自控系统和PLC综合实习实习报告模板.docx
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自控系统和PLC综合实习实习报告模板
自控系统及PLC综合实习
第一部分实习相关说明
一、实习目的
1、掌握可编程序控制器的操作方法。
2、熟悉基本指令与应用指令以及实习设备的使用方法。
3、掌握变频器主要参数设置。
4、掌握PC机、PLC和变频器之间的通信技术。
5、掌握WinCC组态软件的使用。
6、理论联系实际提高学生分析问题和解决问题的能力。
二、实习要求
1、认真阅读此指导书，了解PLC系统组成和工作原理。
2、实习前理清好实习内容的思路以及所要使用的方法。
3、能够独立完成PLC和变频器之间的硬件接线。
4、测试通信连接正常。
5、学习可编程序控制器的STEP7编程软件及编程语言，试编辑简单的电动机控制应用程序。
6、通过调试来发现问题和解决问题。
7、验证程序的最终实现结果是否符合要求。
8、认真写实习报告。
三、实习任务
1、将变频器和PLC通过导线进行连接。
通过变频器的控制面板进行参数设置。
根据I/O的定义，编写PLC程序，实现通过操作面板控制交流异步电动机起动，停止，正反转切换，并监视电动机的故障和运行状态。
2、做WinCC画面，将WinCC与PLC相连，实现在WinCC上对变频器的监控。
除了控制电动机起动，停止，正反转切换，监视电动机的故障和运行状态外，还要在WinCC画面上进行频率给定以及对实际频率的监视。
四、实习方法
1、通信方式：
通过MPI通信实现。
2、控制方式有两种：
（1）本地的操作面板控制。
（2）远程的WinCC画面监控。
五、实习地点
校内PLC实习基地，即在电信学院一楼PLC实验室。
六、安全注意事项
1、电动机很危险，注意在电动机运行期间要远离电动机。
2、在断电的情况下接线。
在变频器断电后也不能立即接线，要等3分钟后再接线，因为变频器中间直流环节有大的电容放电。
3、PLC通过弱电控制强电，要注意区分弱电和强电。
接线时不要将导线接在220V或380V的强电上。
第二部分实习预备知识
1、变频器结构和基本原理
变频器工作原理
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
整流器
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路
是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
二、PLC设备及编程软件STEP7
（一）S7-300模块
S7-300PLC
一、S7-300系统硬件主要包括以下几个部分：
1、信号处理模块；
2、接口模块；
3、功能模块；
4、CPU中央处理器；
5、通讯处理器
6、通讯网卡
1信号处理模块
信号处理模块主要分为四类：
开关量输入DI、开关量输出DO、模拟量输入AI、模拟量输出AO
经常使用的开关量输入模块名称和性能
SM32116点输入，24VDC；13-30V为信号1；-30~5V为信号0；
SM32116点输入，120V/230VAC；79-264V为信号1；0~40V为信号0；
经常使用的开关量输出模块名称和性能
SM32216点输出，24VDC；信号1时输出L+-0.8V；
每通道的最大输出电流0.5A;阻性负载的最高输出频率100HZ,感性为0.5HZ;带短路电子保护；
SM322 8点输出，继电器接点；信号1时输出接点闭合；信号0时输出接点断开；接点容量8A（230VAC）或5A（24VDC）；
经常使用的模拟量输入模块名称和性能
SM3318点模拟量输入；用于电阻测量时，为4点；
输入信号类型：
电压+-80毫伏;+-250毫伏;+-500毫伏;+-1V;+-2.5V;+-5V;1-5V;+-10V;
电流+-10毫安;+-20毫安;0-20毫安;4-20毫安;
电阻150欧姆;300欧姆;600欧姆
热电偶E,N,J,K型
热电阻Pt100标准,Ni100标准
分辨率:
14位
经常使用的模拟量输出模块名称和性能
SM3324点模拟量输出;
信号类型：
电压输出0-10V；+-10V；1-5V； 电流输出4-20MA；+-20MA；0-20MA
分辨率:
12位
2接口模块
接口模块主要用于连接多机架的PLC系统，即一个S7-300PLC系统的信号模块如果超过8块，就必须配置接口模块进行扩展。
经常使用的接口模块名称和性能
IM360/IM361接口模块是最为理想的扩展方案；
IM360插入到CR（中央机架，CPU所在的机架）；
IM361插入到ER（扩展机架，扩展信号模块所在的机架）；
使用IM360/IM361接口模块最多可以扩展3个机架，既一个传统的PLC系统最多处理32个信号模块；
3功能模块
计数器模块；可直接连接增量编码器，实现连续、单向和循环记数；
步进电机控制模块；和步进电机配套使用，实现设备的定位任务；
PID控制模块；实现温度、压力和流量等的闭环控制
4CPU中央处理器
S7-300总共有8种不同的CPU；
CPU312IFM，带集成的数字输入/输出的紧凑型CPU，用于带或不带模拟量的小系统，最多8个模块；
CPU313用于有更多编程要求的小型设备；
CPU314IFM，带有集成的数字和模拟输入/输出的紧凑型CPU；
CPU 314用于安装中等规模的程序以及中等指令执行速度的程序；
CPU315/315-2DP 用于要求中到大规模的程序和通过PROFIBUS-DP进行分布式配置的设备；
CPU316用于有大量编程要求的设备；
CPU318-2用于有要求极大规模的程序和通过PROFIBUS-DP进行分布式配置的设备；
CPU315-2DP和CPU313 的重要性能参数比较：
序号参数名称CPU313CPU315-2DP
1工作存储器12K字节/4K语句64K
2装载存储器20K字节96K内置
3块数量128FC/128FB/127DB192FC/192FB/255DB
4位存储器20482048
5记数器C1-C64C1-C64
6定时器T1-T128T1-T128
7数字I/O总数256通道8192
8模拟I/O总数64I/32O512
9支持的软件STEP7STEP7/SCL/CFC
10PROFIBUS-DP口无有
5通讯处理器
常用的通讯处理器包括：
PROFIBUS-DP处理器、PROFIBUS-FMS处理器和工业以太网处理器;
PROFIBUS-DP处理器名称：
CP342-5;
用于连接SIEMENS S7-300和PROFIBUS-DP的主/从的接口模块;
通过PROFIBUS简单的进行配置和编程;
支持的通讯协议：
PROFIBUS-DP、S7通讯功能、PG\OP通讯;
传输率：
9.6~12Mbit/s自由选择;
主要用于和ET200子站配合,组成分布式I/O系统;
PROFIBUS-FMS处理器名称：
CP343-5;
用于连接SIEMENSS7-300和PROFIBUS-FMS的接口模块;
通过PROFIBUS简单的进行配置和编程;
支持的通讯协议：
PROFIBUS-FMS、S7通讯功能、PG\OP通讯;
传输率：
9.6~1.5Mbit/s自由选择;
主要用于和操作员站的连接;
工业以太网处理器名称：
CP343-1;
用于连接SIEMENS S7-300和工业以太网接口模块; 10/100Mbit/s全双工,自动
（2）STEP7编程软件的使用
STEP7编程软件的使用
STEP7是SIEMENSSIMATIC工业软件中的一种，它是用于对SIMATICPLC进行组态和编程的软件包。
STEP7提供了几种不同版本以适应不同的应用和需求。
?
STEP7Micro/DOS、STEP7Micro/WIN：
适用于S7-200系列PLC的编程、组态软件包；?
STEP7Lite：
适用于S7-300、C7系列PLC、ET200X和ET200S系列分布式I/O的编程、组态软件包；?
STEP7Basis：
适用于S7-300/S7-400、M7-300/M7-400和C7系列的编程、组态标准软件包；?
STEP7Professional：
除包含了STEP7Basis版本中的标准组件外，还包含了STEP7扩展软件包，如SCL、GRAPH和PLCSIM。
到目前为止，STEP7Basis的最新版本是2004年2月发布的STEP7BasisV5.3。
本书后面的介绍都基于这个版本。
提供LAD（梯形图）、STL（语句表）、FBD（功能块图）三种编程语言。
编程设备（可以是编程器PG或者PC）通过编程电缆与PLC的CPU模块相连，用户可以在STEP7中编写程序和对硬件进行组态，并将用户程序和硬件组态信息（详细内容见8.5节的实例）下载到CPU，或者从CPU上传到PG或PC，当程序下载、调试完成后，PLC系统就可以自动执行各种任务了。
6.2.1S7-300/400用户程序的模块化结构在讲述STEP7编程软件的使用之前，先简要说明一下S7-300/400用户程序的模块化结构。
这是编写S7-300/400用户程序的基本知识，同时与STEP7软件密切相关。
西门子公司S5、S7系列PLC采用的是“块式程序结构”，用“块”的形式来管理用户编写的程序及程序运行所需要的数据，组成完整的PLC应用程序系统（软件系统）“块”。
分为数据块和逻辑块。
1数据块在生产控制过程中常常会遇到很多过程数据、基准值、预置值，有些经常要进行修改，把它们分类放置在不同数据块中有利于进行数据管理；其次，数据块也是各逻辑块之间交换、传递和共享数据的重要途径；数据块有丰富的数据结构，有助于高效管理复杂的变量组合，提高程序设计的灵活性。
用户可以在存储器中建立一个或多个数据块，每个数据块可大可小，但CPU对数据块数量及数据总量有限制，如CPU314，其数据块数量上限为127个，数据总量上限为8KB（8192Byte）。
对数据块必须遵循先建立（定义）后使用的原则，否则将造成系统错误。
1）数据块的类型数据块可分为共享数据块DB和背景数据块DI两类，它们有不同的用途。
共享数据块DB又称为全局数据块，在用户程序中任何FB、FC或OB均可读取存放在共享数据块中的数据。
在共享数据块中声明的变量是全局变量（在全局符号表中声明的变量也是全局变量），全局变量可以被所有的块使用
编程软件
背景数据块DI（InstanceDataBlock）是指定给某个功能块FB使用的数据块，它是FB运行时的工作存储区，存放FB的部分运行变量。
调用FB时必须指定一个相关的背景数据块。
作为规则，只有FB才能访问存放在背景数据块中的数据。
一般情况下，一个FB都有一个对应的背景数据块，但一个FB可以根据需要使用不同的背景数据块。
如果几个不同的控制设备，具有不同的预设参数，但控制任务相似，就可以只编写一个功能块，而将不同的预设参数分别存储在不同的背景数据块中，这样可以减少编程工作量。
如果几个FB需要的背景数据完全相同，可只定义一个背景数据块，供它们分别使用。
此外，通过多重数据块，可将几个FB需要的不同的背景数据定义在一个背景数据块中，以优化数据管理。
背景数据块与共享数据块在CPU的存储器中是没有区别的，只是因为打开方式不同，才在打开时有背景数据块和共享数据块之分。
一般来说，任何一个数据块都可以当作共享数据块或背景数据块来使用，但实际上一个数据块DB当作背景数据块使用时，必须与FB的要求格式相符。
2）定义数据块在编程阶段和程序运行中都能定义（即生成、建立）数据块。
大多数数据块在编程阶段和其他块一样，在SIMATIC管理器或增量编辑器中生成。
用户可以选择创建共享数据块或背景数据块，创建一个新的背景数据块时必须指定它所属的功能块FB。
定义数据块的内容包括数据块号及块中的变量（如变量符号名、数据类型、初始值等）。
定义完成后，数据块中变量的顺序及类型决定了数据块的数据结构，变量的多少决定数据块的大小。
数据块在使用前，必须作为用户程序的一部分下载到CPU中。
背景数据块直接附属于功能块，它的数据结构等是自动生成的，例如当编好的FB存盘时，背景数据块中所含数据为功能块的变量声明表中所存数据。
功能块的变量决定了其背景数据块的结构。
背景数据块数据结构的修改只能在相关的功能块中进行，不能独自修改。
对于背景数据块来说，用户可以修改变量的实际值。
为修改变量的实际值，用户必须工作在数据块的数据浏览形式中。
共享数据块不附属于任何逻辑块，它可含有生产线或设备所需的各种数值。
定义时，用户按其栏目，可输入想存放在数据块中的各种变量
3）访问数据块在用户程序中可能定义了许多数据块，而每个数据块中又有许多不同类型的数据。
因此，访问（读/写）时需要明确打开的数据块号和数据块中的数据类型与位置。
只有打开的数据块才能被访问。
由于只有两个数据块寄存器（DB和DI寄存器），所以最多可以同时打开两个数据块：
一个作为共享数据块，共享数据块的块号存储在DB寄存器中；一个作为背景数据块，背景数据块的块号存储在DI寄存器中。
没有专门的数据块关闭指令，在打开一个数据块时，先打开的数据块自动关闭。
打开和访问数据块的方法有两种：
传统访问方法（即先打开后访问），合成指令法（即完整地址法）。
2逻辑块设计者在编程时，将其程序用不同的逻辑块进行结构化处理，也就是将程序分解为自成体系的多个部分（逻辑块），每个逻辑块为不同设备的控制程序或不同功能的控制程序。
程序分块后有以下优点：
?
规模大的程序更容易理解；?
可以对单个的程序进行标准化；?
程序组织简化；?
程序修改更容易；?
由于可以分别测试各个部分，查错更为简单；?
系统调试更容易。
逻辑块包括功能块FB、FC，组织块OB，系统功能块SFB、SFC。
下面分别介绍。
1）功能块功能块中编写的程序是用户程序的一部分，这些程序可以被反复调用。
功能块由两部分组成。
在功能块显示窗口可见到，上半部分是每个功能块的“变量声明表”，下半部分是编写的该功能块的程序。
声明表中定义的局部数据分为“参数”和“局部变量”两类。
参数是在调用块和被调用块之间传递的数据，所以可定义一个参数为块的输入值或块的输出值，或块的输入/输出值，同时要声明参数类型为输入、输出和输入/输出。
局部变量包括静态变量和临时变量（暂态变量），是仅供功能块本身使用的数据。
一个用户程序可以由多部分（子程序）组成，这些部分即不同的块，而通过块调用可组成结构化程序。
进行调用时，调用块可以是任何逻辑块，被调用块只能是功能块
?
功能块（FB）功能块FB属于用户自己编程的块，相当于“子程序”。
它带有一个附属的背景数据块DI。
传递给FB的参数和静态变量存在背景数据块中，临时变量存在L数据堆栈中。
DI随FB的调用而打开，随FB执行结束而关闭，所以存在DI中的数据不会丢失，但保存在L堆栈中的临时数据将丢失。
FB可以使用全局数据块DB?
功能块（FC）功能FC也是属于用户自己编程的块，但它是“无存储区”的逻辑块。
FC的临时变量存储在L堆栈中，在FC执行结束后，这些数据丢失。
要将有关数据存储，功能FC可以使用全局数据块DB。
由于FC没有它自己的存储区，所以必须为它内部的形式参数指定实际参数。
另外，不能为FC的局域数据分配初始值。
2）组织块组织块OB是操作系统与用户程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。
各型的S7CPU各有一套可编程的OB块，各有所不同。
例如S7CPU314共有13种组织块。
不同的OB块由不同的事件起动，执行不同的功能，且具有不同的优先级，可用于控制循环执行或中断执行（包括故障中断）及PLC起动方式等。
组织块的类型包括：
?
起动特性组织块－OB100，OB101，OB102。
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主程序循环块－OB1。
?
定期的时间中断组织块－OB10~OB17（日时钟中断）；OB20~OB23（延时中断）；OB30~OB37（循环中断）。
?
事件驱动的中断组织块－OB40~OB47（硬件中断）；OB80~OB87（异步错误中断）；OB121~OB122（同步错误中断）。
OB1是主程序块，由操作系统不断循环调用，在编程时总是需要的。
可将所有程序放入OB1中，或部分放入OB1中，再在OB1中调用其他块来组织程序。
OB1在运行时，操作系统可能调用其他OB块以响应确定事件，其他OB块的调用实际上就是“中断”。
一个OB的执行可以被另一个OB的调用而中断。
一个OB是否可以中断另一个OB由它的优先级决定。
高优先级OB可以中断低优先级的OB，OB1的优先级最低。
组织块中包含一个变量声明表和一个常规的控制程序。
控制程序可以各不相同，但对变量声明表中“局部数据”的类型应先进行限定说明。
OB中局部数据的类型是有限定的。
任何OB都是由操作系统调用而不能由用户调用，所以OB没有输入、输出和I/O参数。
由于OB没有背景DB,所以也不能为OB声明任何静态变量。
因此OB的变量声明表中只能定义临时变量，OB的临时变量的数据类型可以是基本的或复合的数据类型以及数据类型ANY。
对OB变量声明表的这一限定，用户应当注意。
3）系统功能块S7CPU为用户提供了一些已经编好、通过了测试的程序块，这些块称为系统功能（SFC）和系统功能块（SFB）。
它们属于操作系统的一部分，不需将其作为用户程序下载到PLC，用户可以直接调用它为自己的应用程序服务，不占用用户程序空间。
系统功能块SFB与功能块FB相似，必须为SFB生成背景数据块，并将其下载到CPU中作为用户程序的一部分。
图6.2.2为块的调用关系块的调用关系不同的S7CPU提供不同的SFC、SFB功能
3、WinCC组态软件的使用
第三部分实习内容
1、硬件接线
二、变频器参数设置
1、工厂复位
2、快速参数化
3、专家应用的参数设置
4、变频器和PLC之间连接的相关参数设置
三、通过本地操作面板实现监控
编写STEP7程序，使用本地的操作面板对电动机进行监控。
1、操作面板简图
2、STEP7程序设计步骤
四、通过WinCC画面实现监控步骤
1、编写远程WinCC控制的STEP7程序
2、新建WinCC项目
3、添加驱动程序和建立MPI连接
4、在MPI连接下建立变量
5、在图形编辑器中新建画面
6、设置窗口属性
7、运行
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