作者：罗萍,罗志勇,岂兴明,周丽芳
出版社：人民邮电出版社
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西门子S7-300/400 PLC工程实例详解试读：
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，有针对性地选择典型工程实例，并在工程实例中进行重点讲解。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，并辅以大量的图片和文字说明，使读者能全面、系统、深入地掌握PLC的运用与设计方法。
全书共9章，以西门子S7-300/400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2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3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4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5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6章为PLC自动封口包装机控制系统，重点介绍了模拟量输入模块SM331/输出模块SM332，以及温度PID控制。
第7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8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9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。
本书由罗萍、罗志勇、岂兴明、周丽芳编写。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
第1章 PLC 运料小车控制系统
采用PLC控制运料小车，可实现运料小车的全自动控制，降低系统运行费用，控制系统连线简单，控制速度快，可靠性及可维护性好。本章通过对运料小车的控制系统设计，引导读者初步了解西门子S7-300/400系列PLC的硬件结构、软件开发平台的构成和操作系统设计的基本思想，并介绍西门子PLC基本控制指令和编程方法。
1.1 系统工艺及控制要求
在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。图1-1所示为运料小车示意图。图1-1 运料小车示意图
运料小车控制系统工艺要求如下。
① 按下开始按钮，小车从起始位置 A 装料。如果小车不在起始位置，则需要先让小车运行到起始位置。
② 装料时间为10s，10s后小车前进驶向1号位，到达1号位后停8s卸料，卸料后小车返回。
③ 小车返回到起始位置A继续装料10s，10s后小车第二次前进驶向2号位，到达2号位后停8s卸料，卸料后小车返回起始位置A。
④ 开始下一轮循环工作。
⑤ 工作过程中若按下停止按钮，需完成一个工作周期后才停止工作。
1.2 相关知识点
1.2.1 S7-300/400 PLC简介
德国西门子公司是世界上研制和生产PLC的主要厂家，历史悠久，技术雄厚，产品线覆盖广泛。S7系列PLC是在S5系列基础上研制的，由S7-200、S7-300/400组成。
S7-300是模块式的PLC，由电源模块、CPU模块、接口模块、信号模块、功能模块、通信处理模块等组成，安装在DIN标准导轨上，可以根据实际需要任意搭配。背板总线集成在模块上，由安装在模块背后的总线连接器连接，除了CPU模块和电源模块，一个机架上最多可并排安装8个模块，系统自行分配各个模块的地址，模块种类如图1-2所示。图1-2 S7-300 模块
其中，PS 为电源模块，为 PLC 提供 DC 24V 电源；CPU 模块存储并执行用户程序，为模块背板总线提供 DC 5V 电源等；IM 为接口模块，可进行多层组态，实现不同导轨之间的总线连接；SM（DI）为数字量输入模块；SM（DO）为数字量输出模块；SM（AI）为模拟量输入模块；SM（AO）为模拟量输出模块；FM为功能模块，可执行如高速计数、定位控制、闭环控制等特殊功能；CP为通信处理器，可提供PROFIBUS、工业以太网、点对点等联网接口。
① 电源模块（PS）为所有模块供电，分 DC 24V供电和交流供电两个大类，额定电流有2A、5A、10A3种。比如PS305是直流供电模块，PS307是交流供电模块。图1-3所示为电源模块实物图。
② CPU 模块是决定整个控制系统性能的关键，也是选型时的主要考虑。S7-300 有20 多种不同性能、档次的型号可供选择，以满足不同等级和规模的控制要求。CPU模块大致可以分为紧凑型、标准型、户外型和其他特殊设计的型号。图1-4所示为CPU模块实物图。图1-3 电源模块图1-4 S7-300 CPU模块
S7-31×C（×表示任意数字）是一系列紧凑型CPU模块，特征是集成了I/O，加上电源模块就构成S7-300的一个最小系统。紧凑型CPU的技术参数见表1-1。表1-1 紧凑型CPU的技术参数
③ 接口模块（IM）在多机架系统中连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。装在主机架上的接口为IM360，扩展机架上安装IM361，如果只有两个机架，并且肯定不会再扩展，则可以在主机架和扩展机架上安装IM365，这是牺牲了扩展性的低成本方案。
④ 输入和输出模块都叫信号模块（Signal Model），分为数字量模块和模拟量模块，有单独处理输入和输出的型号，也有输入和输出合在一起的型号，其中数字量模块又有直流量和交流量的区别。
⑤ 数字量输入模块SM321把现场信号数字化为S7-300内部信号电平。这个过程有光电隔离和RC滤波，以抗干扰和误触发，输入电流一般在毫安级。直流输入模块的延迟较短，是选型时的首选；交流输入模块则适用于恶劣环境，如油雾、粉尘的环境。
⑥ 数字量输出模块SM322把S7-300的内部电平信号转换成控制过程要求的外部电平，并作隔离和功率放大处理，输出电流 0.5～2A。输出开关器件有晶体管、晶闸管、继电器 3种，所带负载对应直流负载、交流负载和交/直流两用负载。
⑦ DI/DO 模块 SM323 有8 点和16 点两种型号，I/O 特性相同，额定电压均为 DC 24V，输出电路为晶体管，带电子保护。
⑧ 数字量输入/可配置输入、输出模块SM327与SM323类似，有8个输入点，区别在于另外8个点可独立配置成输入或输出。
⑨ 模拟量输入模块SM331按通道数和精度分为多个型号，各型号除了通道数和精度不同外，工作原理、性能、参数等都一样。
⑩ 模拟量输出模块 SM332 按通道数和精度分为多个型号，各型号额定负载电压均为24V，都有短路保护，每个通道都可单独编程为电压输出或电流输出。
1.2.2 西门子STEP7编程软件
STEP7 是用于 SIMATIC PLC 组态和编程的标准软件包，运行在操作系统 Windows 95/98/NT 4.0/2000/Me/XP 下，并与 Windows 的图形和面向对象的操作原理相匹配，用户接口基于当前最新水平的人机控制工程设计，轻松使用。STEP 7 标准软件包提供一系列的应用程序（工具）：SIMATIC 管理器、符号编辑器、诊断硬件、编程语言、硬件组态、NetPro（网络组态），当选择相应功能或打开一个对象时，它们会自动启动。
1．STEP7安装
编程软件 STEP7 不断更新，以 STEP7 V5.2 为例，包括光盘和授权软盘，其软件环境，即操作系统可为 Microsoft Windows 95/98/NT/Me/2000/XP，需要的基本硬件配置为编程器或个人计算机（PC）、80486 处理器以上（Windows NT/2000/XP/Me 要求奔腾处理器）、RAM：至少 32MB，建议 64 MB。编程器是专门为在工业环境中使用而设计的 PC，它安装了用于SIMATIC PLC 编程时所需的一切。将光盘放入光驱能启动对话式安装，如图 1-5 所示，按照屏幕提示，一步一步完成整个安装步骤。图1-5 STEP7 安装
安装过程中，安装程序检查硬盘中有无授权，如未发现授权，将弹出安装授权的信息，可立即运行授权程序或安装结束后再执行授权程序。V5.0以上的版本在没有授权时也可正常使用，但使用过程中屏幕常常会弹出搜索授权的对话框，提醒安装授权。安装完后重启动计算机，在 Windows 桌面上就可以看到 SIMATIC 管理器（Manager）图标，双击此图标或从任务栏中选择“开始/Simatic/SIMATIC/STEP7”即可进入STEP7。
2．SIMATIC 管理器
SIMATIC 管理器窗口是 STEP7 中的主窗口，可创建和同时管理多个项目和库、启动STEP7多个工具、在线访问PLC等。该窗口是典型的Windows窗口，从上到下分别是标题栏、菜单栏、工具栏、工作区间、状态栏和任务栏。项目管理的结构为典型的树状结构，如图1-6所示。图1-6 SIMATIC 管理器窗口
如图1-6所示，左侧部分为项目层次结构，右侧部分为当前选中目录包含的对象。通过SIMATIC管理器可实现管理项目文件、插入或编辑对象、下载、监控程序、窗口排列、在线帮助等。
3．设置编程器（PG）个人计算机（PC）
通过PG/PC设置接口的参数，可设置PG/PC与PLC之间的通信连接。如果使用PG并通过多点接口（MPI）进行连接，则不再需要其他的操作系统特别适配方法。如果使用 PC和MPI卡或通信处理器（CP），则应检查Windows的控制面板里的中断和地址设置，以确保没有中断冲突和地址区重叠。如果所选的接口能自动识别总线参数（例如 CP 5611），则可以直接将PG或PC连至MPI或PROFIBUS上，而不需要设置总线参数。自动识别条件是主站分配循环总线参数并连接到总线上，所有与此有关的新MPI组件必须使能总线参数的循环分配（默认PROFIBUS网络设置）。
如图 1-7 所示，在 SIMATIC 管理器窗口“Options/Set PG/PC Interface”中，单击“Set PG/PC Interface”对话框中的“Properties”按钮，弹出“Properties-PC Adapter”对话框，检查接口参数和设置；如果“Set PG/PC Interface”对话框中的“Interface Parameter Assignment”项中无所需接口参数，单击“Set PG/PC Interface”对话框中的“Select”按钮，打开“Installing/ Uninstalling Interface”对话框，安装模块或协议，如 CP5611 卡等。图1-7 设置PG/PC接口
4．建立自己的项目
如图 1-8 所示，通过“STEP7 Wizard：New Project”得到帮助建立新项目的向导；选中菜单“File/New”或单击 图标进入“New Project”对话框，输入中文或字符项目名称（Name），如图1-8所示为“CQUPT”，单击“Browse”可选择项目的存储位置。
单击“OK”后，可看到新建的项目名称，在该名称上按右键，选择“Insert New Object”，可插入300或400站、网络或程序等资源，如图1-9所示。
5．硬件组态
例如在前一步中选择“Insert New Object/SIMATIC 300 Station”，双击“Hardware”图标，打开“HW Config”窗口，通过双击或拖放右侧窗口硬件目录中对应的模块，可进行自己的硬件组态。如图 1-10 所示，首先应添加机架，选择“SIMATIC 300 Station/RACK-300/Rail”。一般机架中的第一槽放置电源模块（也可空着，但实际安装时应有电源模块），第二槽放置CPU 模块，第三槽放置接口模块，第四槽之后放置信号模块等其他模块。左下方窗口中显示模块的详细组态信息，如版本、网络地址和输入/输出（I/O）地址（可修改）等。双击每个模块，可对模块的属性进行设置。图1-8 建立自己的项目图1-9 插入站/网络/程序图1-10 硬件组态
6．软件编程
在建立项目中插入S7程序，选择“Insert New Object/S7 Program”插入程序，程序名称自动给出，为S7 Program（1），以后按顺序给出，也可自己更改程序名称。然后单击程序，选中“Block”，右侧窗口出现OB1，根据需要可添加其他的程序块、数据块等，如图1-11所示。图1-11 插入程序及S7块
双击要编辑的块的图标可打开编辑器窗口。按图1-12所示，打开FB1编辑窗口，进入编辑器后也可单击“View”选择编程语言。选择 LAD 或 FBD 时，可通过工具条或单击（拖拉）“Program Element”图标编辑程序；选择 STL 时，只需用键盘将指令输入即可。一个 Network 编完后，单击“New Network”图标 即可插入新程序段继续编程，单击“Save”图标 即可保存程序。图1-12 编辑窗口
7．上传或下载图1-13 上传或下载
编程设备和PLC的CPU之间可通过编程电缆、PROFIBUS-DP电缆和工业以太网的网线等建立物理连接。设置好PG/PC接口，置CPU为允许的工作模式下，为避免与原程序冲突，一般选择“STOP”模式。如图1-13所示，选中要下载的项目、PLC站、程序块等，单击“下载”图标 ，或在菜单项中选择“PLC/DOWNLOAD”，实现硬件组态及程序下载。也可在硬件组态窗口中先单击“编译”图标 ，再单击“下载”图标 ，下载硬件组态；或在编辑窗口单击“下载”图标 下载当前窗口中编译好的程序。硬件组态及程序的上传可通过选中菜单项“PLC/Upload Station to PG”实现。在线状态下选中相应的程序块，选中菜单项“PLC/Upload to PG”可将选中的程序块上传到编程设备。
1.2.3 PLC控制系统设计方法
PLC控制系统的设计应在满足生产过程工艺要求的前提下，力求控制系统安全、可靠、简单、经济、易于维护和扩展。
控制系统的设计内容包括拟订控制系统的技术文件，选择控制系统的构成形式，选择PLC型号，选择I/O设备，I/O分配，绘制相应的接线图，设计PLC控制程序及调试，编写人机界面，绘制操作平台及控制柜结构尺寸图，编写相应技术文档等。
具体设计方法及步骤如下。（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求
分析被控对象的工艺条和控制要求，明确控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和连锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，简化程序设计。（2）确定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）PLC选型
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，I/O设备对电压、电流的要求等，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
将每个I/O点对应的模块编号、端子编号、I/O地址以及功能等进行定义。（5）设计控制系统PLC程序
I/O点分配好后即可开始进行程序设计。根据流程图进行编程，该步是整个PLC控制系统设计中的核心工作。设计一个好的PLC控制程序不仅要熟悉被控对象的要求，而且需要积累一定的工程经验。（6）程序下载
通过编程电缆将程序从计算机上下载到PLC中。（7）软件测试
在将 PLC 连接到现场设备之前，先进行软件测试，消除程序中的疏漏，完善 PLC程序。（8）系统调试
将PLC连接到现场设备，进行整个系统的联机调试，按先局部再整体的原则逐步进行调试，将调试过程中出现的问题逐一进行解决，直到系统调试成功。（9）编制技术文件
编制系统的说明书、电气原理图、电气布置图、电气元器件明细表、PLC梯形图等。
PLC控制系统一般设计方法及流程如图1-14所示。图1-14 PLC 控制系统一般设计方法及流程图
1.2.4 相关编程指令
指令结构
如图1-15所示，STL是文本编程语言，LAD、FBD为图形化编程语言，图中采用3种语言实现相同的功能，即将输入信号I1.2与I0.1执行“与非”操作，并将执行结果输出到Q1.0。
数据是程序处理和控制的对象，并通过变量来存储和传递。变量包括名称和数据类型两部分。STEP7 中有 3 种数据类型：基本数据类型，例如位（BIT）、字节（BYTE）、字（WORD）、ASCII字符（ CHAR ）等；复杂数据类型，例如字符串（STRING）、数组（ARRAY）、结构（STRUCT）；参数数据类型，为逻辑块之间传递形参而设定，例如定时器、计数器（如T2、C3）、程序块（如BLOCK_FB、BLOCK_FC）、指针（如 P # M1.0）等。图1-15 LAD/STL/FBD 应用示例
寻址（Addressing）I/O信号、定时器、计数器、功能块、数据块等可以有绝对寻址和符号寻址两种方式。绝对地址由一个地址标识符和一个存储地址组成，例如I1.0、Q2.1、PIW2、T1、FC1等。为了使程序的可读性好、调试及故障诊断更容易，可以给绝对地址赋予符号名称，也就是采用符号寻址方式。例如使用符号“Motor_stop”代替绝对地址I0.1，这样很容易将程序中的操作数与控制工程中的元素相对应。
由于符号寻址允许用户自己定义一定含义的符号来代替绝对地址，将短的符号和长的注释结合起来使用，因此必须了解共享符号和局部符号的区别。共享符号在整个用户程序中有效，在整个用户程序中的含义是唯一的，在符号表进行定义，符号表中允许使用的地址和数据类型见表 1-2。局部符号只在定义的块中有效，相同的符号可在不同的块中用于不同的目的，可为块的参数、块的静态数据、块的临时数据定义局部符号，并在程序块的变量声明区进行定义。表1-2 符号表允许使用的地址和数据类型续表
2．位逻辑指令
位逻辑指令处理“1”、“0”两个数字。在触点与线圈领域，“1”表示动作或通电，“0”表示未动作或未通电。位逻辑指令扫描信号状态“1”、“0”，并对它们进行组合（逻辑运算），逻辑运算结果（RLO）用于赋值或置位，也用于控制定时器和计数器的运行。（1）与（AND）、或（OR）、异或（XOR）、赋值（=）指令
逻辑“与”、“或”、“赋值”分别对应于继电器线路触点串联、并联以及线圈输出。逻辑“异或”则是判断两个指定位的信号状态是否相同，如果不同则输出“1”，相同输出“0”。下面以一个简单例子（见图1-16）进行说明。图1-16 与、或、异或、赋值指令应用示例
如图1-16所示，当常开触点I0.0与常闭触点I0.1状态不同时，输出Q1.0输出为“1”（异或），电动机运行条件满足，可以启动电动机；当常开触点I0.2或常开触点Q1.1接通（或），同时常闭触点I0.3和运行条件满足，常开触点Q1.0接通（与），输出Q1.1输出为“1”（赋值），电动机启动。
OR和XOR在STL语句中具有相同的优先权，AND的优先权在OR和XOR之前。（2）R、S、SR、RS指令
线圈复位（R）：在前一指令的RLO为“1”时，执行复位指令，将相应地址的状态清零；否则，相应地址保持原状态。
线圈置位（S）：在前一指令的RLO为“1”时，执行置位指令，将相应地址的状态置“1”；否则，相应地址保持原状态。
对于图 1-16 中的 Network 2：电动机启动可采用 R、S 指令实现，如图 1-17 所示。图1-17 R、S 指令实现电动机启动/停止控制
由复位（R）、置位（S）指令构成了复位/置位（RS）触发器、置位/复位（SR）触发器指令。同样，只有在前一指令的RLO为“1”时，才执行R或S指令。由于CPU的顺序扫描，因此，当两个输入端的RLO为“1”时，则顺序优先，例如复位/置位触发器首先执行复位指令，然后执行置位指令，置位输入最终有效，因此为置位优先，同理，置位/复位触发器为复位优先。
对于图 1-16 中的 Network 2：电动机启动也可采用 RS、SR 指令实现，如图 1-18 所示。为安全起见，确保出故障时停车，采用置位/复位触发器，程序的执行将M1.1的结果赋值给Q1.1，控制电动机启动与停止。图1-18 用置位/复位触发器实现电动机启动/停止控制（3）RLO边沿检测及操作指令 ：RLO上升沿检测指令，检测到从“0”到“1”的正跳沿，产生一个扫描周期宽度的脉冲。 ：RLO下降沿检测指令，检测到从“1”到“0”的负跳沿，产生一个扫描周期宽度的脉冲。 ：信号流反向指令，把当前的RLO取反。
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