作者：韩相争 编著
出版社：化学工业出版社
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PLC与触摸屏、变频器、组态软件应用一本通试读：
前言
前 言近年来，PLC、触摸屏、变频器和组态软件组成的控制系统广泛应用于工业控制的各行各业。其中，PLC是控制的核心，触摸屏（人机界面）是用户和PLC沟通的桥梁，变频器是常用的调速元件，组态软件则对自动化设备或过程进行监控和管理。一个控制系统，视其复杂程度或客户需求，会涉及PLC与触摸屏、变频器和工业组态软件三者间两种或多种的综合应用。
本书详细介绍了西门子S7-200 SMART PLC的编程技巧，触摸屏、变频器、WinCC组态软件的使用及其与PLC的综合应用。全书分为4篇9章，包括S7-200 SMART PLC编程概述、开关量控制程序设计、模拟量控制程序设计、触摸屏实用案例、触摸屏与PLC综合应用案例、变频器实用案例、变频器与PLC综合应用案例、组态软件WinCC实用案例、监控组态软件与PLC综合应用案例。
本书具有以下特色：
(1) 以图解形式讲解，生动形象，易于读者学习；
(2) 案例来自于实际工程，可边学边用，帮助读者解决设计经验不足的难题；
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(5) 提供更丰富的学习资源。本书配备电子版S7-200 SMART PLC程序、变频器手册和部分案例的源程序，便于读者学习和模仿。读者登陆出版社网站下载，路径为：www.cip.com.cn/资源下载/配书资源，点击“更多”，搜索书名即可获得。
本书可作为广大电气工程技术人员自学和参考用书，也可作为高校电气工程及自动化、机电一体化等专业综合实训参考教材。
全书由韩相争编著，杨静、乔海审阅，韩霞、张振生、韩英、马力、李艳昭、杜海洋、刘将帅校对，宁伟超、郑宏俊、李志远、张孝雨、张岩为本书的编写提供了帮助，在此一并表示衷心的感谢。
由于时间有限，书中难免有疏漏之处，敬请广大专家和读者批评指正。编著者第1篇 可编程控制器第1章 S7-200 SMARTPLC编程概述本章要点
S7-200 SMART PLC简介
S7-200 SMART PLC硬件系统组成
S7-200 SMART PLC外形结构与接线
S7-200 SMART PLC编程软件应用快速入门
PLC控制系统开发流程1.1 S7-200 SMART PLC简介
西门子S7-200 SMART PLC是在S7-200 PLC基础上发展起来的全新自动化控制产品，该产品的以下亮点，使其成为经济型自动化市场的理想选择。
① 机型丰富，选择更多
可以提供不同类型、I/O点数丰富的CPU模块。产品配置灵活，在满足不同需要的同时，又可以最大限度控制成本，是小型自动化系统的理想选择。
② 选件扩展，配置灵活
S7-200 SMART PLC新颖的信号板设计，在不额外占用控制柜空间的前提下，可实现通信端口、数字量通道、模拟量通道的扩展，配置更加灵活。
③ 以太互动，便捷经济
CPU模块的本身集成了以太网接口，用1根以太网线，便可以实现程序的下载和监控，省去了购买专用编程电缆的费用，经济便捷；同时，强大的以太网功能，可以实现与其他CPU模块、触摸屏和计算机的通信和组网。
④ 软件友好，编程高效
STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件融入了新颖的带状菜单和移动式窗口设计，先进的程序结构和强大的向导功能，使编程效率更高。
⑤ 运动控制功能强大
S7-200 SMART PLC的CPU模块本体最多集成3路高速脉冲输出，支持PWM/PO输出方式以及多种运动模式。配以方便易用的向导设置功能，快速实现设备调速和定位。
⑥ 完美整合，无缝集成
S7-200 SMART PLC、Smart Line系列触摸屏和SINAMICS V20变频器完美结合，可以满足用户人机互动、控制和驱动的全方位需要。1.2 S7-200 SMART PLC硬件系统组成
S7-200 SMART PLC控制系统硬件由CPU模块、数字量扩展模块、模拟量扩展模块、热电偶与热电阻模块和相关设备组成。CPU模块、扩展模块及信号板，如图1-1所示。图1-1 S7-200 SMART PLC、信号板及扩展模块1.2.1 CPU模块
CPU模块又称基本模块，它由CPU单元、存储器单元、输入输出接口单元以及电源组成。CPU模块（这里说的CPU模块指的是S7-200 SMART PLC基本模块的型号，不是中央微处理器CPU的型号）是一个完整的控制系统，它可以单独完成一定控制任务，主要功能是采集输入信号、执行程序、发出输出信号和驱动外部负载。CPU模块有经济型和标准型两种。经济型CPU模块有两种，分别为CPU CR40和CPU CR60，经济型CPU价格便宜，但不具有扩展能力；标准型CPU模块有8种，分别为CPU SR20、CPU ST20、CPU SR30、CPU ST30、CPU SR40、CPU ST40、CPU SR60和CPU ST60，具有扩展能力。
CPU模块具体技术参数，如表1-1所示。表1-1 CPU模块技术参数1.2.2 数字量扩展模块
当CPU模块数字量I/O点数不能满足控制系统的需要时，用户可根据实际的需要对数字量I/O点数进行扩展。数字量扩展模块不能单独使用，需要通过自带的连接器插在CPU模块上。数字量扩展模块通常有3类，分别为数字量输入模块，数字量输出模块和数字量输入输出混合模块。数字量输入模块有1个，型号为EM DI08，8点输入；数字量输出模块有2个，型号有EM DR08和EM DT08，EM DR08模块为8点继电器输出型，每点额定电流2A；EM DT08模块为8点晶体管输出型，每点额定电流0.75A；数字量输入/输出模块有4个，型号有EM DR16、EM DT16、EM DR32和EM DT32，EM DR16/DT16模块为8点输/8点输出，继电器/晶体管输出型，每点额定电流2A/0.75A；EM DR32/DT32模块为16点输/16点输出，继电器/晶体管输出型，每点额定电流2A/0.75A。1.2.3 信号板
S7-200 SMART PLC有3种信号板，分别为模拟量输出信号板、数字量输入/输出信号板和RS485/RS232信号板。
模拟量输出信号板型号为SB AQ01，1点模拟量输出，输出量程为±10V或0～20mA，对应数字量值为±27648或0～27648。
数字量 输入/输出信号板型号为SB DT04，为2点输入/2点输出晶体管输出型，输出端子每点最多额定电流0.5A。
RS485/RS232信号板型号为SB CM01，可以组态RS-485或R-S232通信接口。编者心语① 和S7-200 PLC相比，S7-200 SMART PLC信号板配置是特有的，在功能扩展的同时，也兼顾了安装方式，配置灵活且不占控制柜空间。② 读者在应用PLC及数字量扩展模块时，一定要注意针脚载流量，继电器输出型载流量为2A；晶体管输出型载流量为0.75A；在应用时，不要超过上限值；如果超限，则需要用继电器过渡，这是工程中常用的手段。1.2.4 模拟量扩展模块
模拟量扩展模块为主机提供了模拟量输入输出功能，适用于复杂控制场合。它通过自带连接器与主机相连，并且可以直接连接变送器和执行器。模拟量扩展模块通常可以分为3类，分别为模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入输出混合模块。
4路模拟量输入模块型号为EM AE04，量程有4种，分别为±10V、±5V、±2.5V和0～20mA，其中电压型的分辨率为11位+符号位，满量程输入对应的数字量范围为-27648～27648，输入阻抗≥9MΩ；电流型的分辨率为11位，满量程输入对应的数字量范围为0～27648，输入阻抗为250Ω。
2路模拟量输出模块型号为EM AQ02，量程有2种，分别为±10V和0～20mA，其中电压型的分辨率为10位+符号位，满量程输出对应的数字量范围为-27648～27648；电流型的分辨率为10位，满量程输出对应的数字量范围为0～27648。
4路模拟量输入/2路模拟量输出模块型号为EM AM06，实际上就是模拟量输入模块EM AE04与模拟量输出模块EM AQ02的叠加，故不再赘述。1.2.5 热电阻与热电偶模块
热电阻或热电偶扩展模块是模拟量模块的特殊形式，可直接连接热电偶和热电阻测量温度。热电阻或热电偶扩展模块可以支持多种热电阻和热电偶。热电阻扩展模块型号为EM AR02，温度测量分辨率为0.1℃/0.1℉，电阻测量精度为15位+符号位。热电偶扩展模块型号为EM AT04，温度测量分辨率和电阻测量精度与热电阻相同。1.2.6 相关设备
相关设备是为了充分和方便地利用系统硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面等。
① 编程设备 主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200 SMART PLC 的编程软件为STEP 7-Micro/WIN SMART。
② 人机操作界面 主要指专用操作员界面。常见的如触摸面板、文本显示器等，用户可以通过该设备轻松完成各种调整和控制任务。1.3 S7-200 SMART PLC外形结构与接线1.3.1 S7-200 SMART PLC的外形结构
S7-200 SMART PLC的外形结构如图1-2所示，其CPU单元、存储器单元、输入输出单元和电源集中封装在同一塑料机壳内。当系统需要扩展时，可选用需要的扩展模块与主机连接。
① 输入端子：是外部输入信号与PLC连接的接线端子，在顶部端盖下面。此外，顶部端盖下面还有输入公共端子和PLC工作电源接线端子。
② 输出端子：输出端子是外部负载与PLC连接的接线端子，在底部端盖下面。此外，底部端盖下面还有输出公共端子和24V直流电源端子，24V直流电源可以为传感器和光电开关等提供能量。图1-2 S7-200 SMART PLC的外形结构
③ 输入状态指示灯（LED）：输入状态指示灯用于显示是否有输入控制信号接入PLC。当指示灯亮时，表示有控制信号接入PLC；当指示灯不亮时，表示没有控制信号接入PLC。
④ 输出状态指示灯（LED）：输出状态指示灯用于显示是否有输出信号驱动执行设备。当指示灯亮时，表示有输出信号驱动外部设备；当指示灯不亮时，表示没有输出信号驱动外部设备。
⑤ 运行状态指示灯：运行状态指示灯有RUN、STOP、ERROR三个，其中RUN、STOP指示灯用于显示当前工作方式。当RUN指示灯亮时，表示运行状态；当STOP指示灯亮时，表示停止状态；当ERROR指示灯亮时，表示系统故障，PLC停止工作。
⑥ 存储卡插口：该插口插入Micro SD卡，可以下载程序和PLC固件版本更新。
⑦ 扩展模块接口：用于连接扩展模块，采用插针式连接，使模块连接更加紧密。
⑧ 选择器件：可以选择信号板或通信板，实现精确化配置的同时，又可以节省控制柜的安装空间。
⑨ RS-485通信接口：可以实现PLC与计算机之间、PLC与PLC之间、PLC与其他设备之间的通信
⑩ 以太网接口：用于程序下载和设备组态。程序下载时，只需要1条以太网线即可，无需购买专用的程序下载线。1.3.2 S7-200 SMART PLC的外部接线图
外部接线设计也是PLC控制系统设计的重要组成部分之一。由于CPU模块、输出类型和外部电源供电方式的不同，PLC外部接线也不尽相同。鉴于PLC的外部接线与输入输出点数等诸多因素有关，本书给出了S7-200 SMART PLC标准型和经济型两大类端子排布情况，具体如表1-2所示。备注：最后两种为经济型，其余为标准型。表1-2 S7-200 SMART PLC的I/O点数及相关参数
本节仅给出CPU SR30和CPU ST30的接线情况，其余类型的接线读者可查阅附录。（1）CPU SR30的接线
如图1-3所示，CPU SR30接线图中，L1、N端子接交流电源，电压允许范围为85～264V。L+、M为PLC向外输出24V/300mA直流电源，L+为电源正，M为电源负，该电源可作为输入端电源使用，也可作为传感器供电电源。图1-3 CPU SR30的接线
• 输入端子：CPU SR30共有18点输入，端子编号采用8进制。输入端子I0.0～I2.1，公共端为1M。
•输出端子：CPU SR30共有12点输出，端子编号也采用8进制。输出端子共分3组，Q0.0～Q0.3为第一组，公共端为1L；Q0.4～Q0.7为第二组，公共端为2L；Q1.0～Q1.3为第三组，公共端为3L；根据负载性质的不同，输出回路电源支持交流和直流。（2）CPU ST30的接线
CPU ST30的接线如图1-4所示，电源为DC24V，输入点接线与CPU SR30相同。不同点在于输出点的接线，输出端子共分2组，Q0.0～Q0.7为第一组，公共端为2L+、2M；Q1.0～Q1.3为第二组，公共端为2L+、2M；根据负载的性质的不同，输出回路电源只支持直流电源。图1-4 CPU ST30的接线编者心语① CPU SRXX模块输出回路电源既支持直流型又支持交流型，有时候交流电源用多了，以为CPU SRXX模块输出回路电源不支持直流型，这是误区，读者需注意。② CPU STXX模块输出为晶体管型，输出端能发射出高频脉冲，常用于含有伺服电机和步进电机的运动量场合，这点CPU SRXX模块不具备。③ 运动量场合，CPU STXX模块不能直接驱动伺服电机或步进电机，需配驱动器。伺服电机需配伺服电机驱动器；步进电机需配步进电机驱动器；驱动器的厂商很多，例如西门子、三菱、松下、和利时等，读者可根据需要进行查找。1.3.3 S7-200 SMART PLC电源需求与计算（1）电源需求与计算概述
S7-200 SMART PLC CPU模块有内部电源，为CPU模块、扩展模块和信号板正常工作供电。
当有扩展模块时，CPU模块通过总线为扩展模块提供DC 5V电源，因此要求所有的扩展模块消耗的DC 5V不得超出CPU模块本身的供电能力。
每个CPU模块都有1个DC 24V电源（L+、M），它可以为本机和扩展模块的输入点和输出回路继电器线圈提供DC 24V电源，因此要求所有输入点和输出回路继电器线圈耗电不得超出CPU模块本身DC 24V电源的供电能力。
基于以上两点考虑，在设计PLC控制系统时，有必要对S7-200 SMART PLC电源需求进行计算。计算的理论依据是CPU供电能力和扩展模块电流消耗，如表1-3，表1-4所示。表1-3 CPU供电能力表1-4 扩展模块的耗电情况（2）电源需求与计算举例
某系统有CPU SR20模块1台，2个数字量输出模块EM DR08，3个数字量输入模块EM DE08，1个模拟量输入模块EM AE04，试计算电流消耗，看是否能用传感器电源24V DC供电。
解：计算过程如表1-5所示。
经计算，5V DC电流差额=105>0，24V DC电流差额=-12<0，5V CPU模块提供的电量够用，24V CPU模块提供的电量不足，因此这种情况下24V供电需外接直流电源，实际工程中由外接24V直流电源供电，不用CPU模块上的传感器电源（24V DC），以免出现扩展模块不能正常工作的情况。表1-5 某系统扩展模块耗电计算1.4 S7-200 SMART PLC编程软件应用快速入门
STEP 7-Micro/WIN SMART是西门子公司专门为S7-200 SMART PLC设计的编程软件，其功能强大，可在Windows XP SP3和Windows 7操作系统上运行，支持梯形图、语句表、功能块图3种语言，可进行程序的编辑、监控、调试和组态。
本书以STEP 7-Micro/WIN SMART V2.1编程软件为例，对相关知识进行讲解。1.4.1 STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件的界面
STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件的界面如图1-5所示，主要包括快速访问工具栏、导航栏、项目树、菜单栏、程序编辑器、窗口选项卡和状态栏。图1-5 STEP 7-Micro/WIN SMART操作界面（1）快速访问工具栏
快速访问工具栏位于菜单栏的上方，如图1-6所示。点击“快速访问文件”按钮，可以简捷快速地访问“文件”菜单下的大部分功能和最近文档。单击“快速访问文件”按钮出现的下拉菜单如图1-7所示。快速访问工具栏上的其余按钮分别为新建、打开、保存和打印等。
此外，点击还可以自定义快速访问工具栏。图1-6 快速访问工具栏（2）导航栏
导航栏位于项目树的上方，导航栏上有符号表、状态图表、数据块、系统块、交叉引用和通信几个按键，如图1-8所示。点击相应按键，可以直接打开项目树中的对应选项。图1-7 快速访问工具栏的下拉菜单图1-8 导航栏编者心语① 符号表、状态图表、系统块和通信几个选项非常重要，读者应予以重视。符号表对程序起到注释作用，以增加程序的可读性；状态图表用于调试时监控变量的状态；系统块用于硬件组态；通信按钮设置通信信息。② 各按键的名称读者无需背会，将鼠标放在按键上，就会出现它们的名称。（3）项目树
项目树位于导航栏的下方，如图1-9所示。项目树有两大功能：组织编辑项目和提供指令。图1-9 项目树
① 组织编辑项目
◆ 双击“系统块”或“”，可以进行硬件组态。
◆ 单击“程序块”文件夹前的，“程序块”文件夹会展开。右键可以插入子程序或中断程序。
◆ 单击“符号表”文件夹前的，“符号表”文件夹会展开。右键可以插入新的符号表。
◆ 单击“状态表”文件夹前的，“状态表”文件夹会展开。右键可以插入新的状态表。
◆ 单击“向导”文件夹前的，“向导”文件夹会展开，操作者可以选择相应的向导。常用的向导有：运动向导、PID向导和高速计数器向导。
② 提供相应的指令
单击相应指令文件夹前的，相应的指令文件夹会展开，操作者双击或拖拽相应的指令，该指令会出现在程序编辑器的相应位置。
此外，项目树右上角有一小钉，当小钉为竖放“”时，项目树位置会固定；当小钉为横放“”时，项目树会自动隐藏。小钉隐藏时，会扩大程序编辑器的区域。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]