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]。 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。FB41的框图如图2.1所示。图2.1 FB41的框图 （1） 对设定值、过程变量和误差的处理 设定值的输入：浮点数格式的设定值用变量SP_INT（内部设定值）输入。 过程变量的输入：可以用两种方式输入过程变量（即反馈值）： 1、用PV_IN（过程输入变量）输入浮点格式的过程变量，此时开关量PVPER_ON（外围设备过程变量ON）应为0状态。 2、用PV_PER（外围设备过程变量）输入外围设备（I/O）格式的过程变量，即用模拟量输入输出的数字值作为PID调节的过程变量，此时开关量PVPER_ON应为1状态。 外围设备过程变量转换为浮点数：外围设备（即模拟量输入模块）正常范围的大输出值（100.0%）为27648（6C00H），功能CRP_IN将外围设备输入值转换为-100.0%至100.0%之间的浮点数格式的数值，CPR_IN的输出（以%为单位）用下式计算： PV_R=PV_PER*100/27648 （2.1） 外围设备过程变量的标准化：PV_NORM功能用下面的公式将CPR_IN的输出PV_R格式化： PV_NORM的输出=PV_R*PV_FAC+PV_OFF （2.2） 式中：PV_FAC —— 过程变量的系数，默认值为1.0； PV_OFF —— 过程变量的偏移量，默认值为0.0。 PV_FAC和PV_OFF用来调节过程输入的范围。 如果设定值有物理意义，实际值（即反馈量）也可以转换为该物理值。 （2） 手动模式 参数MAN_ON（手动值ON）为1时为手动模式，为0时为自动模式。在手动模式中，控制变量（Manipulated Variable，即控制器的输出值）被手动选择的值MAN（手动值）代替。 在手动模式时如果令微分分项为0，将积分部分（INT）设置为LMN-LMN_P-DISV，可以保证手动到自动的无忧切换，即切换时控制器的输出值不会突变，DISV为扰动输入变量。 （3） 输出限幅 LMNLIMIT（输出量限幅）功能用于将控制器输出值（Manipulated Value）限幅。 LMNLIMIT功能的输入量超出控制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM（输出超出上限）变为1状态；小于下极限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为1状态。 （4） 输出量的格式化处理 LMN_NORM（输出量格式化）功能用下述公式来讲功能LMNLIMIT的输出量LMN_LIM格式化： LMN=LMN_LIM×LMN_FAC+LMN_OFF （2.3） 式中：LMN —— 格式化后浮点数格式的控制器输出值； LMN_FAC —— 输出量的系数，默认值为1.0； LMN_OFF —— 输出量的偏移量，默认值为0.0； LMN_FAC和LMN_OFF用来调节控制器输出量的范围。 （5） 输出量转换为外围设备（I/O）格式 S7-300系列PLC 安装 　 一、DIN导轨安装 S7-300 PLC 由一个中央单元 (CU) 和一个或多个扩展模块组成。包含CPU 的机架是中央单元 (CU)。配有模块并连接到CU 的机架形成了系统的扩展模块(EM)。 S7-300 的机架是一个装配DIN导轨。可利用此导轨安装S7-300系统的所有模块。 DIN安装导轨 DIN导轨种类 DIN导轨型号 DIN导轨作用 160mm DIN 导轨 6ES7 390-1AB60-0AA0 SIMATIC S7-300 的机械安装机架 用于S7-300模块安装 可用螺丝拧紧到安装背板或墙上 482mm DIN 导轨 6ES7 390-1AE80-0AA0 530mm DIN 导轨 6ES7 390-1AF30-0AA0 830mm DIN 导轨 6ES7 390-1AJ30-0AA0 2000mm DIN 导轨 6ES7 390-1BC00-0AA0 1、安捉式： 可以垂直或水平安装S7-300。所允许的环境空气温度和CPU模块的位置如下： 垂直装配：0℃至40℃ 水平装配：0℃至60℃ 始终将CPU 和电源模块安装在左侧或底部。 　 2、安装间距： 必须保持如图中所示的间距，以便为安装模块提供充足的空间，并能够散发模块所产生的热量。下图显示的是安装在多个机架上的S7-300 装配，其中显示了各机架与相邻组件、电缆槽、机柜壁之间的间距。例如，在沿电缆槽为模块接线时，接触元件底部与电缆槽间的小间距为40mm。 3、DIN导轨安装孔要求 DIN导轨具有用于固定螺丝的4个孔和1个接地导线螺栓 一米长以上的装配导轨可以削减到任何特殊长度。不带用于固定螺丝的安装孔和接地导线螺栓。 四个用于安装固定螺丝的孔（关于尺寸大小的信息，请参阅“固定孔的尺寸”） 如果导轨长度超出了830mm，则必须提供附加孔，以便用更多的螺丝固定才能使其稳固。沿导轨中间部分的凹槽标出这些孔（见下图）。间距应大约为500mm。 钻出标记的这些孔，M6 螺丝的孔径=6.5+0.2 mm。 安装一个M6 螺栓，用以固定接地导线。 DIN导轨安装孔说明 装配导轨的固定孔尺寸如下表所示。 “标准”导轨 2m装配导轨 导轨长度 尺寸a 尺寸b – 160 mm 10 mm 140 mm 482.6 mm 8.3 mm 466 mm 530 mm 15 mm 500 mm 830 mm 15 mm 800 mm 表 导轨的安装孔尺寸 4、接地线安装： 使用M6螺栓连接DIN导轨和接地线。接地线的小横截面：10mm2。下图显示了如何将接地线连接到导轨。 注意：请始终确保接地线和导轨之间的低阻抗连接。可通过以下方法达到此目的：使用低阻抗电缆，尽可能缩短该电缆的长度，使用较大的接触表面。例如，必须使用柔性接地带将安装在铰接框上的S7-300接地。 二、S7-300模块安装 在模块安装前必须完成以下两个任务： 在STEP 7编程软件完成硬件组态。 DIN导轨安装完毕。 1、模块的安装顺序 从左边开始，按照在STEP 7编程软件硬件组态插槽号的顺序，将模块挂靠在导轨上。 注意：插入任何SM331模拟量输入模块前，请检查量程范围是否与STEP 7编程软件硬件组态要求一致。不一致需要重新定位模块端的测量范围。 第1步 插入总线连接器到CPU 和SM/FM/CP/IM。除CPU 外，每个模块都带有一个总线连接器。 在插入总线连接器时，必须从CPU 开始。拔掉装配中“后一个”模块的总线连接器。 将总线连接器插入另一个模块。“后一个”模块不接受总线连接器。 第2步 按指定的顺序，将所有模块挂靠到导轨上 (1)，滑动到靠近左边的模块 (2)，然后向下旋转 (3)。 第3步 用螺丝拧紧模块。 2、插槽号安装 应给每个安装的模块指定一个插槽号，这会使在STEP 7 的组态表中分配模块更加容易。下表显示了插槽号分配情况。（插槽号标签包括在CPU 包装内） 插槽号 模块 注释 1 电源模块(PS) 如果不配置西门子专用直流电源。该插槽号空缺 2 CPU模块 CPU模块插槽号 3 接口模块（IM） (IM) 在CPU 的右边 4～35 扩展模块 (SM) 扩展插槽号 1、在相关模块前固定对应的插槽号。 2、将针插入模块上的开口①。 3、将插槽号压入模块中 ②。插槽号从轮子处断开。下图说明了此过程。 3、前连接器安装： 系统的传感器和执行器是通过前连接器连接到S7-300模块。将传感器和执行器连线到相关的前连接器，然后插入模块。 前连接器类型所提供的前连接器有20 针和40 针两种类型，均有螺紧型或弹簧卡入式两种安装类型。 前连接器 型号 20 针，螺钉型前连接器 6ES7 392-1AJ00-0AA0 20 针，弹簧型前连接器 6ES7 392-1BJ00-0AA0 40 针，螺钉型前连接器 6ES7 392-1AM00-0AA0 40 针，弹簧型前连接器 6ES7 392-1BM01-0AA0