基于S7300控制系统的A3000实验和测试培训0504.docx
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基于S7300控制系统的A3000实验和测试培训0504
基于S7-300PLC控制系统
A3000实验和测试培训
（版本1.0）
用户文件编号：
A3000DH027
北京华晟经世信息技术有限公司编制
前言
《基于S7-300PLC控制系统A3000实验和测试培训》是根据A3000过程控制实验系统的相关内容编写的，包括了如下内容：
1、S7-300PLC控制系统。
2、S7-300PLC控制系统编程。
3、S7-300PLC控制系统和组态软件的连接。
4、S7-PLCSIM仿真软件的使用。
不介绍具体的A3000现场系统和组态软件。
有关这些内容将在独立的培训培训书中介绍。
一般不涉及DP和PA总线的内容，有关这些内容可以参考《A3000-DP型过程控制实验系统补充测试实验培训指导》和《A3000-PA型过程控制实验系统补充测试实验培训指导》。
本培训书缺点和错误在所难免，敬请各位专家、院校师生和广大读者批评指正。
申明：
本培训书内容只适合华晟高科A3000教学实验。
范例和文档内容只用于提供信息，对本书不承担任何保证。
北京华晟经世信息技术有限公司
二零一一年十二月
第一章西门子S7-300PLC
测试平台基本上适应所有的控制系统。
本书介绍西门子S7-300PLC。
CPU为313C-2DP，几乎所有内容同样适用于312C，315-2DP。
1.1S7-300PLC简介
S7-300是模块化的通用型PLC，适用于中等性能的控制要求。
用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。
当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。
简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。
S7-300的CPU模块（简称为CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。
不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。
如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络。
S7-300可大范围扩展各种功能模块，可以非常好地满足和适应自动控制任务。
由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。
产品设计紧凑、可用于空间有限的场合。
指令集功能强大，可用于复杂控制。
无需电池备份，免维护。
其他控制系统请参考对应的参考书。
1.1.1S7-300PLC系统组成
SIMATICS7-300可编程序控制器是模块化结构设计。
各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。
系统组成：
中央处理单元（CPU）：
各种CPU有各种不同的性能，例如，我们通常所配的CPU313C-2DP集成了数字量输入和输出，以及PROFIBUSDP主站/从站接口。
带有与过程相关的功能，可以连接标准I/O设备。
CPU运行时需要微存储器卡。
信号模块（SM）：
用于数字量和模拟量输入/输出。
负载电源模块（PS）：
用于将SIMATICS7-300连接到120/230VAC电源。
根据客户要求，还可以提供以下设备：
通讯处理器（CP）：
用于连接网络和点对点连接。
功能模块（FM）：
用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。
接口模块（IM）：
用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。
运行时无需风扇。
我们使用比较多的配置是：
S7-300PLC控制系统包含电源模块PS307、中央处理器CPU315-2PNDP、模拟量I/O模块SM334。
数字量I/O模块SM323，内含40针前连接器一个，配一个128k存储卡。
SM334内含20针前连接器一个。
如图1.1.1。
图1.1.1S7-300CPU
其他还可能有的配置是：
PS307电源，CPU312C，SM334，FLASH卡，20针前连接器。
如果增加CP342DP模块可以支持DP。
PS307电源，CPU315-2DP,SM321,SM322，SM331，SM332，FLASH卡，连接器。
1.1.2系统功能特性
S7-300PLC有多种模块部件所组成，各种模块能以不同的方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。
各模块安装在DIN标准导轨上，并用螺丝固定。
这种结构形式既可靠，又能满足电磁兼容要求。
背板总线集成在各模块上，通过将总线连接器插在模块的背后，使背板总线连成一体。
在一个机架上最多可并排安装8个信号模块、功能模块或通信处理器模块（不包括CPU模块和电源模块）。
如果系统任务需要的这些模块超过8块，则可以增加扩展机架。
除了带CPU的中央机架（CR），最多可以增加3个扩展机架（ER），每个机架可以插8个模块（不包括电源模块、CPU模块和接口模块IM），4个机架最多可以安装32个模块。
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。
这3个槽号被固定占用，信号模块、功能模块或通信处理器使用4~11号槽。
如图1.1.2所示。
实际上这些都是逻辑位置，系统可以没有电源模块而使用外部开关电源，而接口模块基本上很少用。
图1.1.2S7-300的安装
S7-300有各种不同性能档次的CPU模块可供使用。
标准CPU提供范围广泛的基本功能，如指令执行、I/O读写、通过MPI和CP模块的通讯，紧凑型CPU本机集成I/O，并带有高速计数、频率测量、定位和PID调节等技术功能。
部分CPU还集成了点到点或PROFIBUS通讯接口。
S7-300的指令集包含350多条指令，包括了位指令、比较指令、定时指令、计数指令、整数和浮点数运算指令等。
CPU的集成系统功能提供了中断处理和诊断信息等这样一类系统功能。
由于它们是集成在CPU的操作系统中，因此也省了很多RAM空间。
使用STEP7软件可对S7-300进行编程。
而且，能简单方便地将S7-300全部功能加以利用。
STEP7包含了自动化项目中从项目的启动、实施到测试、服务，每一阶段所需的全部功能。
STEP7是用于SIMATICPLC组态和编程的基本软件包。
它包括功能强大、适用于各种自动化项目任务的工具。
STEP7主要包括以下组件：
ØSIMATIC管理器，用于集中管理所有工具以及自动化项目数据。
Ø程序编辑器，用于以LAD、FBD和STL语言生成用户程序。
Ø符号编辑器，用于管理全局变量。
Ø硬件组态，用于组态和参数化硬件。
Ø硬件诊断，用于诊断自动化系统的状态。
ØNetPro，用于组态MPI和PROFIBUS等网络连接。
STEP7支持IEC-61131-3标准的开发环境。
IEC-61131-3标准定义了多种规范化的语言，统一了现场自动化系统中的不同概念。
变化多样的控制概念使得不同的控制平台和供应商互不兼容。
结果是巨大的成本投入到软件、硬件和训练上。
IEC-61131-3定义了5种编程语言，规定一些能在不同语言中使用的概念和表示方法。
1.1.3LED指示灯
S7-300PLC的CPU面板有6个LED指示灯。
LED指示S7-300PLC的操作状态,说明如下:
（1）SF：
（红色）硬件或软件错误
（2）BF：
（红色）总线出错（只适用于带有DP接口的CPU）
（3）DC5V：
（绿色）CPU和S7-300总线的5V电源正常
（4）FRCE：
（黄色）强制作业有效
（5）RUN：
（绿色）CPU处于“RUN”状态，LED在“Startup”状态以2Hz频率闪烁，在“HOLD”状态频率为0.5Hz
（6）STOP：
（绿色）CPU处于“STOP”或“HOLD”或“Startup”状态，在存储器复位时LED以0.5Hz频率闪烁，在存储器置位时LED以2Hz频率闪烁
用LED指示灯进行诊断
SIMATICS7硬件提供有LED诊断功能。
这些LED可以使用三种颜色：
●绿色LED表示正常运行（例如通电时）。
●黄色LED表示特殊的运行状态（例如强制时）。
●红色LED表示出错（例如总线出错）。
LED闪亮也表示一个特殊的事件（例如存储器复位）。
状态和故障显示如表1.1.1所示。
表1.1.1S7-300PLC状态和故障显示
SFLED故障评价（软件错误）如表1.1.2所示。
表1.1.2S7-300PLCSFLED故障评价（软件错误）
SFLED故障评价（硬件故障）如表1.1.3所示。
表1.1.3S7-300PLCSFLED故障评价（硬件故障）
1.2控制系统设置和初始化
根据计算机与控制器之间通讯方式的不同，控制系统设置操作包括MPI电缆通讯设置，DP总线通讯设置，通讯卡的通讯设置。
S7-300有20种不同型号的CPU，分别适用于不同等级的控制要求。
有的CPU模块继承了数字量I/O，有的同时集成了数字量I/O和模拟量I/O。
S7-300CPU313C-2控制器配置为：
16DI/16DOxDC24V、FlashEPROM微存储器卡（简称为MMC）、一个MPI接口和一个DP总线接口。
电源模块选用的是PS3072A，模拟量模块为SM3344AI/2AOx8BIT。
输入/输出模块统称为信号模块（SM），包括数字量（或称开关量）输入模块、数字量输出模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入/输出模块。
S7-300的输入/输出模块的外部接线接在插入式的前连接器的端子上，前连接器插在前盖后面的凹槽内。
不需断开前连接器上的外部连线，就可以迅速地更换模块。
第一次插入连接器时，有一个编码原件与之啮合，这样该连接器就只能插入同样类型的模块中。
信号模块面板上的LED用来显示各数字量输入/输出点的信号状态，模块安装在DIN标准导轨上，通过总线连接器与相邻的模块连接。
模块的默认地址由模块所在的位置决定，也可以用STEP7指定模块的地址。
信号模块和接口模块的尺寸为40mm（宽）×125mm（高）×120mm（深）。
有少量模块的宽度为80mm。
1.2.1CPU315-2PN/DP
CPU内的原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、模式选择开关和通信接口。
存储器插槽插入了128kFlashEPROM微存储器卡（简称为MMC），用于掉电后程序和数据的保存。
CPU315-2PN/DP的面板如图1.2.1所示。
图1.2.1CPU315-2PN/DP的面板
1）CPU的运行模式
CPU有4种操作模式：
STOP（停机）、STARTUP（启动）、RUN（运行）和HOLD（保持）。
在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。
（a）STOP模式：
CPU模块通电后自动进人STOP模式，在该模式不执行用户程序，可以接收全局数据和检查系统。
（b）RUN模式：
执行用户程序，刷新输人和输出，处理中断和故障信息服务。
（c）HOLD模式：
在起动和RUN模式执行程序时遇到调试用的断点，用户程序的执行被挂起（暂停），定时器被冻结。
（d）STARTUP模式：
启动模式，可以用钥匙开关或编程软件启动CPU。
如果钥匙开关在RUN位置，通电时自动进人启动模式。
2）模式选择开关
模式开关各位置的意义如下：
（a）RUN（运行）位置：
CPU执行用户程序，可以通过编程软件读出用户程序，但是不能修改用户程序。
（b）STOP（停止）位置：
不执行用户程序，通过编程软件可以读出和修改用户程序。
（c）MRES（清除存储器）：
MRES位置不能保持，在这个位置松手时开关将自动返回STOP位置。
将钥匙开关从STOP状态扳到MRS位置，可复位存储器，使CPU回到初始状态。
工作存储器、RAM装载存储器中的用户程序和地址区被清除，全部存储器位、定时器、计数器和数据块均被删除，即复位为零，包括有保持功能的数据。
CPU检测硬件，初始化硬件和系统程序的参数，系统参数、CPU和模块的参数被恢复为默认设置，MPI（多点接口）的参数被保留。
如果有快闪存储器卡，CPU在复位后将它里面的用户程序和系统参数复制到工作存储区。
复位存储器按下述顺序操作：
PLC通电后将模式开关从STOP位置扳到MRES位置，STOPLED熄灭1s，亮ls，再熄灭ls后保持亮。
放开开关，使它回到STOP位置，然后又回到MRES，STOPLED以2Hz的频率至少闪动3s，表示正在执行复位，最后STOPLED一直亮，可以松开模式开关。
存储器卡被取掉或插入时，CPU发出系统复位请求，STOPLED以0.5Hz的频率闪动。
此时应将模式选择开关扳到MRES位置，执行复位操作。
注意：
由于使用计算机上的复位命令无法全部清除程序，可能导致奇怪的问题，所以强烈建议在新装载程序时（改动比较大，新增加了函数，或进行了变量强制等等调试情况），请一定使用MRES清除系统，回到出厂状态。
3）微存储器卡
FlashEPROM微存储卡（MMC）用于在断电时保存用户程序和某些数据，它可以扩展CPU的存储器容量，也可以将有些CPU的操作系统保存在MMC中，这对于操作系统的升级是非常方便的。
MMC用作装载存储器或便携式保存媒体。
MMC的读写直接在CPU内进行，不需要专用的编程器。
如果在写访问过程中拆下SIMATIC微存储卡，卡中的数据会被破坏。
在这种情况下，必须将MMC插人CPU中并删除它，或在CPU中格式化存储卡。
只有在断电状态或CPU处于STOP状态时，才能取下存储卡。
4）通信接口
CPU315-2PN/DP有一个MPI/DP接口和两个以太网接口或者CPU315-2DP有一个MPI/DP接口和一个DP接口。
MPI用于PLC与其他西门子PLC、PG／PC（编程器或个人计算机）、OP（操作员接口）通过MPI网络的通信。
CPU通过MPI接口或PROFIBUS-DP接口在网络上自动地广播它设置的总线参数（即波特率），PLC可以自动地“挂到”MPI网络上。
PROFIBUS-DP的传输速率最高12Mbit/s，用于与其他西门子带DP接口的PLC、PG/PC、OP和其他DP主站和从站的通信。
5）电源接线端子
电源模块的L+和M端子分别是DC24V输出电压的正极和负极。
用专用的电源连接器或导线连接电源模块和CPU模块的L+和M端子。
1.2.2数字量输入输出模块
1、数字量输入模块
数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。
数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。
输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输人信号，输人电流一般为数毫安。
图1.2.2是直流输人模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输人电路，M和N是同一输入组内各输入信号的公共点。
CPU313C-2DP集成的就是直流输入模块。
当外接触点接通时，光耦合器中的发光二极管点亮，光敏三极管饱和导通；外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经背板总线接口传送给CPU模块。
交流输入模块的额定输入电压为AC120V或230V。
在图1.2.3中用电容隔离输人信号中的直流成分，用电阻限流，交流成分经桥式整流电路转换为直流电流。
外接触点接通时，光耦合器中的发光二极管和显示用的发光二极管点亮，光敏三极管饱和导通。
外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经背板总线接口传送给CPU模块。
图1.2.2直流数字量输入模块
图1.2.3交流数字量输入模块
直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输人装置连接，DC24V是一种安全电压。
如果信号线不是很长，PLC所处的物理环境较好，电磁干扰较轻，应考虑优先选用DC24V的输人模块。
交流输人方式适合于在有油、雾、粉尘的恶劣环境下使用。
数字量输入模块可以直接连接两线式接近开关（BERO），两线式BERO的输出信号为0时，其输出电流（漏电流）不为0。
在选型时应保证两线式BERO的漏电流小于输人模块允许的静态电流，否则将会产生错误的输入信号。
根据输人电流的流向，可将输入电路分为源输入电路和漏输入电路。
漏输入电路（见图1.2.2）输入回路的电流从模块的信号输入端进来，从模块内部输入电路的公共点M流出去。
PNP集电极开路输出的传感器应接到漏输入的数字量输入模块。
源输入电路输入回路的电流从模块的信号输入端流出去，从模块内部输入电路的公共点M流进来。
NPN集电极开路输出的传感器应接到源输人的数字量输人模块。
数字量模块的输入/输出电缆最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆）。
2、数字量输出模块
数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机起动器等负载。
数字输出模块将S7-300的内部信号电平转化为所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用。
输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管，驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。
输出电流的典型值为0.5~2A，负载电源由外部现场提供。
输出信号经光电耦合器送给输出元件，如图1.2.4所示，用一个带三角形符号的小方框表示输出元件。
输出元件的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。
输出电路的延迟时间小于1ms。
图1.2.4晶体管型数字量输出模块
晶体管型输出模块可靠性高，响应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。
1.2.3SM334模拟量输入输出模块
1、模拟量输入
S7-300的模拟量I/O模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入输出模块SM334和SM335。
我们经常选用的是模拟量输入输出模块SM334。
1）模拟量输入模块的基本结构
模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D（Analog/Digit）转换器。
模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器输出的标准直流电压、电流信号。
塑料机壳面板上的红色LED用于显示故障和错误，前门的后面是前连接器，前面板上有标签区。
模块安装在DIN标准导轨上，并通过总线连接器与相邻模块连接，输入通道的地址由模块所在的位置决定。
一块SM334模块中，模拟量输入的各个通道可以分别使用电流输入或电压输入，并选用不同的量程。
分辨率为8位。
各个模拟量通道转换是顺序执行的，每个模拟量通道的输入信号时被依次轮流转换的。
由图1.2.5可知，模拟量输入模块由多路开关、A/D转换器（ADC）、光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。
4个模拟量输入通道共用一个A/D转换器，通过多路开关切换被转换的通道，模拟量输入模块个输入通道的A/D转换和转换结果的存储与传送是顺序进行的。
图1.2.5模拟量输入模块
各个通道的转换结果被保存到各自的存储器，直到被下一次的转换值覆盖。
可以用装入指令“LPIW”来访问转换的结果。
2）模拟量输入模块的扫描时间
通道的转换时间由基本转换时间和模块的电阻测试和短线监控时间组成，基本转换时间取决于模拟量输入模块的转换方法（例如积分法和瞬时值转换法）。
对于积分转换法，积分时间直接影响转换时间，积分时间可在STEP7中设置。
扫描时间是指模拟量输入模块对所有被激活的模拟量输入通道进行转换和处理的时间的总和。
如果模拟量输入通道进行了通道分组，还需要考虑通道组之间的转换时间。
3）模拟量输入模块的误差
运行误差极限是指在模块的整个允许的温度范围内，在模块的正常测量范围或输出范围，模拟量模块的最大相对测量误差或相对输出误差。
基本误差极限是指在模块的正常工作范围内，25℃时模拟量模块的测量误差或输出误差。
例如，某模拟量输出模块的输出范围为0~20mA，模块的环境工作温度为30℃，模块的电流输出运行极限为±0.5%，因此在整个模块的正常输出范围内，最大输出误差应为±0.1mA（20mA的±0.5%）。
如果实际输出电压为5mA，模块的输出范围应为4.9~5.1mA。
此时的相对误差为
（0.1mA/5mA）×100%=±2%
4）模拟输入转换后的模拟值表示方法
模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟只用16位二进制补码定点数来表示。
最高位为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。
SM334模拟量输入的模拟值位数（即转换精度）为8位。
表1.2.1给出了模拟量输入模块的模拟值与模拟量之间的对应关系，模拟量量程的上、下限分别对应于十六进制模拟值6C00H和0H（H表示十六进制数）。
范围
单极性
百分比
十进制
十六进制
0~10V
0~20mA
上溢出
118.515%
32767
7FFFH
11.852V
23.70mA
超出范围
117.589%
32511
7EFFH
11.759V
23.52mA
正常范围
100.000%
27648
6C00H
10V
20mA
20%
5530
159AH
2V
4mA
0%
0
0H
0V
0mA
低于范围
-17.593%
-4864
ED00H
-3.52mA
表1.2.1SM334中模拟量输入的模拟值
模拟量输入模块在模块通电前或模块参数设置完成后第一次转换之前，或上溢出时，其模拟值为7FFFH。
溢出时SF指示灯闪烁，并产生诊断中断。
5）模拟输入模块的接线
SM334模拟量输入端子接线如图1.2.6所示。
测量范围0-20毫安。
如果要测量4-20毫安，则需要在内部进行计算。
图1.2.6SM334模拟量输入端子的接线
6）SM334中模拟量输入的技术参数
输入点数
4
输入范围
0~10V，0~20mA
负载阻抗
电压输入100kΩ，电流输入50Ω
分辨率
8位
运行极限
电压±0.9%，电流±0.8%
基本误差限制
电压±0.7%，电流±0.6%
扫描时间（AI+AO）
所有通道5ms
7）模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量
转化时应考虑变送器的输入/输出量程和模拟量输入模块的量程，找出被测物理量与A/D转换后的数字之间的比例关系。
【例】工程量为0-10MPa，输出信号为4~20mA，模拟量输入模块的量程为4~20mA，转换后的数字量为0~27648。
设转换后得到的数字为N，求以kPa为单位的压力值。
解：
0~10Mpa（0~10000kPa）对应于转换后的数字0~27648，转换公式为
P=10000×N/27648kPa
【例】变送器满量程120Kpa，信号为4~20mA，模拟量输入模块将0~20mA转换为数字0~27648，设转换后得到的数字为N，求以Pa为单位的压力值。
解：
4~20mA的模拟量对应于数字量5530~27648，即0-120KPa对应于数字量5530~27648，压力的计算公式应为：
P=120*（N-5530）/（27648-5530）=120*（N-5530）/22118
基数是从4开始的
2、模拟量输出
1）模拟量输出模块的基本结构
模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。
如图1.2.7所示。
图1.2.7模拟量输出原理图
2）模拟量输出模块的响应时间
模拟量输出模块未通电时输
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