平台中进行组态和编程。工程组态效率高，而且，随着应用复杂性的增加，还可方便地转为使用高级型控制器。 通过可选的程序模块或使用标准 CF/微型 CF 卡，可以简单、方便地复制切换程序 LOGO! 提供最大的灵活性和通用性： 通过按键可方便、灵活地重新链接功能。无需耗时的接线。 可选择在PC机上操作： 通过 PC 创建、仿真、在线测试和归档控制程序，包括归档选项 中低端紧凑型控制器 大规模集成，节省空间，功能强大 具有出色的实时性能和功能强大的通信选件： 带有集成 PROFINET IO 接口的控制器，可与 SIMATIC 控制器、HMI、编程设备和其它自动化组件进行通信 所有 CPU 都可用于单机模式、网络以及分布式结构 安装、编程和操作极为简便 集成式 Web 服务器，带有标准和用户特定 Web 页面 数据记录功能，用于归档用户程序的运行数据 强大的集成工艺功能，如计数、测量、闭环控制和运动控制 集成数字量和模拟量输入/输出 灵活的扩展设备 可直接用于控制器的信号板卡 可通过 I/O 通道对控制器进行扩展的信号模块 附件，如电源、开关模块或 SIMATIC 存储卡等 产品目录 ST 70： 有关 SIMATIC S7-200 的更多信息，请参见产品目录 ST 70： http:
• 2.4  程序设计功能模块  本程序的设计主要是针对水箱液位的在线控制而设计的，利用PID控制方式，使下水箱液位达到控制要求。本人设计了两套系统，一个是单闭环的一个是三闭环的，对其控制效果进行比较，得出两系统优缺点。下面对本程序的设计作详细介绍。在本程序中，使用的主要模块有：OB35，DB41，DB42,  DB43，DB44，DB1，OB1和FB41。    2.4.1  OB35模块  S7 CPU提供循环中断OB，可用于按一定间隔中断循环程序的执行，循环中断按间隔触发，间隔的时间是从STOP状态到RUN时开始计算。  时间间隔不能小于5ms，如果时间间隔过短，还没有执行完循环中断程序又开始调用它，将会产生时间错误事件。在本程序中，使用循环中断OB35，其默认的时间间隔为100ms，程序运行后每隔100ms将自动调用一次OB35，周期性地执行闭环控制系统的PID运算程序[3]。   2.4.2  FB41模块  FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，其功能是S7-300提供的标准的已经为用户编制好程序模块，用户可以直接调用它们，以便高效地编制自己的程序，但不能修改这些功能块。系统功能块有存储功能，其变量保存在指定给它的背景数据块中