作者：罗萍 林海波 岂兴明
出版社：人民邮电出版社
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西门子PLC S7-300/400工程实例试读：
前言
随着工业自动化和通信技术的飞速发展，可编程控制器（PLC）应用领域大大拓展。西门子公司是最早生产PLC的厂家之一，其产品在工业领域运用广泛，并得到了用户和市场的认可。
为了满足广大工程技术人员对PLC系统设计的需要，本书以工程应用为目的，以知识点为主线，选择典型工程实例进行讲解。通过分析系统工艺要求，进行硬件配置和软件编程，由浅入深、循序渐进地对知识点进行讲解，使读者能全面、系统、深入地掌握PLC的应用与设计方法。
全书共12章，以西门子S7系列PLC为对象，从工程应用和实训出发，针对具体实例进行分析和讲解。章节按照从简单到复杂、由一般到特殊的顺序编排如下。
第1章为西门子PLC概述，简要介绍了PLC的概念、发展历史和工作原理、硬件结构和组成，同时介绍了PLC指令系统的概念、原理和组成分类等。
第2章为PLC控制系统设计，详细阐述PLC控制系统的设计原理和设计原则，概述了PLC控制系统的设计流程，并指出设计过程中各阶段的注意事项。
第3章为PLC运料小车控制系统，重点阐述了PLC控制系统的设计方法、西门子PLC基本逻辑控制指令和编程方法。
第4章为PLC全自动洗衣机控制系统，深入探讨了计数器、定时器的应用，以及功能块（FB）和功能（FC）的使用，并总结了PLC程序设计中应注意的问题，同时利用顺序功能图思想，以梯形图方式实现洗衣机顺序控制。
第5章为PLC聚料架控制系统，重点介绍了顺序功能图的绘制原则及S7-GRAPH编程语言，并利用顺序功能图的梯形图实现了PLC聚料架的控制，利用S7-PLCSIM进行仿真调试。
第6章为PLC切断机定长切断控制系统，重点介绍了高速计数功能在定长切断中的运用。
第7章为PLC机械手控制系统，重点阐述了如何利用西门子PLC集成脉宽调制模块SFB49、位置控制模块FM353实现步进电动机的控制。
第8章为PLC污水处理控制系统，重点讲解了WinCC Flexible的项目建立、界面设计和脚本编程。
第9章为PLC挤出机控制系统，重点介绍了利用WinCC组态软件实现上位机与PLC进行通信，以及组态界面的建立、归档、报警等。
第10章为PLC橡胶制品生产线控制系统，重点讲述了西门子PLC的PROFIBUS、MPI通信。
第11章为PLC三轴运动控制系统，简要介绍了三轴运动控制系统的组成及控制工艺，详细讲解了三轴运动控制系统的硬件和软件控制系统的设计，并重点阐述了PLC控制步进电动机的方法以及S7-1200的脉冲发生器功能指令的组态及应用方法。
第12章为西门子连铸机二冷水控制系统，介绍连铸机二冷水控制系统设计方法，FC105、FC106的参数设置，PID参数整定等。
本书第1～11章由罗萍、岂兴明编写，第12章由林海波编写。另外龚晓光、钦政、任春旺、高奇峰等也参与了本书的编写工作，在此一并感谢。由于编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者批评指正。编者2018年6月第1章 西门子PLC概述
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）始于20世纪60年代美国通用汽车公司提出的“通用十条”要求，最初的目的是替代机械开关装置（继电模块），用于逻辑控制。随着技术的发展，到20世纪70年代后期，可编程逻辑控制器具有了计算机的功能，因而被称为可编程控制器（Programmable Controller，简称PC），为了避免与个人计算机的简称PC相互混淆，通常人们仍习惯地用PLC作为可编程逻辑控制器的缩写。PLC在传统电气控制技术的基础上，融合了电子技术、计算机技术、自动化技术和通信技术，具有编程简单、使用方便、功能强大、配置灵活、可靠性高、易于维护等优点，因而得以在石化、电力、纺织、食品、机械乃至航空航天等领域获得广泛应用。1.1 PLC概念及工作原理
根据国际电工委员会（IEC）于1987年颁布的PLC标准草案第三稿，PLC的定义是：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则来设计。”1.1.1 PLC的产生与发展
美国的汽车工业的发展促进了PLC的产生，20世纪60年代，美国通用汽车公司（GM）发现继电器和接触器体积大、噪声大、维护复杂并且可靠性不强，于是提出了著名的“通用十条指标”，即：
1）编程方便，可在现场修改程序；
2）维护方便，最好是插件式；
3）可靠性高于继电器控制柜；
4）体积小于继电器控制柜；
5）可将数据直接送入管理计算机；
6）在成本上可与继电器控制柜竞争；
7）输入为交流115V；
8）输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；
9）在扩展时原有系统改变最少；
10）用户程序存储器至少可扩展到4KB。
按照“通用十条指标”，美国设备公司（DEC）于1969年研制出了第一台控制器，PDP-14。随后，20世纪70年代日本研发出第一台可编程控制器。20世纪70年代末期，可编程逻辑控制器进入了实用化的阶段，人们敏锐地意识到计算机能够引入可编程逻辑控制器，从而使得可编程逻辑控制器的功能大大地加强。20世纪80年代初，西方发达国家在工业生产中广泛应用可编程逻辑控制器。20世纪80年代到90年代这一阶段是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率保持在30％～40％。20世纪末期，可编程逻辑控制器发展了大型机和超小型机，诞生了许多特殊功能。1.1.2 PLC的工作原理
PLC是一种存储程序的控制器，需要根据用户的要求，将编制好的程序通过计算机下载到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序实现的。
PLC和微型计算机的运行程序不同，微型计算机运行程序时，是从开始执行到END指令。但是PLC从0号存储地址所存放的第一条用户程序开始，如果没有中断或者跳转的情况下，按存储地址递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到结束。当程序执行完一遍后，然后再从头开始执行，并且循环重复，直到停机。PLC的这种工作方式我们称为扫描工作方式。每执行完一遍就是一个扫描周期，即顺序扫描，不断循环。
PLC扫描工作方式分为3个阶段，即输入扫描、程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述3个阶段称作一个扫描周期，如图1-1所示。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复上述3个阶段。图1-1 PLC内部运行图
1. 输入扫描
PLC在开始执行程序时，会按顺序将所有输入信号读入输入映像寄存器，这个阶段称为输入扫描，也称为输入采样阶段。PLC在运行程序时，处理输入映像寄存器中的信息。在每一个周期内采样结果不会改变，只有在下一个周期输入扫描阶段才会被刷新。
2. 程序执行
PLC将所有输入状态采集完毕后即开始执行程序，在系统程序的指示下，CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令，进行运算处理，把处理结果写入输出映像寄存器中保存。经解释后执行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的响应状态。
当CPU在系统程序的管理下扫描用户程序时，按照先下后上、先左后右的顺序依次读取梯形图中的指令。当用户程序被完全扫描一遍后，所有的输出映像都被依次刷新，系统将进入下一个阶段，即输出刷新。
3. 输出刷新
在这个阶段，系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经过输出接口或输出端子输出，驱动外部负载。输出锁存器一直将状态保持到下一个循环周期，而输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的。
PLC信号处理过程如图1-2所示。图1-2 PLC信号处理图1.2 西门子PLC简介
西门子公司从1958年开始发布SIMATIC系列PLC。到1975年，西门子公司发布了投入市场的第一代产品，带有简单操作接口的二进制控制器的SIMATIC S3。1994年，西门子公司发布了S7系列产品，该系列产品具有高性能、高稳定性能、用户界面良好等优点。
从最初的C3、S3、S5到S7系列，西门子公司的每一代产品都带来了新的功能，逐渐成为应用非常广泛的可编程逻辑控制器。西门子公司早期发布的产品S3、S5系列PLC已经退出市场，现阶段，市场上较为常用的西门子PLC产品有SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。其中传统意义上的PLC产品——S7系列PLC则成为了西门子公司核心的可编程逻辑控制器。
其中S7-200系列属于整体式小型PLC，用于替代继电器的简单场合，也可以用于复杂的自动控制系统。S7-300系列是模块化的中小型PLC，最多可扩展32个模块，适用于中等性能的控制要求。S7-400是具有中高性能的PLC，采用模块化无风扇设计，可以扩展200多个模块，适用于对可靠性要求极高的大型复杂控制系统。S7-300/400可以组成MPI（多点接口）、PROFIBUS网络和工业以太网等。
总体而言，西门子PLC具有很强的操作性，不仅编程简单，而且可以直接显示输入程序，能方便地调试程序；同时维修方便、快捷，模块化强，采用了一系列可靠性设计的方法，如断电保护、故障诊断、信息恢复等；一般不容易发生操作错误。若出现故障，可使用PLC自诊断功能通过软硬件寻找故障位，因此对专业的维修人员技能要求降低。1.3 PLC系统硬件结构
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接，如图1-3所示。图1-3 整体式PLC组成框图
1. 中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC控制的核心，每台PLC至少有一个CPU。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的数据、控制及状态总线构成，此外还包括外围芯片、总线接口以及有关电路。CPU确定了控制的规模、工作速度、内存容量等。
CPU按照系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面。（1）接收从编程器输入的用户程序和数据。（2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。（3）通过输入接口接收现场的状态和数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。（4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释执行。（5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。
2. 存储器单元
存储器一般有两种：可读可写的随机存储器RAM和只读存储器ROM、PROM、EPROM、EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般为ROM，具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或控制功能设计的控制程序，早期一般采用RAM，但需要后备电池，以便在掉电后保存程序。现在多采用电可擦除的可编程只读存储器EEPROM或闪存Flash Memory，免去了后备电池的麻烦。工作寄存器中的数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据，存放在RAM中，以适应随机存储的要求。
PLC的存储器分为5个区域，如图1-4所示。图1-4 存储器区域划分图
3. 输入/输出单元
输入/输出单元通常也称为I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
输入单元的作用是将不同的电压、电流形式的信号转变为微处理器可以接受的信号。输入单元对输入信号进行滤波、隔离和电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。
输出单元的作用是将微处理器处理的逻辑信号转变为被控制设备所需的电压、电流信号。输出单元具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用以及功率放大的作用。
其中，PLC的输入输出信号可以是模拟量也可以是开关量。
由于CPU内部工作电压一般为5V，而PLC外部输入/输出信号电压一般比较高，如DC 24V或AC 220V。为保障PLC正常工作，输入/输出单元还具有电平转换的作用。
4. 电源单元
PLC电源单元是指外部输入的交流电处理后转换成满足CPU、存储器、输入/输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。有些电源也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。PLC的电源一般采用直流开关稳压电源，稳定性好，抗干扰能力强。电源单元的输入与输出之间有可靠的隔离，以确保外界的扰动不会影响到PLC的正常工作。
电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外接电源断电后不会丢失。在控制面板上通常有发光二极管指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。
5. 外部设备
PLC的外部设备种类很多，其中主要可分为编程设备、监控设备、存储设备和输入/输出设备。其中编程设备作用是编辑、调试程序，也可以在线监控PLC的运行状态，与PLC进行人机对话。监控设备的作用在于将PLC上传的现场实时数据在面板上动态实时显示出来，以便操作人员和技术人员随时掌控系统运行的情况，操作人员能通过监控设备向PLC发送操控指令。存储设备用于保存用户数据，避免用户程序丢失。输入输出设备是用于接收和输出信号的专用设备，如条码读入器、打印机等。1.4 PLC的指令系统
PLC的指令系统是PLC全部编程指令的集合。除基本指令外，整个指令系统也涉及程序结构、数据存储区和编程语言。
1. 程序结构
PLC的程序有3种：主程序、子程序、中断程序。其中主程序是程序的主体，一个项目只有唯一的一个主程序。主程序中可以调用子程序和中断程序，CPU在每一个扫描周期都要运行一次主程序。子程序可以被其他程序调用，使用子程序可以提高编程效率而且便于移植。中断程序是用来处理中断事件，而且中断程序不能被用户调用，而是由中断事件引发的。常见的中断有输入中断、定时中断、高速计数器中断和通信中断。
2. 数据存储区
数据区是用户程序执行过程中的内部工作的区域，用于对输入/输出数据进行存储。包括输入映像寄存器（I）、输出映像寄存器（Q）、变量存储器（V）、内部标准寄存器（M）、顺序控制继电器存储器（S）、特殊标志位寄存器（SM），局部存储器（L）、定时器寄存器（T）、计数器存储器（C）、模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ）、累加器（AC）和高速计数器（HC）。
3. 编程语言
PLC有各种不同类型的语言，即使是同一种编程语言在不同类型的PLC上也有不同的表示方法。PLC指令的功能及其表示方法是由各制造厂家在其进行系统设计时分别确定下来的，所以各种类型的PLC的指令系统存在一定的差异。
PLC编程语言标准（IEC 61131-3）中有5种编程语言。（1）顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）；（2）梯形图LADDER（Ladder Diagram）；（3）功能块图FBD（Function Block Diagram）；（4）语句表STL（Structured Instruction List）；（5）结构文本ST（Structured Text）。
其中的顺序功能图（SFC）、梯形图（LADDER）、功能块图（FBD）是图形编程语言，语句表（STL）、结构文本（ST）是文字语言。
4. 指令系统
本书中重点介绍的西门子公司PLC对应的STEP 7中的编程语言有梯形图、语句表和功能块图3种基本编程语言，可以相互转换。
STEP 7的基本逻辑指令有位逻辑指令、堆栈指令、定时器和计数器指令；基本功能指令有数据处理指令、数学运算指令；其程序控制指令有循环指令、跳转与标号指令、暂停指令、监视定时器复位指令、有条件指令、ENO指令、子程序调用与返回指令、特殊指令。这些指令的作用以及使用方法将在后文实例进行讲解。
以位逻辑指令为例，STEP 7中的位逻辑指令见表1-1和表1-2。表1-1 LAD、FBD位逻辑指令表表1-2 STL位逻辑指令表
各种类型PLC指令系统的差异主要表现在指令表达式、指令功能及功能的完整性等方面。一般来说，满足基本控制要求的逻辑运算、计时、计数等基本指令，各种PLC上都具有，而且这些基本指令在简易编程器上的指令键上都能找到，它们是一一对应的。对于数字运算，一般的PLC也有，但在计算精度、计算类型的多少上各有不同。对其他一些增强功能的控制指令，有的PLC较多，有的可能少些。
虽然各种PLC的指令系统存在这样或那样的不同，但总的来说，PLC的编程语言都是面向生产过程、面向工程技术人员的，对电气技术人员来讲是比较容易掌握的。各种PLC命令的主要功能及其编程的主要规则也是大同小异的。1.5 开发环境介绍
全集成自动化软件TIA Portal（中文名为博途），是西门子公司发布的新一代全集成自动化软件，它几乎适用于所有自动化任务。借助这个平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。与传统方法相比，无需花费大量时间集成软件包，显著地节省了时间，提高了设计效率，其开发环境界面如图1-5所示。图1-5 TIA Portal开发环境界面
TIA Portal采用新型、统一软件框架，可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时的共享任务，可大大降低连接和组态成本。例如，用户可方便地将变量从可编程控制器拖放到人机界面设备的画面中，然后在人机界面内即时分配变量，并在后台自动建立控制器与人机界面的连接，无需手动组态。
作为西门子所有软件工程组态包的一个集成组件，TIA Portal平台在所有组态界面间提供高级共享服务，向用户提供统一的导航并确保系统操作的一致性。例如，自动化系统中的所有设备和网络可在一个共享编辑器内进行组态。在此共享软件平台中，项目导航、库概念、数据管理、项目存储、诊断和在线功能等作为标准配置提供给用户。统一的软件开发环境由可编程控制器、人机界面和驱动装置组成，有利于提高整个自动化项目的效率。此外，TIA Portal在控制参数、程序块、变量、消息等数据管理方面，所有数据只需输入一次，大大减少了自动化项目的软件工程组态时间，降低了成本。TIA Portal的设计面向对象和集中数据管理，避免了数据输入错误，实现了无缝的数据一致性。使用项目范围的交叉索引系统，用户可在整个自动化项目内轻松查找数据和程序块，极大地缩短了软件项目的故障诊断和调试时间。
SIMATIC Step 7 V12是基于TIA Portal平台的全新的工程组态软件，支持SIMATIC S7-1500、SIMATIC S7-1200、SIMATIC S7-300和SIMATIC S7-400控制器，同时也支持基于PC的SIMATIC WinCC自动化系统。由于支持各种可编程控制器，SIMATIC Step 7 V12具有可灵活扩展的软件工程组态能力和性能，能够满足自动化系统的各种要求。这种可扩展性的优点表现为，可将SIMATIC控制器和人机界面设备的已有组态传输到新的软件项目中，使得软件移植任务所需的时间和成本显著减少。
与之对应，基于TIA博途平台的全新SIMATIC WinCC V12支持所有设备级人机界面操作面板，包括所有当前的SIMATIC触摸型和多功能面板、新型SIMATIC人机界面精简及精致系列面板，也支持基于PC的SCADA（监控控制和数据采集）过程可视化系统。WinCC界面如图1-6所示。图1-6 WinCC界面图1.6 本章小结
本章简要介绍了PLC的概念、发展历史和工作原理，概述了西门子PLC的起源、发展、现状和特点，大致分析了PLC系统的硬件结构和组成，同时介绍了PLC指令系统的概念、原理和组成分类，最后介绍了西门子PLC常用的开发软件平台TIA Portal，以便学习者对可编程逻辑控制器PLC和西门子PLC有足够详细的了解。第2章 PLC控制系统设计
对于PLC的学习者来说，学习PLC的最终目的就是将它应用到实际的工业控制系统中，亦即进行PLC控制系统设计，这也是PLC学习者必须掌握的技能。2.1 PLC控制系统概述
PLC控制系统就是使用PLC作为控制器的控制系统，一个PLC控制系统一般由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。PLC控制系统涉及系统规模、硬件配置、软件配置和控制功能的实现。对任何一个控制系统，都需要分析被控对象，提出控制系统应具有的各种控制功能，如PID控制等。熟悉被控对象是设计控制系统的基础，只有深入了解被控对象以及被控过程才能够提出科学合理的控制方案。而后需要对控制方案的可行性进行一个预测性的估计，此时一定要全面考虑整个控制系统的设计和实施将会遇到的各种问题，详细论证设计系统中每一个步骤的可行性，并确定系统是单机控制还是联网控制、是采用远程I/O还是本地I/O、是否需要与其他部分通信、采用何种通信方式以及是否需要冗余备份系统。
简而言之，PLC控制系统首先要能满足用户提出的基本要求，其次要确保使用可靠性，不可以经常出现故障，即使出现故障也不会造成大的损失；最后在经济性等方面予以考虑。2.2 PLC控制系统设计原则
设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体地确定PLC的机型和系统的具体配置。
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，设计人员在设计PLC控制系统时，应综合考虑各方面因素，并遵循以下基本原则。
1. 最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
2. 保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
3. 力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
4. 适应发展的需要
由于技术的不断发展，对控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进的需要。
5. 技术先进
设计人员在进行硬件设计时，应优先选用技术先进、应用成熟广泛的产品组成控制系统，保证系统在一定时间内具有先进性，不致被市场淘汰。此原则应与经济实用原则共同考虑，使控制系统具有较高的性价比。2.3 PLC控制相关知识点
一个PLC控制系统的完整设计流程图，如图2-1所示，其中前期工作包括分析被控对象，提出并论证系统方案以及系统总体设计。被控对象的分析和描述是为了确认被控对象和明确控制任务，熟悉被控对象是设计控制系统的基础。系统方案论证和系统总体设计则是为了确定一个可行的控制系统总体构架，其中的每个细节都必须经过反复斟酌，尽量减少工程实施过程中可能遇到的阻碍。中期的工作则是进行硬件设计和软件设计，包括硬件、软件涉及的选型和编程调试。后期则是需要将软硬件组合成完整的控制系统进行调试，排除出现的故障，完成定型的PLC控制系统。图2-1 PLC控制系统设计流程图2.3.1 PLC CPU选型
1. CPU一般知识
PLC产品种类繁多，其规格和性能各不相同。其中PLC的中央处理单元（CPU）主要有接收并存储用户程序和数据，诊断电源、内部电路工作状态和编程过程中的语法错误，接收现场输入设备的状态和数据并存入寄存器中，读取用户程序，按指令产生控制信号，完成规定的逻辑或算术运算；以及更新有关状态和内容，再实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。
CPU一般包括：后备电池、DC 24V连接器、模式选择开关、状态及故障指示器、RS-485编程接口、MPI。
CPU的选择是合理配置系统资源的关键，选择时必须考虑控制系统对CPU的要求，包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、MPI接口能力、是否有PROFIBUS-DP主从接口、RAM容量、温度范围等。一般情况下，可以根据设计需求的合理结构类型、合理的安装方式、设计功能要求、响应速度要求以及系统的可靠性来选择PLC的CPU。最好在西门子公司的技术支持下进行，以获得合理的、最佳的选择方案。
每种PLC都对应一个型号，型号的含义如图2-2所示。其中（1）31x表示CPU序号，由低到高功能逐渐增强。（2）该位表示CPU类型，C表示紧凑型，T表示技术功能型，F表示故障安全型。（3）该位表示CPU所具有的通信接口数（4）该位表示通信接口类型，DP表示PROFIBUS-DP接口，PN表示PROFINET接口，PtP表示点对点接口。图2-2 CPU型号示意图
2. CPU存储器
其次，介绍CPU之前，需要了解几个术语。CPU的存储器包括装载存储器（Load Memory）、工作存储器（Work Memory）、系统存储器（System Memory）、微存储卡MMC（Micro Memory Card），具体用途如下。（1）装载存储器（Load Memory）：其用途是装载用户程序。用户程序经由通信接口，从编程设备传送到CPU的装载存储器中。（2）工作存储器（Work Memory）：物理上为CPU内置RAM的一部分，当CPU处于运行状态时，用户程序和数据从装载存储区调入工作存储区，在工作存储器中运行。（3）系统存储器（System Memory）：S7-300系列将CPU的一部分内置RAM划分出来，用于位存储、I/O影像寄存器、计数器、定时器等。系统存储器与工作存储器同属于CPU集成的物理内存，用户程序代码和数据均在这两部分存储区中执行。（4）微存储卡MMC（Micro Memory Card）：用于对装载存储器的扩充，CPU模块上有专用的MMC插槽，MMC可拆卸，最大容量的MMC为8MB。作为装载存储器，MMC用于对用户程序和数据的断电保护，也可存储S7-300系统程序以利于以后的系统升级。
3. CPU类型
S7-300有多种不同型号的CPU，这些CPU按性能等级划分，几乎涵盖了各种应用范围大致划分为4个系列。（1）标准型CPU系列。包括CPU313、314、315、315-2 DP、316-2 DP、318-2。型号尾部有后缀“DP”字样的，表明该型号CPU集成有现场总线PROFIBUS-DP通信接口。此外还有几种重新定义型的CPU，包括CPU312、314、317-2 DP等。（2）集成型CPU系列。主要有CPU 312 IFM和CPU 314 IFM两种。在这两种CPU内部集成了部分I/O点、高速计数器及某些控制功能。（3）紧凑型CPU系列，型号后缀带有字母C，包括CPU 312C、313C、313C-2 PtP、313-2 DP、314C-2 PtP、314-2 DP。型号尾部后缀带有“PtP”字样的，表明该型号CPU集成有第二个串行口，两个串行口都有点对点（PtP）通信功能。（4）故障安全型CPU系列。这个系列的CPU是西门子公司最新推出的具有更高可靠性的CPU，主要型号有CPU 315F、317F-2 DP。表2-1列写了几种CPU的主要技术参数。表2-1 几种S7-300系列CPU的主要技术参数
S7-400系列的CPU集成有MPI和DP通信接口，有很强的通信功能，有PROFIBUS-DP和工业以太网通信模块，以及点到点通信模块。通过PROFIBUS-DP或AS-i现场总线，可以周期性地自动交换I/O模块的数据。在自动化系统之间，PLC与计算机和HMI站之间，均可以交换数据。数据通信可以周期性地自动进行或基于事件驱动，由用户程序调用。
S7-400有7种不同型号的CPU，分别适用于不同等级的控制要求。不同型号的CPU面板上的元件不完全相同，CPU内的元件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示LED，方式选择钥匙开关和通信接口。大多数CPU还有后备电池盒，存储器插槽可插入多达数兆字节的存储器卡。
CPU417工作存储器可以扩展，在CPU模块的存储器卡插槽内插入RAM存储卡，可以增加装载存储器的程序容量。Flash EPROM（快闪存储器）卡用来存储程序和数据，即使在没有后备电池的情况下，其内容也不会丢失。可以在编程器或CPU上编写Flash卡的内容，Flash卡也可以扩展CPU装载存储区的容量。CPU417-4和CPU417-4H还有存储器扩展接口，可以扩展工作存储器。集成式RAM不能扩展，集成装载存储器为256KB（RAM），用存储器卡扩展FEPROM和RAM最大各64KB。电池可以对所有的数据提供后备电源。2.3.2 PLC扩展模块选型
西门子S7系列的PLC扩展了CPU的能力，提供了各种扩展模块（包括信号模块SM、通信模块CM或通信板CP）和信号板（SB）用于扩展CPU的能力，通过增加的I/O和通信接口，可以极好地满足客户的众多应用需求。S7-300/400有多种拓展方式，实际选用时，可通过控制系统接口模块扩展机架、PROFIBUS-DP现场总线、通信模块、远程I/O及PLC子站等来扩展PLC或预留扩展口。PLC扩展模块使用时，需要同时加载在硬件和软件上，如图2-3和图2-4所示。图2-3 扩展模块硬件安装图图2-4 扩展模块软件组态图
在选择扩展模块时，应该注意以下几个问题。（1）模块的电压等级。可根据现场设备与模块之间的距离来确定。当外部线路较长时，可选用AC 220V电源；当外部线路较短且控制设备相对集中时，可以选用DC 24V电源。（2）数字量输出模块的输出类型。数字量输出有继电器、晶闸管、晶体管三种形式。在通断不频繁的场合应该选择继电器输出；在通断频繁的场合，应该选用晶闸管或晶体管输出，注意晶闸管只能用于交流负载，晶体管只能用于直流负载。（3）模拟量信号类型。模拟量信号传输应尽量采用电流型信号传输。因为电压量信号极易引入干扰，一般电压信号仅用于控制设备柜内电位器的设置，或距离较近、电磁环境好的场合。2.3.3 控制系统传感器选型
传感器相当于整个控制系统的“五官”，它的确定对系统有至关重要的影响。一般来说，选择一个传感器时，应注意以下几个问题。（1）测量范围；（2）测量精度；（3）可靠性；（4）接口类型。2.3.4 控制系统执行器及控制器选型
1. 执行器选型
执行器相当于整个控制系统的“手”和“脚”，决定了系统的实际工作效果，其重要性不言而喻。与传感器相对应，在选择执行器时，应考虑以下几个问题。（1）输出范围：（2）输出精度；（3）可靠性；（4）接口类型。
其中，执行器—传感器接口（Actuator Sensor Interface，AS-i）符合EN50295标准，这是是一种开放标准，世界上领先的执行器和传感器制造商都支持AS-i。
2. 控制器选型
现阶段，市场上的控制器类型有很多，其中西门子公司从2007年10月1日后投放市场的SIMATIC S7模块化控制器最具有竞争力。这个系列主要包括S7-300、S7-400、S7-1200，类型丰富，可以满足用户的各种应用需求，用户可以根据实际需求，选择合适的控制器。2.3.5 PLC分配表及外部接线图
控制系统硬件设计的一个要点就是PLC的I/O分配表和外部I/O接线图的设计，这一部分内容继承自电气控制电路分析与设计，是一个设计人员必须掌握的内容。在分配I/O端口时，应查阅相关的I/O模块以及传感器和执行器的手册资料，对其连接的方式应予以充分了解，这样在设计时才不会出现问题。同时还应考虑到裕量问题，即留出一部分I/O端口作备用，以便以后维修或者扩展之用。
以使用CPU312控制步进电机为例，设计时考虑到有“启动”、“停止”、“急停”、“正转”、“反转”、“快速”、“慢速”7个输入，以及方向和PWM波两个输出。表2-2所示PLCI/O分配表。表2-2 输入输出地址分配
其中，PLC与驱动器使用共阴极接法，CP-（脉冲-）与DIR-（方向-）接在一起作为共阴极，接在PLC的GND上，PLC脉冲输出接CP+，PLC方向输出接在DIR+上。外部I/O接线如图2-5所示。图2-5 PLC与驱动器I/O接线图2.4 PLC控制系统软件设计
PLC的控制系统软件设计是整个控制系统的“思想”。控制系统软件设计流程大体可以遵照图2-6所示进行，其中编写程序是软件设计的重中之重。图2-6 控制系统软件设计流程图2.4.1 PLC程序设计方法
控制系统的PLC程序需要根据PLC自身的特点及其在工业控制过程中要求实现的具体控制功能来设计，设计时应遵循一定的原则：逻辑关系简单清晰，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间。
对于PLC控制程序的设计，有以下几种方法。
1. 时序流程图法
时序流程图法是首先画出控制系统的时序图，再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成PLC程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程。
2. 步进顺控法
一般比较复杂的程序，都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成是整个控制过程中的一步。从这个角度去看，一个复杂的系统的控制过程是由若干个这样的步组成的。系统控制的任务实际可以认为是在不同时刻或在不同进程中去完成对各个步的控制。
3. 经验法
经验法是运用技术人员自己或者他人的经验，例如在一些典型电路的基础上进行设计。多数是设计前，先选择与自己工艺要求相近的程序，结合自己工程的情况，根据被控对象对控制系统的具体要求，对这些“实验程序”不断修改、调试，使之适合自己的工程要求。这里所说的经验，可能来自技术人员自己的经验总结，也可能来自其他技术人员的设计经验。
4. 计算机辅助设计
计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。编程软件STEP7和WinCC，仿真软件PLCSIM等都是S7系列PLC编程常用软件。使用这些编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试。2.4.2 PLC组态界面设计方法
PLC组态界面的作用是监控整个控制系统的运行情况，一个好的监控系统能使操作人员更加轻松、方便和安全。一般来说，组态界面在设计时，应该包括以下几个方面：
1）工艺流程界面。针对系统的总体流程，给操作人员一个直观的操作环境，同时对系统的各项运行数据也能实时显示。
2）操作控制界面。操作人员可能对系统进行开车、停车、手动/自动等一系列操作，通过此界面可以很容易实现这些要求。
3）趋势曲线界面。在过程控制中，许多过程变量的变化趋势对系统的运行起着重要的影响，因此趋势曲线在过程控制中尤为重要。
4）历史数据归档。为了方便用户查找以往的系统运行数据，需要将系统运行状态历史数据进行归档保存。
5）报警信息提示。当出现报警时，系统会以非常明显的方式来告诉操作人员，同时对报警的信息也进行归档保存。
6）相关参数设置。有些系统随着时间的流逝或操作后，一些参数会发生改变，操作人员可根据自己的经验对相应的参数进行一些调整。
常见的PLC组态界面如图2-7所示。图2-7 PLC组态界面示意图2.4.3 PLC控制系统可靠性设计2.4.3.1 硬件可靠性设计
1. PLC的安装（1）PLC安装的一般性设计原则
1）在对PLC接线时要确保所有的电器符合国家和地区的电气标准，及时同地区的权威机构保持联系，以确定哪些标准与某些特殊的设计要求相符合。
2）要正确地使用导线。
3）不要将连接器的螺钉拧得过紧。
4）尽可能使用短导线（最长500m屏蔽线，或300m非屏蔽线），导线要尽量成对使用，用一根中性或公共导线与一根热线或信号线相配对。
5）将交流线和大电流快速开关的直流线与小电流的信号线隔开。
6）正确地识别和划分PLC模块的接线端子。
7）针对闪电式浪涌，安装合适的浪涌抑制设备。
8）控制设备在不安全条件下可能会失灵，导致被控制设备的误操作。这样的误操作会导致严重的人身伤害和设备严重损坏。可以考虑使用独立于PLC的紧急停机功能、机电过载保护设备或其他冗余保护。（2）使用隔离电路时的接地与电路参考点设计原则
1）应该为每一个安装电路选一个参考点（0V），这些不同的参考点可能会连在一起，这种连接可能会导致预想不到的电流，它们会导致逻辑错误或损坏电路。产生不同参考电动势的原因经常是由于接地点在物理区域上被分隔的太远。当相距很远的设备被通信电缆或传感器连接起来的时候，由电缆线和地之间产生的电流就会流经整个电路。即使在很短的距离内，大型设备的负载电流也可以在其与地电动势之间产生变化，或者通过电磁作用直接产生不可预知的电流。对于没有正确设定参考点的电源，相互之间的电路有可能产生毁灭性的电流，以致破坏设备。
2）当把几个具有不同电位的CPU连到一个PPI网络时，应该采用隔离的RS-485中继器。一般情况下，PLC产品已在特定点上安装了隔离元件，以防止安装中有不期望的电流产生。如果打算安装，应考虑哪些地方有这些隔离元件，哪些地方没有。同时也应考虑到相关电源之间的隔离以及其他设备的隔离，还有相关电源的参考点位置。
3）选择一个接地参考点，并且用隔离元件来破坏可能产生不可预知电流的、无用的电流回路。在暂时性连接中可能引入新的电路参考点，比如编程设备与CPU连接的时候。
4）在现场接地时，一定要随时注意接地的安全性，并且要正确地操作隔离保护设备。
5）在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制效果。（3）S7-300隔离特性
1）CPU逻辑参考点与DC传感器提供的M点类似。
2）CPU逻辑参考点与采用DC电源供电的CPU输入电源提供的M点类似。
3）CPU通信端口与CPU逻辑口（DP口除外），具有同样的参考点。
4）模拟输入及输出与CPU逻辑不隔离，模拟输入采用差动输入并提供低压公共模式的滤波电路。
5）逻辑电路与地之间的隔离为AC500V。
6）DC数字输入和输出与CPU逻辑之间的隔离为AC500V。
7）DC数字I/O组的点之间间隔为AC500V。
8）继电器输出、AC输出与输入与CPU逻辑之间的间隔为AC1500V。
9）继电器输出组的点之间隔离为AC1500V。
10）AC电源线和零线与地、CPU逻辑以及所有的I/O之间的隔离为AC1500V。
2. 电源的安装（1）交流输入PLC的安装
1）用一个单刀开关将电源与CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离。
2）用一台过电流保护设备保护CPU的电源、输出点以及输入点。也可以为每个输出点加上熔丝进行范围更广的保护。
3）将S7-300的所有地线端子和最近接地点相连接，以获得最好2的抗干扰能力。建议使用1.5mm的电线连接到独立导电点上（一点接地）。
4）本机单元的直流传感器电源可用作本机单元的输入和扩展DC输入以及扩展继电器线圈供电，这一传感器电源具有短路保护功能。
5）在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制效果。（2）直流输入PLC的安装
1）用一个单刀开关将电源与CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离开。
2）用过电流保护设备保护CPU的电源、输出点以及输入点。也可以为每个输出点加上熔丝进行过电流保护。
3）确保DC电源有足够的抗冲击能力，以保证在负载突变时，可以维持一个稳定的电压，因此需要一个外部电容。
4）在大部分的应用中，把所有的DC电源接到地可以得到最佳的噪声抑制效果。在未接地DC电源的公共端与保护地之间接上电阻与电容并联电路。电阻提供了静电释放通路，电容提供了高频噪声通路，其典型值为4700pF。
5）DC24V电源回路与设备之间，以及AC120/230电源与危险环境之间，必须提供安全电器隔离。
3. 保护电路
PLC输出电路中没有保护，因此在外部电路中可以设置串联熔断器等保护装置，以防止负载短路造成PLC损坏。（1）限位保护
对有些快速动作的机械设备不仅要有行程开关限位，还要有极限限位保护。限位保护可以由电子限位开关、机械限位开关和机械挡板等组成。（2）急停保护
急停保护是用来将设备紧急停止以应付突发故障，避免导致更大的事故。（3）联锁保护
在硬件设计中要考虑到有些可移动设备的联锁问题。比如电动机的正转和反转接触器之间要有互锁保护。液压系统中双向电磁阀也要有互锁保护。互锁的作用是使得两个相反动作的设备不会同时动作。常用的方法是将两个设备的常闭触点相互串联，使用联锁开关等。
4. 抑制电路（1）抑制电路的使用
在感性负载中要加入抑制电路，以抑制在关闭电源时电压的升高。可以根据实际控制要求设计具体的抑制电路。设计的有效性取决于实际的应用，因此必须调整参数以适应具体的应用。要保护所有的器件参数与实际应用相符合。（2）继电器输出模块的保护
对继电器输出模块的保护主要有两个方面：一个方面是对继电器触点的保护，使电感在断电时不会产生高压到继电器的触点；另一方面是对电源的保护，使为继电器提供电压的电源不会受高压的冲击。抑制高电压的主要办法是在感性负载两端并联RC吸收电路，对交流电源除了用RC电路吸收之外，还可以并联电阻以消除电压冲击。
5. 系统接地设计
在实际的控制系统设计中，接地设计是抑制信号干扰、确保系统可靠工作的主要办法。所以，通常要单独设计PLC的接地系统。
在PLC组成的控制系统中，主要有以下几种地线：（1）数字地：各种数字量信号的零电位，也称为逻辑地。（2）模拟地：各种模拟量信号的零电位。（3）交流地：交流电源的地线，通常也是产生干扰和噪声的地。（4）直流地：直流电源的地。（5）屏蔽地：为防止静电感应和磁场感应而设置的地。
接地方法如下。（1）保护接地2
保护接地指的是接大地，可采用不小于10mm的保护铜导线接好配电板的保护地。相邻的控制柜也应良好接触并与地可靠连接，并尽可能短地与UPS电源、系统地线连接。同时要做好防雷保护接地，通常可以采取总线电缆使用屏蔽且屏蔽层两端接地，或模拟信号电缆采取两层屏蔽，外层屏蔽两端接地等措施。另外，为防止感应雷电进入系统，可采用浪涌吸收器。（2）工作接地
工作接地包括信号回路接地和屏蔽接地。
1）在PLC控制系统中，非隔离信号需要有一个统一的信号参考点，并且进行信号回路接地。信号回路接地通常使用直流电源负极。
2）为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子，应做屏蔽接地。
6. 使用环境
应合理布置PLC的使用环境，提高系统的抗干扰能力。具体采取的措施有：原理高压柜、高频设备、动力屏柜以及高压线或大电流动力装置；通信电缆和模拟信号电缆尽量不与其他的屏柜或设备共用电缆沟；PLC柜内不用荧光灯等。另外，PLC虽适合工业现场，但使用中也应尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。2.4.3.2 软件可靠性设计
1. 软件保护设计（1）联锁保护
除使用常闭触点进行自锁保护外，可以利用PLC的常闭触点对需要互锁的线圈进行联锁保护，如图2-8所示。图2-8 软件设计联锁保护（2）双重保护
利用PLC的输入端在硬件上增加限位装置用以输入信号，然后在程序中利用这类信号实现保护功能，如图2-9所示。图2-9 软件设计双重保护（3）自动复位保护
自动复位是指在程序运行一段时间或出现故障时自动将相应输出端点复位，避免将错误的输出信号输出到执行器中，自动复位保护如图2-10所示。图2-10 自动复位保护图
2. 定时器的使用
PLC的定时器可以用作确保PLC可靠、稳定、安全运行设计。定时器用作抗干扰设计，以解决限位开关的抖动干扰，如图2-11所示。图2-11 定时器的使用
3. 自检保护设计
可以充分利用PLC的自检功能，PLC的多数功能模块都有自检信息，通过对这些自检信息的检查可以及时发现隐患并清除故障。也可以针对工程的特点自己编写诊断程序，排除故障。
4. 属性等级保护
S7-300属性中有读/写保护功能、写保护功能和使用密码取消保护功能。保护等级可以在CPU属性中设定。程序的保护如图2-12所示。图2-12 程序的保护2.5 PLC控制系统调试
控制系统的调试可分为模拟调试和现场调试两个过程。在调试之前应该首先仔细检查系统的接线，这是最基本也是非常重要的一个环节。2.5.1 模拟调试
1. 系统调试内容
系统调试包括硬件调试、下载用户程序、系统功能的测试、记录对程序的修改、保存和压缩程序等。
可以通过“监视/修改变量”工具来调试硬件，也可以用状态表监视与调试程序，并用状态表强制改变数值。
下载用户程序之前应执行CPU存储的复位并将CPU切换到STOP状态。用户程序中应包含硬件的组态数据。
检查系统的功能是否正常。如果用户的程序是结构化的程序，可以在组织块中逐一调用各程序块，一步一步地调试程序。
必须记录调试过程中对程序的修改。可采取的最简单的方法是在程序清单上手工记录修正内容，也可以给块加上适当的注释或者调整版本号以反映修改。
调试结束后，应保存最终版本的程序。
2. 装载用户程序
在下载新的全部用户程序之前，应该执行一次CPU存储器的复位。为安全起见，应该在停机状态下执行下载。下载时，一次可以把个别块、几个块或全部的程序下载到CPU。具体操作如下。（1）当选择S7程序的文件夹就选择全部用户程序。（2）用鼠标选择个别块。（3）按住“Ctrl”键并用鼠标选择几个块。另一个方法是按住“Shift”键，并选择第一个块和最后一个块，或者用鼠标框选中要选择的块。
单击下载，进行程序块的下载，下载用户程序到CPU中，如图2-13所示。可以选择设备视图左边的程序块或者整个PLC右键选择“下载到设备”，也可以点击项目视图上侧菜单栏的下载图标进行下载。图2-13 程序下载方法
3. 排除停机错误
如果没有编写错误处理组织块或错误处理组织块中调用SFC“STOP”，当程序出现错误或硬件出现故障时CPU就进入停机状态。利用诊断缓冲区可以确定停机的原因。
诊断缓冲区是存放在CPU中的一个先进先出缓冲区，它由后备电池来保持，对存储器的复位也不能清除该缓冲区。它存储按照发生顺序排列的诊断事件。所有的事件可以在编程器上按照它们出现的顺序进行显示。
当选择一个事件时，在“事件详细内容”窗口中出现附加的一些信息：除了事件标识和事件号，还有有关事件的附加信息，例如：出现事件的指令地址等。
4. 系统功能的测试
系统功能的测试是指一步一步地调试结构化程序，每个块包含特定的系统功能。第一步是通过下载起动组织块（OB100～OB102）来测试起动特性。然后，一步一步地测试循环程序。从嵌套最深的块（如FB4）开始测试。这样，需要再OB1中插入一个带有BEU指令的段。当所有的程序都被调用后，再删除这个段。根据程序的结构，用于中端处理的程序或在最后测试（如果该中断程序不影响程序的循环执行），或在循环程序的测试过程中调试。系统功能测试的步骤如图2-14所示。图2-14 系统功能测试的步骤
PLC处于RUN状态下并建立起通信连接后，选择菜单命令“调试→程序状态”，或者单击工具栏中的“程序状态”按钮，在梯形图中可以显示出各个程序块的状态。如果位操作数为1（ON），触点、线
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