第八章 大中型PLC控制系统.docx
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第八章大中型PLC控制系统
第八章大中型PLC控制系统
8.1西门子S7系列PLC概述
在20世纪90年代，随着现代通信技术和IT技术的迅猛发展，为了满足现代化控制任务对PLC在实时性，快速性，大量的网络通讯和数据管理，分布式控制，集成现场设备的快速诊断等要求，西门子公司在1994年推出了S7系列PLC。
根据控制要求和输入输出点数区分，S7系列PLC可以分为S7-200，S7-300，S7-400三个系列。
1.S7-200系列PLC
S7-200CPU将微处理器、集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的小型PLC，如图8-1所示。
图8-1S7-200PLC示意图
S7-200系列PLC定位为小型PLC控制系统，CPU本身集成输入，输出信号接口，并具有模块化扩展功能，最大输入输出点数可扩展至256点。
S7-200CPU自身的输入点集成高速计数器，报警，和中断等功能。
输出点分为继电器输出和晶体管输出两种，晶体管输出集成有高速脉冲输出功能。
S7-200CPU除了自身集成的PPI通讯接口外还可以通过通信模块扩展不同的网络接口，如通过EM277模块扩展ProfibusDP现场总线从站接口，通过CP243-1模块扩展以太网接口。
S7-200PLC还具被简单的定位功能，使得控制功能更加完善。
S7-200CPU按照所集成的I/O规模，可分为CPU221，CPU222，CPU224，CPU224XP，CPU226。
S7-200PLC使用STEP7MICROWIN软件进行编程，目前最新版本为V4.0SP9，该版本除原有的操作系统外，还支持在WIN7操作系统下安装使用，具体使用方法本章不做介绍。
2.西门子S7-300系列PLC
S7-300系列PLC定位为中型PLC控制系统，具有模块化扩展功能，适合最大输入、输出1000点左右的控制系统。
S7-300系列CPU集成了各种中断处理能力，具有强大的通讯能力，如MPI,现场总线,工业以太网。
通过扩展具有独立处理能力的特殊模块，S7-300系列PLC可以实现高速计数，单轴定位，具有插补功能的4轴路径控制，而不会影响CPU的处理速度。
S7-300系列产品众多，功能强大，在本章以下章节会详细说明。
S7-300系列PLC使用STEP7进行编程，目前最新版本为STEP7V5.5，该版本除原有的操作系统外，还支持在WIN7操作系统下安装使用。
3.西门子S7-400系列PLC
S7-400系列PLC定位为大型PLC控制系统,具有模块化扩展功能，适合输入输出点数在数万点左右的控制系统，S7-400系列PLC的CPU完全覆盖了S7-300系列CPU的中断处理能力和通讯能力，并在此基础上增加了数量和种类更多的报警中断，事件中断和循环中断等，即使在同一中断中，还可以选择不同出发事件的中断，在ProfibusDP上，S7-400系列CPU能实现等时数据通讯，可以使各个从站的输入信号能同时处理，输出命令可以同时发送给各个从站，极大的提高了系统的响应性和实时性。
S7-400系列PLC控制系统能可以在一个站上同时插入最多4个CPU来完成一个控制任务。
S7-400系列PLC还包括冗余H系统和故障安全系统F，冗余系统具有冗余的电源，CPU，通讯处理器，现场总线，通讯接口，输入输出通道等，单一的设备产生故障，不会影响整个控制系统。
S7-400系列PLC使用STEP7进行编程，目前最新版本为STEP7V5.5，该版本除原有的操作系统外，还支持在WIN7操作系统下安装使用。
8.2S7-300系列PLC硬件系统构成
一个常见的S7-300系统主要组成部分有导轨（ＲＡＣＫ）、电源模块（ＰＳ）、中央处理单元ＣＰＵ模块、接口模块（ＩＭ）、信号模块（ＳＭ）、功能模块（ＦＭ）等。
8.2.1导轨
导轨（RACK）在s7-300系统中作为主机架和中央扩展机架，各个模块均安装在该机架上，机架中没有背板总线，导轨长度可以选择，也可以按照实际需要切割成任意尺寸。
在机架上的CPU通过U型背板总线与各个模块连接。
每个机架上面，除了电源，CPU和接口模块外，最多可以插入8个模块，每个模块无论体积大小，都占用一个槽号。
如果系统模块超过8个，此时就需要新增机架和接口模块，PLC系统的模块扩展能力因PLC型号而异，S7系列314及以上型号的CPU最大扩展能力为32个模板，每个机架（层）安装8个模板，最多扩展3层机架。
对于信号模板、功能模板和通讯处理器没有插槽限制，也就是说它们可以插到任何一个槽位。
机架扩展示意图如图8-2所示：
图8-2机架扩展示意图
在机架上安装模块时，应该注意的是机架前3个槽位所安装的模块是固定的，1号槽位为电源，2号槽位为CPU，3号槽位为接口模块。
接口模块IM360（发送）和IM361（接收）用来在机架之间传递总线。
IMS接口代表发送，IMR接口代表接收。
接口模块必须安装到特定的插槽（3号槽）。
两层机架之间的电缆长度是有限定的，采用IM360/361的多层组态之间最大长度为10m，采用IM365的两层之间最大长度为1m。
经济型的接口模块IM365支持扩展一层机架，扩展机架上不需要电源模块，由于IM365不提供K总线，所以扩展机架上只能安装SM模块，不能安装FM和PC模块。
8.2.2电源模块
S7-300系列PLC中的电源模块（PS307）将120/230VAC的电压转换为24VDC操作电压，然后提供给S7-300及其24VDC负载电路。
在S7-300PLC系统中，PS307向CPU或接口模块提供24V电源，CPU和接口模块将24V电源转换为5V，向背板总线供电。
PS307常见的输出电流为2A，5A和10A，根据系统的实际需求，可以选择不同的电源模块。
S7-300系列PLC每个模块都会消耗一定的电流，选择电源模块时，所有模块所消耗的电流总和不能超过电源模块的输出电流。
PS307与CPU之间没有背板总线连接，可以与CPU机架分离安装，CPU不能对电源模块进行诊断。
系统也可以选择其他品牌的开关电源，但在输出功率和滤波功能等方面必须满足CPU的供电要求，否则会使CPU烧毁。
8.2.3CPU模块
CPU是PLC控制系统的心脏，所有的计算如外部信号扫描，计算和逻辑处理，输出等工作都是由CPU完成的。
S7-300系列的CPU根据功能的不同，有CPU312到CPU319等众多型号。
由序号的从低到高，CPU的功能逐渐增强。
其技术指标主要区别于计算速度，通信资源和编程资源如计数器，定时器的个数等。
常见的S7-300CPU实物图如图8-3所示：
a）早期的CPU314b）新型的CPU314c）新型的CPU315-2DP
1-模式选择器2-存储器卡3-指示灯4-MPI接口5-DP接口
1
3
2
a）
b）
4
c）
5
图8-3S7-300CPU实物图
1.模式选择器
MRES：
模块复位功能（ModuleReset）
STOP：
停止模式，程序不执行
RUN：
程序执行，编程器只读操作
RUN-P：
程序执行，编程器读写操作
2.状态指示灯
SF：
系统错误：
CPU内部错误或带诊断功能模块错误
BATF：
电池故障：
电池不足或不存在
DC5V：
内部5VDC电压指示
FRCE：
FORCE：
指示至少有一个输入或输出被强制
RUN：
当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮
STOP：
在停止模式下常亮
3.存储器卡
为存储器卡提供一个插槽。
当发生断电时利用存储器卡可以不需要电池就可以保存程序。
对2002年10月以后的CPU，为了运行总需要一个微型存储器卡。
它提供电源丧失情况下的后备。
新型S7-300系列CPU的数据存储在MMC卡中，选配系统时，还需要为CPU选取MMC存储卡。
MMC卡有64KB，128KB，256KB，512KB，2M，4M,8M等几种类型。
选取存储卡的容量应根据实际工程中所需要的数据区大小来选择。
MMC卡用来存储用户程序，不需要电池保护，系统掉电瞬间依靠内部电容将过程数据复制到MMC卡中。
4.电池盒
对2002年10月以前的CPU，在前盖下有一个装锂电池的空间，当出现断电时锂电池用来保存RAM中的内容。
对2002年10月以后的CPU，不需要电池。
5.MPI接口
用MPI接口连接到编程设备或其它设备
6.DP接口
分布式I/O直接连接到CPU的接口。
CPU本身都集成有各种类型的通信接口，紧凑型的CPU还集成有一定数量的信号模块。
通过CPU的型号可以看出CPU本身的功能和集成的通讯接口数量及种类，如CPU314C-2PtP，表示CPU本身集成了数字量输入输出通道和模拟量输入输出通道，同时集成了两个通信接口，一个是MPI口，还有一个是PtP口。
CPU315-2DP表示该CPU本身没有集成信号模块，集成了两个通信接口，一个是MPI口（编程接口，可以通过STEP7软件设置成DP口）。
另一个是ProfibusDP接口。
CPU315-2PN/DP表示该CPU集成了一个ProfibusDP接口和一个Profinet接口。
具体每款不同CPU型号的具体技术规格可以参看西门子PLC选型手册，这里不做一一介绍。
8.2.4信号模块
S7-300系列PLC的信号模块可分为数字量输入模块（SM321）,数字量输出模块（SM322），数字量输入/输出模块（SM323）,模拟量输入/输出模块（SM333）模拟量输入模块（SM331）,模拟量输出模块（SM332）六种。
1.数字量输入模块（SM321）
数字量输入模块是PLC系统采集数字量信号的通道，可连电压为DC/AC24-48V，DC48-125V，AC120-230V的输入信号。
输入模块的点数分为8、16、32点三种类型，输入模块将这些点数分成不同的组，组与组之间电源隔离，一组通道烧毁后不会影响同一模块的其他组的通道。
2.数字量输出模块（SM322）
数字量输出模块是PLC系统控制数字量负载的通道，可连电压为DC24-48V，DC48-125V，AC120-230V的负载。
数字量输出模块分为晶体管输出和继电器输出两种类型，输入模块的点数分为8、16、32点三种类型，输出模块将这些点数分成不同的组，组与组之间电源隔离，一组通道烧毁后不会影响同一模块的其他组的通道。
3.数字量输入/输出模块（SM323）
数字量输入/输出模块（SM323）是将数字量输入功能和数字量输输出功能集成在一起的模块，其功能与数字量输入模块和数字量输出模块相同。
4.模拟量输入模块（SM331）
模拟量输入模块是PLC系统采集模拟量信号的通道，可以连接不同类型的传感器信号，如电压信号，电流信号和电阻信号，并将这些信号转换为二进制数字量信号。
模拟量输入模块的通道分为8通道、4通道、2通道三种类型，转换精度有12位和13位两种。
5.模拟量输出模块（SM332）
模拟量输出模块是PLC系统将数字量信号转换为模拟量信号并输出的通道，模拟量输出模块可以输出两种不同类型的模拟量信号，电压信号和电流信号。
模拟量输出模块的通道分为8通道、4通道、2通道三种类型，转换精度有12位和13位两种。
6.模拟量输入/输出模块（SM333）
模拟量输入/输出模块（SM333）是将模拟量输入功能和模拟量输出功能集成在一起的模块，其功能与模拟量输入模块和模拟量输出模块相同。
8.2.5其他模块
除了上述常用模块之外，S7-300系列PLC还有许多模块，例如实现各类通讯功能的通信模块，各类实现特定控制任务的功能模块，用于系统扩展的接口模块等，这些模块品类繁多，功能强大，此处不再一一介绍。
8.2.6S7-300PLC硬件安装方法
S7-300PLC可以水平安装也可以垂直安装，水平安装时，CPU和电源必须安装在左面；垂直安装时，CPU和电源必须安装在底部。
除CPU外，每个模块都带有一个总线连接器，在组装模块时，必须要先将总线连接器插入到各个模块中，在插入总线连接器时，先从CPU开始然后将总线连接器插入另一个模块。
按指定的顺序，将模块依次挂靠到导轨上，滑动到靠近左边的模块，然后向下旋转，安装到位后，用螺丝拧紧模块。
具体安装示意图如图8-4所示：
图8-4模块安装示意图
8.3STEP7编程软件
STEP7编程软件是S7-300/400系列PLC完成编程任务的工具软件，通过STEP7软件可以完成系统的硬件组态，软件设计，程序的上传下载，在线调试监控等任务。
STEP7软件目前有多种版本，每个版本对操作系统有明确的要求，STEP7V5.4及以下版本只能安装在XP及以下系统中，V5.5可以安装在WIN7系统中。
STEP7安装软件包含AUTOMATIONLICENSEMANGER和SIMATICMANGER两部分，为保证STEP7软件能正常使用，必须保证这两者正确安装。
8.3.1创建一个新项目
通过双击桌面图标
打开SIMATICMANGER，在菜单栏点击“文件”—“新建”按钮，创建一个空白项目，并在如图8-5所示项目创建对话框中设置名称及存储路径，点击确定按钮后，系统会创建一个空白的项目。
图8-5项目创建对话框
工程创建完成后，会在SIMATICMANGER中显示所创建的项目，如图8-6所示：
图8-6新建项目显示图
8.3.2硬件组态
在图8-6所示界面的右侧空白处，单击右键，在“插入新对象”栏中选择“SIMATIC300站点”，在右侧空白处会出现
，双击该图标，进入硬件组态选择界面，如图8-7所示：
图8-7硬件组态选择界面
双击图标
，进入硬件组态界面，如图8-8所示：
图8-8硬件组态界面
硬件组态界面上方为菜单栏，左上空白处为硬件配置视窗，左下空白处为显示硬件配置视窗，右侧为硬件目录。
1.组态机架
在硬件目录中点击图标
前面的“+”，在RACK-300目录下双击或将RAIL图标拖至硬件配置视窗，组态一个机架，机架示意图如图8-9所示：
图8-9机架示意图
在一个S7-300中，可以最多添加4个机架，机架由0至3分布，其中0号机架为中央机架，1至3号机架为扩展机架。
在硬件组态中，机架做为PLC模块的具体载体，模块配置的顺序必须与实际硬件配置一致，其关联图如图8-10所示：
图8-10机架组态与实物关联图
每个机架有11个槽位，槽号有1-11分布，其中：
1）1号槽位只能放置电源模块，由于电源模块不需要与CPU经过背板总线相连，所以可以不用进行硬件配置。
2）2号槽位只能放置CPU模块，且不能为空。
3）3号槽位只能放置机架扩展模块，如果项目只有一个机架，则不需要配置机架扩展模块，但3号槽位必须预留，不能占用。
4）4-11号槽位用来放置各类信号模块和功能模块，每个模块占一个槽位，与实际硬件的大小无关。
4-11号槽位可以随意配置，但必须和实际硬件安装顺序一致。
功能模块只能安装在中央机架上。
单个机架的硬件组态效果如图8-11所示：
图8-11单机架组态效果图
多机架组态效果如图8-12所示：
图8-12多机架组态效果图
在扩展机架组态模块时，各个模块也只能放在4-11号槽位中，1,2号槽位留空，3号槽位为机架扩展模块，如果项目只有两个机架，可以用IM365成对扩展模块，如果项目有超过两个以上的机架，，那么在中央机架（0号机架）中的3号槽位插入IM360，在1-3号扩展机架中插入IM361。
IM365不需要外加电源，IM361需要24V电源供电。
2.HW更新
机架组态完成后，可以通过硬件组态界面中的硬件目录栏选择相应的模块插入到机架中。
硬件目录栏里包含了所有与PLC站相关的硬件信息，在插入模块时，所选的模块的版本号及订货号必须要与实际硬件的版本号及订货号一致。
实际硬件的版本号及模块号可以从模块面板上获知，硬件目录中的模块的版本号可以通过硬件目录下方的信息显示，如图8-13所示：
图8-13硬件信息显示
图8-13中的6ES7315-2EH14-0AB0即为所选CPU的订货号，组态时必须与实际CPU面板上的订货号一致。
如果硬件目录中不包含所选用的实际硬件条目，那么必须要进行HW更新或者升级STEP7版本。
在硬件组态菜单中的“选项”栏中点击“HW更新”，会弹出如图8-14所示对话框：
图8-14HW更新对话框
在图8-14对话框中，在保证PC能正常接入INTNET网络的前提下，点击执行按钮，STEP7会自动从互联网中将硬件信息下载到HW更新栏中，然后勾选所需要的硬件信息，或者点击“全选”选择全部信息，之后点击“安装”，STEP7就会进行HW更新。
在更新过程中，系统会提示关闭SIMATICManager，按照提示信息一步步进行操作即可。
3．组态CPU
以组态一个CPU315-2PN/DP为例，假设该CPU的版本号为V3.2，订货号为6ES7315-2EH14-0AB0。
首先在硬件目录中找到该硬件条目，具体方法如图8-15所示：
图8-15选择CPU硬件条目
将图8-15中的图标
拖入机架的2号槽位，此时会弹出如图8-16所示对话框：
图8-16PN接口属性设置对话框
在该对话框中，可以按照实际情况设置IP地址，然后点击新建创建一个Ethernet网络。
也可以先直接点击确定，稍后进行PN口属性设置。
在图8-16中点击新建按钮后，系统会弹出一个对话框，如图8-17所示：
图8-17新建子网属性对话框
如无必要，该对话框中的内容以默认即可。
点击确定按钮后，在图8-16PN接口属性设置对话框中会出现新建的子网，然后点击确定按钮，在机架上会显示出插入的CPU，如图8-18所示：
图8-18插入一个CPU
在图8-18中，双击图标
，会弹出CPU属性设置对话框，如图8-19所示：
图8-19CPU属性设置对话框
在该对话框中，可以对CPU的各项属性进行设置，具体各项功能及设置方法可以参看西门子公司的相关技术手册。
同样，如果没有特殊要求，可以使用CPU的缺省设置，能满足大部分工程的要求。
除了对CPU属性设置外，通过双击图标
可以进行MPI/DP设置，双击图标
可以进行PN口设置，设置方法在下述章节中会具体介绍，此处暂且略过。
4.组态信号模块
信号模块是S7系列PLC数字量输入输出模块，模拟量输入输出模块的统称。
组态时，同样要求组态顺序及序列号应与实际模块安装顺序及序列号一致。
信号模块只能放在4-11号槽位。
以组态数字量输入模块为例，在硬件目录中，选择相应的硬件条目，如图8-20所示：
图8-20选择数字量输入模块硬件条目
将图标
拖入机架的4号槽位，并双击图标
，系统会弹出属性设置对话框，如图8-21所示：
图8-21数字量属性设置对话框
在数字量属性设置对话框中，可以设置信号模块SM的参数，如通道地址、是否激活故障中断和硬件中断等。
信号模块SM的编址方式有两种：
固定的编址方式和可变的编址方式。
固定的编址方式即面向槽位的编址方式。
对每一个机架上的槽位都分配了确定的地址，根据模块所在的槽位就可知道其I/O地址。
图8-22为S7-300PLC的多层机架的DI/DO地址分配，从4号槽开始排地址，每个槽位预留出4个字节的地址，无论是输入模块还是输出模块，装在某槽位后其首地址就确定了。
例如，如果4号槽装入一块DI16模块，字节的首地址为0，则16位开关量输入地址为I0.0~I1.7；如果5号槽又装入一块DI16模块，字节的首地址为4，则16位开关量输入地址为I4.0~I5.7；如果6号槽装入一块DI16/DO16的混合模块，字节的首地址为8，则16位开关量输入地址为I8.0~I9.7，16位开关量输出地址为Q8.0~Q9.7。
图8-22S7-300PLC的多层机架的DI/DO地址分配
可变的编址方式即面向用户的编址方式。
所有S7-400CPU和S7-300中带DP端口的CPU允许用户对I/O模块的地址重新分配。
双击需要重新分配地址的模块，打开属性设置对话框，在“地址”标签中取消“系统默认”选项，用户可以设置模块的起始地址，没有顺序要求，但是不能与其它模块的地址冲突。
如图8-23所示：
图8-23可变地址设置界面
硬件组态完成后，点击菜单栏中的图标
，对硬件组态信息进行保存并编译，编译结束后，在SIMATICManager界面中会显示新组态的CPU，并可以进行用户程序设计，如图8-24所示：
图8-24硬件组态完成后的项目
8.3.3编写用户程序
一个PLC站的所有程序块均存储于“S7程序”下的“块”文件中，块文件包含系统数据，逻辑程序块如组织块（OB），功能（FC），功能块（FB），数据库（DB）,变量表（VAT）等。
点击“块”图标，在SIMATICManager右侧图标空白处点击右键，选择“插入对象”，可逐一添加需要的逻辑程序块。
例如添加一个功能（FC），再选择插入一个功能后，系统会弹出FC属性设置对话框，如图8-25所示：
图8-25FC属性设置对话框
在属性对话框中可以设置FC的各项属性如编程语言，STEP7有STL，LAD，FBD三种编程语言，其中LAD即为梯形图程序。
属性设置完成后点击确定按钮，在块中会生成一个功能FC1。
双击FC1，进入程序编辑界面，如图8-26所示：
图8-26程序编辑界面
程序编辑界面有4部分，上方为工具栏，用来存盘，编译，下载，监控等操作，工具栏中还包含LAD编程语言的常用指令。
工具栏下方为程序块参数传递的接口区，当子程序（FC，FB）需要带参数调用时，在接口区可以声明输入输出的形参等，如果子程序无形参调用，则可以不定义接口区。
界面左侧为编程指令集，在使用LAD或FBD编程时，可以从编程指令集中选择相关的指令。
右侧为程序代码区，通过工具栏中的“视图”按钮来选择所需要的编程语言。
8.3.4程序调试
1.设置PG/PC接口
无论是上传还是下载，或者是监控，诊断，都需要在PC和CPU之间建立通讯连接。
PC可以同过MPI，profibus和工业以太网与CPU建立通讯连接，本节以MPI和工业以太网为例，讲述PG/PC设置方法。
1）MPI
点击SIMATICManager界面工具栏中的“选项”，选择“设置PC/PG接口”命令，弹出如图8-27所示对话框：
图8-27设置PG/PC接口对话框
使用MPI进行通讯时，需要选用PC/MPI编程电缆，在STEP7V5.4及以下版本中，PC/MPI编程电缆需要单独安装驱动程序，STEP7V5.5版本则已经将驱动程序集成在软件安装包中。
在图8-28中，选择PCAdapter（MPI）协议，点击“属性”按钮，弹出如图8-26所示对话框，在该对话框中设置好端口号及波特率。
图8-28MPI属性设置对话框
设置完成后，点击确认按钮，完成MPI设置。
利用MPI编程电缆，通过上述设置后，可以和任何型号的S7-300系列CPU建立通讯。
2）工业以太网
PC通过工业以太网可以和已分配IP地址的CPU建立通讯，在PG/PC接口设置时，选取TCP/IP协议即可，如图8-29所示：
图8-29选取TCP/IP协议
需要注意的是，如果CPU本身没有集成以太网口（PN），要实现以太网通讯还需要为系统选配以太网通讯模块CP343-1，而CP343-1出厂时是没有IP地址的，在这种模式下，首次下载PLC程序是不能通过工业以太网实现的，需要用MPI电缆先将已分配好IP地址的硬件组态程序下载至CPU，然后才能通过工业以太网建立通讯。
如果CPU自身已经集成有以太网口（PN），则首次下载时可以利用以太网通过MAC地址将IP地址分配到C
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