西门子S7-300/400 PLC应用案例解析(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:刘美俊

出版社:电子工业出版社

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西门子S7-300/400 PLC应用案例解析

西门子S7-300/400 PLC应用案例解析试读:

前言

可编程序控制器(PLC)具有适用于各种工业自动控制所必需的高可靠性、配置扩充的高灵活性等特点,且易于编程,使用维护方便,在工业自动控制的各个领域获得了十分广泛的应用,代表着控制技术的发展方向,被业界称为现代工业自动化的三大支柱之一。S7-300/400系列PLC是西门子公司全集成自动化系统中的控制核心,是其集成性和开放性的重要体现。它将先进控制思想、现代通信技术和IT技术的最新发展集于一身,在CPU运算速度、程序执行效率、故障自诊断、联网通信、功能集成以及容错与冗余技术等方面都取得了公认的成就。

S7-300/400 PLC作为西门子公司可编程序控制器的主流产品,市场占有率很高,它以功能强大、性价比高等优点而深受国内用户的欢迎。为了使用户更易了解并尽快掌握S7-300/400 PLC的性能特点,并更好地应用于实践,作者结合近20年应用西门子PLC的实践经验和理论教学体会,在广泛吸收国内外先进标准、先进设计思想的基础上编著成此书。

全书以西门子公司S7-300/400 PLC为主线,以STEP7编程系统为平台,系统介绍了PLC的硬件组成、编程技巧、通信组网以及应用实例等知识。新颖、实用、易读以及可操作是本书的编写宗旨。为此作者对全书的内容和结构进行了精心组织和安排:第1章介绍PLC的基础知识;第2章介绍S7-300/400 PLC的硬件组成,包括各模块的基本结构、性能参数及特点、安装与连接要求等方面的内容;第3章详细介绍了S7-300/400 PLC编程指令的使用及编程方法,并提供了大量常用的典型程序与编程实例,这些程序可以直接供设计者使用和参考;第4章讲述了S7-300/400 PLC的用户程序结构及结构化编程方法,重点分析了编程时需要的组织块、功能块与功能、数据块等,通过实例详细阐述了结构化程序设计方法;第5章阐述了PLC的工具软件——STEP 7编程软件,包括软件的安装与使用方法,程序编辑步骤与要点,PLC程序的检查、仿真、在线调试的具体方法与步骤等;通信是自动控制系统设计与应用的重点和难点,第6章重点讲述了S7-300/400 PLC的通信与组网,包括S7的几种典型网络 MPI、PROFIBUS、工业以太网和AS-I网的结构、通信原理、主要通信模块、组态方法等,并提供了实例;第7章介绍了S7-300/400 PLC的实际应用案例,使读者能触类旁通,举一 反三。

本书具有下列主要特点:(1)全书系统、全面地论述了S7-300/400 PLC的组成和应用技术、组网和通信技术,符合现代工业自动化技术发展的需要;(2)条理清楚、全面,介绍翔实,内容兼有普遍性和具体性;(3)特别注重工程应用,通过实例引导读者,编写时注意选择有价值的典型实例,介绍S7-300/400 PLC的应用方法与技巧;(4)突出实用性和可操作性,内容较多取自生产一线,面向广大工程技术人员,读者可直接应用本书介绍的方法进行硬件组态、组网以及编程等;(5)写作上力求精练,言简意赅,便于读者理解和自学。

本书在编写过程中,得到了刘天任、刘群、彭彦卿、欧阳苗、石基、刘景俊、凌江南、章绍东、李立、李光中、张辑、关健生、王德明等同志的支持和帮助,编写时曾参考和引用了国内外许多专家、学者最新发表的论文和著作,西门子公司的技术资料,作者在此一并致谢;同时本书获得了厦门理工学院引进人才科研基金(编号YKJ08011R)资助。

由于作者水平有限,书中难免存在错误和不妥,热情欢迎广大读者批评指正。

作者E-mail:liumeijun@xmut.edu.cn

作者

2009年4月

第1章 PLC概述

PLC(Programmable Logic Controller,可编程序控制器)是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业控制装置。它具有体积小、功能强、编程容易、维护方便,以及组网灵活等一系列优点,特别是它的高可靠性和较强的适应环境的能力,使其在冶金、化工、交通、电力,以及机械制造等领域获得了非常广泛的应用,被称为现代工业技术的三大支柱(PLC技术、机器人技术、CAD/CAM)之一。

1.1 PLC发展概况

1.1.1 PLC的产生

传统的生产机械多采用继电器、接触器控制,这种控制系统通常称为继电器控制系统。继电器控制系统具有结构简单、价格低廉、容易操作等优点,但它同时又具有体积庞大、生产周期长、接线复杂、故障率高、可靠性及灵活性差等缺点,比较适用于工作模式固定、控制逻辑简单的工业应用场合。

随着工业生产的迅速发展,生产规模不断扩大,控制技术不断提高,传统的继电器控制系统越来越不适应现代工业发展的需要,迫切需要设计一种先进的自动控制装置。于是,1968年美国通用汽车公司(GM)便提出一种设想:把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置。这种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化,采用面向控制过程、面向对象的语言编程。

1969年,美国数字设备公司(DEC)根据这一设想,成功研制了世界上第一台可编程序控制器PDP-14,并在汽车自动装配线上成功试用。该设备用计算机作为核心设备,其控制功能是通过存储在计算机中的程序来实现的,这就是人们常说的存储程序控制。由于当时主要用于顺序控制,只能进行逻辑运算,故称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)。

这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点,很快在美国其他工业领域得到推广应用。到1971年,已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。

PLC的出现,也受到了世界其他国家的高度重视。1971年,日本从美国引进了这项新技术,很快研制出了第一台PLC(DSC-8)。1973年,西欧国家也研制出了PLC。1.1.2 PLC的发展历史

从PLC的控制功能来分,PLC的发展经历了以下4个阶段。

第一阶段:从第一台PLC问世到20世纪70年代中期,是PLC的初创阶段。

该时期的PLC产品主要用于逻辑运算、定时和计数,它的CPU由中小规模的数字集成电路组成,它的控制功能比较简单。该阶段的代表产品有MODICON公司的084、AB公司的PDQII、DEC公司的PDP-14和日立公司的SCY-022等。

第二阶段:从20世纪70年代中期到末期,是PLC的实用化发展阶段。

该时期PLC产品的主要控制功能得到了较大的发展。随着多种8位微处理器的相继问世,PLC技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上,增加了数值运算、闭环调节功能,提高了运算速度,扩大了I/O规模。该阶段的代表产品有MODICON公司的184、284、384,西门子公司的SYMATIC S3系列,富士电动机公司的SC系列等。

第三阶段:从20世纪70年代末期到80年代中期,是PLC通信功能的实现阶段。

与计算机通信的发展相联系,PLC也在通信方面有了很大的发展,初步形成了分布式的通信网络体系。但是,由于生产厂家各自为政,通信系统自成系统,因此不同生产厂家的产品互相通信较困难。在该阶段,由于生产过程控制的需要,对PLC的需求大大增加,产品的功能也得到了发展,数学运算的功能得到了较大的扩充,产品的可靠性进一步提高。该阶段的代表产品有富士电动机公司的MI-CREX和德州仪器公司的TI530等。

第四阶段:从20世纪80年代中期开始,是PLC的开放阶段。

由于开放系统的提出,使PLC得到了较大的发展。主要表现为通信系统的开放,使各生产厂家的产品可以互相通信,通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段,产品的规模增大,功能不断完善,大中型产品多数有CRT屏幕的显示功能,产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便,此外,还采用了标准的软件系统,增加了高级编程语言等。该阶段的代表产品有西门子公司的SYMATIC S5、S7系列和AB公司的PLC-5等。1.1.3 PLC的发展趋势

随着控制技术的发展,PLC的结构和功能得到了不断改进,各生产厂家不断推出功能更强的PLC产品,平均3~5年更新换代一次。PLC的发展可归纳为以下几个方面。

1.小型化、专用化、低成本

随着微电子技术的发展,新型电子器件的广泛应用,PLC的功能大幅度提高,而成本却大幅降低。PLC的功能不断加强,将原来大、中型PLC才有的功能移植到小型PLC上。PLC结构更加紧凑、小巧,体积更小,安装和使用十分简便。由于PLC价格的不断下降,使其真正成为继电器控制系统的替代产品。

2.系列化、标准化、模块化

每个生产PLC的厂家几乎都有自己的系列产品,同一系列的产品指令及使用向上兼容,以满足新机型的推广和使用。为了推动技术标准化的进程,一些国际性组织,如国际电工委员会(IEC),不断为PLC的发展制定一些新的标准,对各种类型的产品做一定的归纳或定义,对PLC的未来制定发展方向(或框架)。模块式结构使系统的构成更加灵活、方便;功能明确化,专用化的复杂功能由专门模块来完成。一般的PLC可分为主模块、扩展模块、I/O模块,以及各种高性能模块等,每种模块的体积都较小,相互连接方便,使用更简单,通用性更强。主机仅仅通过通信设备向模块发布命令和测试状态,这样使得PLC的系统功能进一步增强,控制系统设计进一步简化。

3.高速化、大容量化和高性能化

大型PLC采用多微处理器系统,如有的采用了32位微处理器,可同时进行多任务操作,处理速度提高,存储容量大大增加。PLC的功能进一步加强,以适应各种控制需要,使计算、处理功能进一步完善,特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外,PLC可以代替计算机进行管理、监控。智能I/O组件也将进一步发展,用来完成各种专门的任务(如位置控制、PID调节、远程通信等)。

4.网络化

计算机与PLC之间,以及各个PLC之间的联网和通信能力的不断增强,使工业网络可以有效地节省资源、降低成本、提高系统可靠性和灵活性,使网络的应用更加普遍化。工业控制中普遍采用金字塔结构的多级网络。与可编程序控制器硬件技术的发展相适应,工业软件的发展非常迅速,它使系统应用更加简单易行,大大方便了PLC系统开发人员和操作使用人员。

1.2 PLC的分类及特点

1.2.1 PLC的分类

PLC发展至今已经有多种形式,其功能也不尽相同,一般按以下原则进行分类。

1.按结构形式分

按结构形式可以将PLC分为以下两类。(1)紧凑型PLC

这种PLC的特点是电源、CPU、I/O接口都集成在一个机壳内。如西门子公司的S7-200系列,OMRON公司的C系列,三菱公司的F1、F2、FX系列,东芝公司的EX20/40系列和AB公司的SLC5000等。(2)模块式PLC

这种PLC的特点是电源模块、CPU模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模块等在结构上是相互独立的,可根据实际需要,选择合适的模块,安装在固定的机架(或导轨)上,构成一个完整的PLC系统。例如,西门子公司的S7-300/400系列,OMRON公司的C200H系列,三菱公司的FX、FX、FX、A系列,AB公司的SLC5/05系列,松22NON下电工的FP3系列等。

2.按I/O点数及内存容量分

按I/O点数及内存容量可将PLC分为以下几类。(1)小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在256点以下,内存容量在4KB以下,一般采用紧凑型结构,以开关量控制为主,还可以连接模拟量I/O及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网及各种应用指令。适合于单机控制或小型系统的控制。例如,西门子公司的S7-200系列PLC,存储器为2KB,数字量248点,模拟量35路。(2)中型PLC

中型PLC的I/O点数一般不大于2048点,内存容量为2~8KB,采用模块化结构。其I/O处理方式除采用一般PLC通用的扫描处理方式外,还能采用直接处理方式,即在扫描用户程序的过程中,直接读输入,刷新输出。它能连接各种特殊功能模块,通信联网功能更强,指令系统更丰富,扫描速度更快,可用于对设备进行直接控制,还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控,比较适合中型或大型控制系统的控制。例如,西门子公司的S7-300系列PLC,存储器为2KB,数字量1024点,模拟量128路,支持PROFIBUS、工业以太网、MPI等网络。(3)大型PLC

大型PLC的I/O点数在2048点以上,内存容量达到8~16KB,采用模块化结构。软、硬件功能极强,具有极强的自诊断功能、通信联网功能等,它不仅可用于对设备进行直接控制,还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。不仅能完成较复杂的算术运算,还能进行复杂的矩阵运算。有各种通信联网模块,可以构成三级通信网,实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三个PLC构成表决式系统,使机器的可靠性更高。例如,富士公司的F200系列PLC,存储器为32KB,数字量I/O达3200点;OMRON的CV2000系列PLC,存储器为62KB,数字量I/O达2048点;西门子公司的S7-400系列PLC,存储器为512KB,数字量I/O达12 672点;德国AEG公司的A500系列PLC,存储器为64KB,数字量I/O达5088点。

3.按控制性能分类

可编程序控制器可以分为低档、中档和高档三类。(1)低档PLC

这类PLC只有基本的控制功能和一般的运算能力,工作速度比较低,能带的输入和输出模块的数量比较少。如OMRON公司的C60 P等。(2)中档PLC

这类PLC具有较强的控制功能和运算能力。它不仅能完成一般的逻辑运算,还能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算。工作速度比较快,能带的I/O模块的数量及种类也比较多。如西门子公司的S7-300 PLC。(3)高档PLC

这类PLC具有强大的控制功能和运算能力。它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算,还能进行复杂的矩阵运算。工作速度很快,能带的I/O模块的数量很多,I/O模块的种类也很全面。这类可编程序控制器可以完成规模很大的控制任务。在联网中一般做主站使用。如西门子公司的S7-400 PLC就属于这一类。1.2.2 PLC的特点

PLC能迅速发展的原因,除了工业自动化的客观需要外,还有其许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。综合起来,具有以下主要特点。

1.可靠性高,抗干扰能力强

高可靠性是PLC最突出的特点之一。由于工业生产过程大多数是连续的,一般的生产装置要几个月、甚至几年才大修一次,这对用于工业生产过程的控制器提出了高可靠性的要求。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障。PLC采用了微电子技术,大量的开关动作由无触点的半导体电路完成,用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少到继电接触器控制系统时的1/10~1/100,因触点接触不良造成的故障大大减少。此外,PLC还采取了屏蔽、滤波、隔离、故障检测与诊断等抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一。

2.编程、操作简易方便,程序修改灵活

PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程,容易掌握。例如,目前PLC大多数均采用的梯形图语言编程方式,既继承了传统控制线路的清晰直观感,又考虑到大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机水平,很容易被技术人员所接受,易于编程,程序改变时也易于修改。近几年发展起来的其他编程语言(如功能图语言、汇编语言和BASIC等计算机通用语言)也都使编程更加方便,并且适宜于不同层次的技术人员。

3.硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强

PLC产品大部分已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。PLC具有丰富的I/O接口,对不同的工业现场信号(如交流、直流、电压、电流、开关量、模拟量、脉冲等),有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备(如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、电动机启动器、控制阀等)直接连接。另外,有些PLC还有通信模块、特殊功能模块等。PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后,可以通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。

4.易于设计、安装、调试和维修

由于PLC用软件功能取代了继电接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律,容易掌握。对于复杂的控制系统,梯形图的设计时间比继电接触器控制系统电路图的设计时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后,在现场的调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,系统的调试时间比继电接触器控制系统要少得多。

PLC的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因,用更换模块的方法迅速排除故障。

5.体积小、重量轻、功耗低、响应快

由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,其体积小、重量轻、功耗低、响应快。对于复杂的控制系统,使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小,因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多,可以省下大量的配线和附件,减少大量的安装接线工时,加上开关柜体积的缩小,可以节省大量的费用。传统继电器节点的响应时间一般需要几百毫秒,而PLC的节点响应很快,内部是微秒级的,外部是毫秒级的。1.2.3 PLC的应用

PLC产生初期,由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。最近几年来,随着PLC性价比的不断提高,PLC的应用越来越广,其主要原因是:一方面由于微处理器芯片及有关元器件的价格大大下降,使得PLC的成本下降;另一方面PLC的功能大大增强,使它也能解决复杂的计算和通信问题。目前,PLC已广泛用于工业控制的各个领域,包括从单机自动化到工厂自动化;从机器人、柔性制造系统到工业局部网络。

按PLC的功能来分,PLC的应用领域主要有以下几个方面。

1.开关量逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它完全取代了传统的继电器、接触器等顺序控制装置。开关量逻辑控制可以代替继电器完成组合逻辑控制、定时与顺序逻辑控制,它既可用于单机控制,又可用于多机群控,以及生产线的自动控制,并广泛应用于电力、机械制造、钢铁、石油、化工、采矿、汽车、造纸、纺织等各行各业,如机床电气控制、包装机械的控制、输送带与电梯的控制、汽车装配生产线及自动生产线中各种泵和电磁阀的控制等。

2.运动控制

利用PLC的专用智能模块,可以对步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴系统实现位置控制。在多数情况下,PLC把描述目标位置的数据传送给模块,模块驱动轴系统到目标位置。当每个轴转动时,位置控制模块使其保持适当的速度和加速度,确保运动平滑,如对具有多轴的机器人进行控制,自动地处理它的机械运动。随着工厂自动化网络的形成,使用机器人的领域将越来越广。

3.过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量实现的闭环控制。现代PLC一般都有PID闭环控制功能。当控制过程中某一个输出变量出现偏差时,PLC按照PID控制算法计算出相应的输出,使输出变量保持在设定值上。PLC的过程控制功能已经广泛应用在化工、机械、轻工、冶金、电力、建材等行业。

4.数字控制

PLC和计算机数控(CNC)装置组合成一体,可以实现数字控制,组成数控机床。现代PLC具有数字运算、数据传送、转换、排序、查表和位操作等功能,可以完成数据的采集、分析和处理。预计CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。

5.通信联网

近些年来,随着计算机网络和计算机控制技术的发展,工厂自动化(FA)网络系统正在兴起。通过网络系统,PLC可和远程I/O进行通信,多台PLC之间及PLC和其他智能设备(如计算机、变频器、数控装置等)之间也可相互交换数字信息,形成一个统一的整体,实现分散控制或集中控制。近年来开发的PLC都增强了通信功能,即使是小型PLC也具备了与主计算机通信联网的功能。

1.3 PLC的结构与工作原理

1.3.1 PLC的基本结构

PLC实质上是一种工业计算机,只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言,故PLC与计算机的组成十分相似,如图1-1所示。图1-1 PLC的基本结构图

由图1-1可以看出,PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器(ROM/RAM)、I/O单元(I/O单元)、编程器、电源等部件组成。

1.中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的核心,其主要任务有:

① 接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据,并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。

② 检查、校验用户程序。对正在输入的用户程序进行检查,发现语法错误立即报警,并停止输入;在程序运行过程中若发现错误,则立即报警或停止程序的执行。

③ 执行用户程序。当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映像区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算,并将运算结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。

④ 故障诊断。诊断电源、PLC内部电路的故障,根据故障或错误的类型,通过显示器显示出相应的信息,以提示用户及时排除故障或纠正错误。

不同型号PLC的CPU芯片是不同的,有的采用通用CPU芯片,如8031、8051、8086、80826等,大部分采用厂家自行设计的专用CPU芯片,如西门子公司的S7-300/400 PLC均采用其自行研制的专用芯片,CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度,CPU位数越高,系统处理的信息量越大,运算速度也就越快。随着CPU芯片技术的不断发展,PLC所用的CPU芯片也越来越高档。

为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。

2.存储器

PLC的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及系统RAM存储区。(1)系统程序存储器

系统程序存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序,并固化在ROM内,用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能功能,能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序的质量,很大程度上决定了PLC的性能。(2)用户程序存储器

根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务、用规定的PLC编程语言编写的各种程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同,可以是2RAM(用锂电池进行掉电保护)、EPROM或EPROM存储器,存储内容可以由用户任意修改或增删。目前较先进的PLC采用可随时读写的快闪存储器(F1ash)作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池,掉电时数据也不会丢失。(3)系统RAM存储区

系统RAM存储区包括I/O映像区及各类软元件,如逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。

1)I/O映像区。由于PLC投入运行后,只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据,在输出刷新阶段将输出的状态和数据送至相应的外设。因此,它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据,这些单元称做I/O映像区。一个开关量I/O占用存储单元中的一位(bit),一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字节(16bit)。因此整个I/O映像区可看做两个组成部分:开关量I/O映像区和模拟量I/O映像区。

2)系统软设备存储区。除了I/O映像区以外,系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保护的存储区域,前者在PLC断电时,由内部的锂电池供电,数据不会丢失;后者当PLC断电时,数据被清除。

① 逻辑线圈。与开关输出一样,每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一位,但不能直接驱动外设,只供用户在编程时使用,其作用类似于继电器控制线路中的中间继电器。另外,不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈,具有不同的功能。

② 数据寄存器。与模拟量I/O一样,每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字节(16bit)。另外,PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器,不同的特殊数据寄存器具有不同的功能。

3.I/O单元

I/O单元是PLC与工业现场连接的接口。

输入单元用来接收和采集两种类型的输入信号。一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等发出的开关量输入信号;另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等发来的模拟量输入信号。

输出单元用来连接工业现场被控对象中各种执行元件,如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀、调速装置等。

4.电源适配器

电源适配器一方面可为CPU板、I/O板及扩展单元提供工作电源(DC5V),另一方面可为外部输入元件提供DC24V电源。

5.I/O扩展接口

I/O扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活。

6.设备通信接口

PLC配有多种通信接口,PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机、其他PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时,可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器(CRT)相连时,可将过程映像显示出来;当与其他PLC相连时,可以组成多机系统或连成网络,实现更大规模的控制;当与计算机相连时,可以组成多级控制系统,实现控制与管理相结合的综合系统。

7.编程器

编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程,且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符(指令表)后,才能输入。一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器,可以联机,也可以脱机编程,具有LCD或CRT图形显示功能,可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。目前,大部分PLC可以利用微机作为编程器,这时微机应配有相应的编程软件包,若要直接与PLC通信,还要配置相应的通信电缆及通信卡。

8.其他设备

PLC还可配置EPROM写入器、存储器卡等其他外部设备。1.3.2 PLC的工作原理

下面以控制电动机正反转为例来说明PLC的工作原理,了解CPU是如何执行程序的。图1-2所示是PLC的外部接线和梯形图。图1-2 PLC的外部接线和梯形图

输入I0.0、I0.1和I0.2分别采集电动机停止、正转和反转的输入信号,输出Q0.0和Q0.1控制电动机的正转和反转。

系统上电或由STOP模式切换到RUN模式时,CPU要执行一次复位操作,包含如下两个操作步骤。

① 清除没有保持功能的位存储器状态、定时器和计数器状态,清除中断堆栈和块堆栈的内容等。

② 执行系统启动组织块OB100。如果用户想使系统在上电后做一些初始化操作,就可以在OB100中编写程序,否则用户完全可以忽略这个组织块。需要注意的是OB100只在复位后被执行一次。

整个PLC的工作过程是以循环扫描的方式进行的,重复执行一个循环工作周期。以下四个步骤就是PLC程序执行的一个循环工作周期。

① 操作系统启动循环时间监控。

② CPU将输出映像区中的数据写到输出模块。

③ CPU读取输入电路的接通/断开状态并存入输入映像区。

④ CPU处理用户程序,执行用户程序中的指令,并实时更新内存映像区。

在①阶段,操作系统启动用户设置的监控循环时间。

在②阶段,CPU将输出映像区中的数据状态传送到输出模块,用于控制与输出点连接的继电器线圈。若上次循环工作周期中输出映像区中Q0.0状态为“0”,而这次Q0.0得电,其状态变为“1”时,控制电动机的继电器线圈通电,其常开触点闭合,电动机正转;反之,控制电动机的继电器线圈断电,其常开触点断开,电动机停止工作。

在③阶段,PLC通过输入模块采集外部电路的接通/断开状态,并写入到输入映像区中。若外部电路开关SBl闭合时,对应的输入映像位I0.0状态为“1”,在梯形图中对应的I0.0常开触点闭合,常闭触点断开,反之亦然。

在④阶段,当CPU执行程序指令时,从映像区特别是输入映像区中读出程序中所用元件的“0”、“1”状态,并执行指令,将运算结果实时写入到对应的映像区中。需要注意的是:在程序执行阶段,即使外部输入信号的状态发生了变化,输入映像区对应的元件位也不会随之立即改变,只能等到这个循环扫描周期结束,下个循环扫描周期开始时才能被更新。

在S7-300中,系统不断地调用组织块OB1(相当于C语言中的主函数),在主函数中调用其他子程序,包括用户自己编制的子程序(指逻辑块FC或FB)和系统自带的子程序(系统逻辑块SFC或SFB)。

在实际工程应用中,中断是不可缺少的工作方式,循环工作过程可以被某些事件中断。S7-300和S7-400的CPU为用户提供了多种中断方式,以下是几种常用的中断方式。

① 中断源通过外部电路的输入进入系统,中断服务程序需事先存入组织块OB40。

② 系统提供了某些组织块为中断工作方式服务,有OB10(日期时间中断组织块)和OB20(延时中断组织块)。

总之,CPU从第一条指令开始,逐条地执行用户程序,并且循环重复执行。执行指令时,从元件映像区中将有关编程元件的0/1状态读出来,并根据指令的要求执行相应的逻辑运算,实时更新映像区,最后的运算结果输出到生产过程的执行机构中。

1.4 S7系列PLC简介

德国西门子公司是世界上较早研制和生产PLC产品的主要厂家之一,其产品具有多种型号,以适应各种不同的应用场合,有适合于起重机械或各种气候条件的坚固型,也有适用于

小空间具有高处理性能的密集型,有的运行速度极快且具有优异的扩展能力。它包括从简单的小型控制器到具有过程计算机功能的大型控制器,可以配置各种I/O模块、编程器、过程通信和显示部件等。西门子公司的PLC发展到现在已有很多系列产品,如S5、S7、C7、M7系列等,本书主要以S7-300/400系列为例讲解PLC的理论和应用。

S7系列PLC是在S5系列基础上研制出来的,它由S7-200、S7-300/400 PLC组成。

1.S7-200 PLC

微型 S7-200 PLC 结构紧凑、价格低廉,适用于小型的自动化控制系统。其指令处理时间短,减少了循环时间,高速计数器使其可应用于更广泛的领域,高速中断处理能分别响应各种过程事件;对性能的扩展提供了模块化的扩展能力,用于控制步进电动机的脉冲输出,同样可用于脉宽调制,为快速方便地解决最复杂问题提供高效的指令集。此外,附加性能有:点对点接口(PPI)支持编程;操作员接口与串行设备接口;用户界面 好的STEP 7Micro/DOS软件和高效的编程器简化了编程;三级口令用于保护用户程序;TD200和COROS操作员面板提供了简单的人机接口功能。

2.S7-300 PLC

模块化 S7-300 PLC 适用于快速的过程处理或对数据处理能力有特别要求的中小型自动化控制系统。它具有高速的计算能力、完整的指令集、多点接口(MPI)和通过SINEC LAN进行联网的能力;它内置多种功能,具有综合诊断能力,它推出的口令保护,简便的连接系统和无限的插入模块组态,使系统组态处理更加方便;由于其快速的指令处理速度,大大缩短了系统循环时间;同时高性能模块和多种CPU为各种各样的需求提供了合适的解决方案;模块扩展能力最多可增加到3个扩展基架(ER),极高的安装密度,背板总线安装在每个模块中,预先接线系统(TOP接线),减少了所需空间和费用,同时为连接SIMATIC系列各种部件提供了接口,它具有对用户 好的Windows STEP 7 Mini编程软件和功能强大的编程器。

3.S7-400 PLC

极具通信能力的S7-400 PLC适于大、中型自动控制系统,它指令执行时间极短;在恶劣、不稳定的工业环境下,坚固、全部密封的模板依然可正常工作;无风扇操作降低了安装的费用;在操作运行过程中模板可插拔;分布式的内部总线允许在CPU与中央I/O间进行非常快的通信(P总线与I/O模板间进行数据交换,C总线可将大量数据传送到功能模块和通信模块);一些CPU装备了内置的SINEC L2 DP接口,保证了对分布式I/O进行快速数据交换,其强大的通信模块允许点对点通信,以及用SINEC L2和SINEC H1总线系统进行通信。

1.5 PLC控制系统设计

1.设计的基本原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求,以提高生产效率和产品质量。因此在设计PLC控制系统时,应遵循以下基本原则。

① 最大限度地满足被控对象和用户的控制要求。设计前,应深入现场进行调查研究,搜集资料,并与相关的设计人员和实际操作人员密切配合,共同拟定控制方案,协同解决设计中出现的各种问题。

② 在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济,使用及维修方便。

③ 保证控制系统的安全、可靠。

④ 考虑到生产的发展和工艺的改进,在选择PLC容量时,应适当留有余量。

2.设计的基本内容

PLC控制系统是由PLC与用户I/O设备连接而成的。因此,PLC控制系统设计的基本内容应包括以下几个方面。

① PLC可构成各种各样的控制系统,如单机控制系统、集中控制系统等。在进行应用系统设计时,要确定系统的构成形式。

② 系统运行方式与控制方式的选择。

③ 选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件),以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。

④ PLC的选择。PLC是控制系统的核心部件,正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。

⑤ 分配I/O点,制PLC连接图。

⑥ 设计控制程序。控制程序是整个系统工作的软件,是保证系统正常、安全、可靠的关键。因此控制系统的程序应经过反复调试、修改,直到满足要求为止。

⑦ 必要时还须设计控制台(柜)。

编制控制系统的技术文件,包括说明书、电气原理图及电气元件明细表、I/O连接图、I/O地址分配表和控制软件。

3.设计的一般步骤

设计PLC控制系统的一般步骤如图1-3所示。

① 根据生产工艺过程分析控制要求,如需要完成的动作(动作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等)、操作方式(手动、自动、连续、单周期、单步等)。

② 确定用户I/O设备。根据被控对象对PLC控制系统的功能要求,确定系统所需的用户I/O设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等,常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。

③ 选择合适的PLC类型。根据已确定的用户I/O设备,统计所需的输入信号和输出信号的点数,选择合适的PLC类型,包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。

④ 分配I/O点。分配PLC的I/O点,编制出I/O分配表或者画出I/O端子的接线图。接着进行PLC程序设计,同时也可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。

⑤ 设计应用系统程序,根据工作功能块图或状态流程图等进行编程。这一步是整个应用系统设计中最核心的工作,也是比较困难的一步。要设计好程序,首先要十分熟悉控制要求,同时还要有一定的电气设计的实践经验。

⑥ 将程序输入PLC。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时,可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中。

⑦ 进行软件测试。程序输入PLC后,应先进行测试工作。由于在程序设计过程中,难免会有 漏,因此在将PLC连接到现场设备上之前,必须进行软件测试,以排除程序中的错误,同时也为整体调试打好基础,缩短整体调试的周期。

应用系统整体调试。在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后,就可以进行整个系统的联机调试。如果控制系统是由几个部分组成的,则应先做局部调试,然后再进行整体调试;如果控制程序的步数较多,则可先进行分段调试,然后再连接起来总调试。调试中发现的问题要逐一排除,直至调试成功。图1-3 PLC控制系统的设计步骤

编制技术文件。系统技术文件包括功能说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC 程序等。功能说明书是在自动化过程分解的基础上对过程的各部分进行分析,把各部分必须具备的功能、实现的方法和所要求的输入条件及输出结果,以书面形式描述出来。

交 使用。

总之,PLC应用系统的设计包括硬件设计和应用控制软件设计两大部分。其中,硬件设计主要是选型设计和外围电路的常规设计,应用软件设计则是依据控制要求和PLC指令系统来进行的。

第2章 S7-300/400 PLC的硬件与安装

2.1 S7-300 PLC概述

2.1.1 S7-300 PLC的分类

S7-300系列PLC是一种通用型PLC,能适合自动化工程中的各种应用场合,尤其是在生产制造中的应用。S7-300PLC基于模块化、无风扇结构设计,采用DIN标准导轨安装,配置灵活、安装简单、维护容易、扩展方便,各种模块可以进行广泛的组合和扩展,图2-1所示为S7-300PLC的实物结构图。图2-1 S7-300 PLC实物图1—负载电源(选项);2—后备电池(CPU 313 以上);3—24V DC连接;4—模式开关;5—状态和故障指示灯;6—存储器卡(CPU 313 以上);7—MPI多点接口;8—前连接器;9—前盖

S7-300 PLC产品的规格众多,而且还在不断扩充中,产品性能主要通过不同的CPU模块进行区分,I/O模块、电源模块、功能模块通用。最新S7-300 CPU包括了标准型、革新型、紧凑型、故障安全型、技术功能型5大系列,前期产品还包括“户外型”等;而且同系列产品的性能与型号也有不同程度的变化。因此,S7-300 PLC产品的CPU规格累计多达数十种。

1.标准型

S7-300系列标准型CPU包括CPU313、CPU314、CPU315、CPU315-2DP、CPU316-2DP五种规格。标准型CPU均为模块式结构,CPU无集成I/O点。

在标准型CPU中,CPU313不可以连接扩展机架(只能采用单机架结构),主机架上的最多安装模块数为8个,每一模块的最多I/O点数为32点,因此,PLC的最多I/O点数为256点。其余CPU均可以连接最多3个扩展机架,每一机架的安装模块数均为8个,连同主机架PLC的最多安装模块数为32个,因此,PLC的最多I/O点数为1024点。S7-300系列标准型CPU的主要技术特性如表2-1所示。表2-1 S7-300系列标准型CPU的主要技术特性

2.革新型

革新型CPU具有与标准型CPU相同的系列表示,是标准型CPU的技术革新产品,S7-300 PLC有五种革新型CPU,分别是CPU312、CPU314、CPU315-2DP、CPU317-2DP、CPU318-2DP,其主要技术特性如表2-2所示。表2-2 革新型CPU的主要技术特性

3.紧凑型

S7-300系列紧凑型CPU包括CPU312C、CPU313C、CPU313C-2PtP、CPU313C-2DP、CPU314C-2PtP、CPU314C-2DP 六种规格。紧凑型CPU与标准型CPU的主要区别是CPU本身带有数量不等的集成I/O点、集成计数、脉冲输出等功能,同样,它也可以根据需要选择不同的I/O模块进行扩展。

与标准型一样,紧凑型的CPU312C同样不可以连接扩展机架,其余CPU均最多可以连接3个扩展机架。

虽然,紧凑型CPU的机架安装模块数同样均为8个,每一模块的最多I/O点数也为32点,但由于CPU模块本身均有集成的I/O点,此外,集成的计数输入、脉冲输出等功能需要专用相应的I/O地址,因此S7-300系列紧凑型CPU的I/O点数与同规格的标准型不同,当控制系统实际使用的I/O点数接近PLC的最多I/O点数时,需要考虑扩展PLC。

紧凑型CPU均带有固定点数的高速计数输入与高速脉冲输出,I/O频率可以达到10~60Hz(点数与I/O频率根据CPU的型号有所不同)。紧凑型CPU的主要技术特性如表2-3所示。表2-3 紧凑型CPU的主要技术特性

4.故障安全型

S7-300系列故障安全型CPU包括CPU315F-2DP、CPU317F-2DP两种规格。故障安全型PLC内部安装有经德国技术监督委员会认可的基本功能块与安全型I/O模块参数化工具,可以用于锅炉、索道及对安全性要求极高的特殊控制场合,它可以在系统出现故障时立即进入安全状态或安全模式,以确保人身与设备的安全。

5.技术功能型

S7-300系列技术功能型CPU目前有CPU317-2 PN/DP、CPU317T-2DP两种规格。其中CPU317T-2DP是一种专门用于运动控制的PLC,最多可以控制16轴。CPU除可以控制轴定位外,还可以实现简单的插补与同步控制,可以用于需要进行坐标位置、速度等控制的场合。故障安全型和技术功能型CPU的技术特性如表2-4所示。表2-4 故障安全型和技术功能型CPU的技术特性

6.户外型

前期的S7-300系列有专门的所谓“户外型”CPU,常用的有CPU312 IFM、CPU314 IFM、CPU314户外型三种规格。户外型CPU的基本性能与同规格的紧凑型、标准型CPU类似,其主要特点是防护等级高,允许在-25~70℃的环境下使用,可以用于恶劣的环境。

新系列中,户外型的基本型号已经更改为 SIPLUS CPU312C、SIPLUS CPU313C、SIPLUSCPU314、SIPLUS CPU315-2DP,同样允许在-25~70℃并且含有氯、硫气体的环境下使用。户外型CPU的主要技术特性如表2-5所示。表2-5 户外型CPU的主要技术特性2.1.2 S7-300 PLC的结构

S7-300 PLC采用紧凑的、无槽位限制的模块化组合结构,根据应用对象的不同,可选用不同型号和不同数量的模块,并可以将这些模块安装在同一机架(导轨)或多个机架上(与CPU312IFM和CPU313配套的模块只能安装在同一个机架上)。导轨是一种专用的金属机架,只需将模块装在DIN标准的安装导轨上,然后用螺栓锁紧就可以了。有多种不同长度规格的导轨供用户选择。

如图2-2所示,电源模块总是安装在机架的最左侧,CPU模块紧靠电源模块;如果有接口模块(IM),接口模块放在CPU模块的右侧;除了电源模块、CPU模块和接口模块外,一个机架上最多只能再安装8个信号模块、通信处理器模块或功能模块。

也就是说,机架的最左边是1号槽,最右边是11号槽,电源模块总是在1号槽的位置。中央机架(0号机架)的2号槽上是CPU模块,3号槽是接口模块。信号模块、功能模块和通信处理器模块可以任意安装在4~11号槽内,系统可以自动分配模块的地址。图2-3是S7-300 PLC的总线安装结构图。图2-2 S7-300 PLC的模块化结构图2-3 S7-300 PLC的总线安装结构图

需要注意的是,槽位号是相对的,每一机架的导轨并不存在物理的槽位。因为模块是用总线连接器连接的(如图2-3所示),而不是像其他模块式PLC那样,用焊在背板上的总线插座来安装模块,所以槽号是相对的,在机架导轨上并不存在物理槽位。例如,在不需要扩展机架时,中央机架上没有接口模块,此时虽然3号槽位仍然被实际上并不存在的接口模块占用,中央机架上的CPU模块和4号槽的模块实际上是挨在一起的。如果有扩展机架,接口模块占用3号槽位,负责与其他扩展机架自动进行数据通信。

S7-300 PLC的电源模块通过电源连接器或导线与CPU模块相连,为CPU模块提供DC24V电源。PS307电源模块还有一些端子可以为信号模块提供24V电源。

S7-300 PLC用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上,模块通过U形总线连接器相连,每个模块都有一个总线连接器,后者插在各模块的背后(如图2-2所示)。安装时先将总线连接器插在CPU模块上,并固定在导轨上,然后依次装入各个模块。

外部接线接在信号模块和功能模块的前连接器端子上,前连接器用插接的方式安装在模块前门后面的凹槽中(如图2-1所示),前连接器与模块是分开订货的。

更换模块时只需松开安装螺钉,拔下已经接线的前连接器。前连接器上的编码块可以防止将已接线的连接器插到其他模块上。

如果系统任务需要的信号模块、功能模块和通信处理器模块超过8块,则可以增加扩展机架(ER)来进行系统的扩展(如图2-4所示),有的低端CPU没有扩展功能。图2-4 S7-300 PLC的扩展结构

IM360/IM361接口模块可以扩展3个机架,中央机架(CR)使用IM360,扩展机架(ER)使用IM361,各相邻机架之间的电缆最长为10m。每个IM361需要一个外部DC24V电源向扩展机架上的所有模块供电,可以通过电源连接器连接PS307的负载电源。所有的S7-300模块均可以安装在ER上。接口模块是自组态的,无须进行地址分配。

用于发送的接口模块IM360安装在0号机架3号槽中,它通过专用电缆,将数据从IM360发送到具有接收功能的IM361。IM360和IM361上有指示系统状态和故障的发光二极管(LED),如果CPU不确认此机架,则LED闪烁,可能是连接电缆没接好或者是串行连接的IM361关掉了。具有接收功能的接口模块IM361,用于S7-300 PLC的机架1到机架3的扩展,通过连接电缆把数据从IM360接收到IM361或者从一个IM361传到另一个IM361。IM361不仅提供数据传输,还将DC24V电压转换为DC5V电压,给所在机架的背板总线提供DC5V电源,供电输出电流不超过0.8A。0号机架上的DC5V电源由CPU模块产生,CPU313/314/315供电电流不超过1.2A,CPU312-IFM供电电流不超过0.8A。所以,每个机架所能安装的模块数量除了不能大于8块外,还要受到背板总线5V供电电源的限制,即每个机架上各模块消耗的5V电源电流之和应小于该机架最大的供电电流。

如果只扩展两个机架,则可选用比较经济的IM365接口模块对,这一对接口模块由1m长的连接电缆相互固定连接。IM365不提供DC5V电源,此时,在两个机架上直流DC5V的总电流耗量应限制在1.2A之内。且由于IM365接口模块不能给机架1提供通信总线,因此在机架1上只能安装信号模块,而不能安装通信处理器等其他智能模块。2.1.3 S7-300 PLC的组成

S7-300 PLC主要由以下几部分组成。

1.中央处理单元(CPU)

各种CPU有不同的性能,例如,有的CPU集成有数字量和模拟量I/O点,有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒(有的CPU没有)。

2.负载电源模块(PS)

负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源,供CPU和I/O模块使用。额定输出电流有2A、5A和10A三种,过载时模块上的LED闪烁。

3.信号模块(SM)

信号模块是数字量I/O模块和模拟量I/O模块的总称,它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322,模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC4~20mA和DC0~10V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。每个模块上有一个背板总线连接器,现场的过程信号连接到前连接器的端子上。

4.功能模块(FM)

功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务,例如,计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。

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