SIMATIC S7300400 PLC的设计应用实例.docx

SIMATIC S7300400 PLC的设计应用实例.docx

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SIMATICS7300400PLC的设计应用实例

第七章SIMATICS7-300/400PLC的设计应用实例

本章以实验装置为被控对象，结合3个实际控制系统为例，说明Profibus控制系统的组成和基本应用。

包括硬件结构，组态编程软件STEP7、监控软件WinCC的使用；基于PC的PLC控制系统软件WinAC的使用；基于Profibus的现场总线控制系统组成。

第一节Profibus现场总线控制网络

一．实验室控制网络组成

如图7-1所示，实验室控制网络以工业以太网为界分为两层，即监控层和控制层。

监控层主要包括工程师站（工业PC）、监控站和服务器等二类主站；控制层包括一类主站（3台S7400，2台S7300）、各个从站（分布式I/OET200、变频器等）和现场设备等，他们之间构成了现场总线控制系统。

通过以太网，S7300、S7400等一类主站与监控站、工程师站及服务器等二类主站连接。

图7-1现场总线控制网络组成

二．系统硬件组成

1．一类主站

选用德国西门子公司生产的SIMATICS7-300/400可编程控制器。

SIMATICS7-300/400可编程控制器采用模块化设计，在一块机架底板上可安装电源、CPU、各种信号模板、通信处理器等模块，其中CPU上有一个标准化MPI接口，它既是编程接口，又是数据通信接口，使用S7协议，通过此接口，PLC之间或者与上位机之间都可以进行通信，从而组成多点MPI接口网络。

S7-300/400可编程控制器通过I／O模块采集相关数据和发出控制信号，I／O模块与S7-300/400可编程控制器之间通过PROFIBUS现场总线通信。

2．二类主站

PC计算机或工控机都可以作为二类主站。

二类主站主要用于控制系统程序的编写和系统运行过程中的实时监控，如工程师站和监控站等。

通常工程师站装有SIMATICSTEP7组态编程软件和SIMATICWINCC监控组态软件。

3．从站

系统从站包括分布式I/OET200，变频器和通过DP/PALINK连接的智能从站等。

4.被控对象

主要有三容水箱液位控制实验装置；双输入双输出电加热炉温度控制实验装置；模拟锅炉过程控制实验装置；带式链条输送机等。

第二节基于Profibus的三容水箱液位控制系统设计

一．QXLTT三容水箱实验装置介绍

QXLTT三容水箱液位控制实验装置是一台具有多个输入和多个输出的非线性耦合被控物理模型，它的主体是用透明的有机玻璃制成的三个圆形容器罐和一个蓄水池，并配以相应的执行机构和传感器组成。

如图7-2所示，有二个水泵P1和P2，六个手动阀V1～V6,二个PWM（脉宽调制）型线性比例调节阀V7和V8；三个反压式液位传感器LT1、LT2和LT3以及两个旁路阀V9、V10组成。

（a）三容水箱控制实验装置容器罐和蓄水池 （b）三容水箱控制实验装置组成结构

图7-2三容水箱实验装置

三个圆柱型容器为串联连接，蓄水池中的液体由泵P1和P2抽出注入容器T1、T2以改变T1和T2的液位，液体经手动阀V3再流向蓄水池形成循环。

改变手动调节阀V1和V2的开度，便可改变三个容器T1、T2和T3液位的关联关系（即改变三个容器中液位的耦合程度）。

而调节手动阀V4、V5和V6则可模拟系统的扰动，改变系统的传递函数。

系统输入参数有三个，分别是三个容器的液位值；系统的输出参数有两个，是两个电磁阀的开度。

设计一个双容液位控制系统，即蓄水池中的液体由泵P1抽出注入容器T1，液体经手动阀V1流到容器T2，再经过手动阀V5流向蓄水池形成循环，受控的是容器T2的液位。

二、双容水箱液位控制系统组成及原理

该系统中用到的S7-300PLC由CPU模块（集成有输入输出模块）、机架、CP模块组成。

S7-300PLC的CPU集成有24点DI（数字量输入）、16点DO（数字量输出）、5路AI（模拟量输入）和2路AO（模拟量输出）。

如图7-3所示，液位控制系统的工作过程为：

图7-3液位控制系统原理图

1．信号采集

将三支反压式液位传感器的变送信号接至AI模块的模拟输入通道1、通道2和通道3，在AI内部经A/D转换成一定范围的十进制数据。

如4mA～20mA电流输入在标称范围内对应的转换结果是0～27648，用户程序可以根据输入通道对应的端口地址获取转换结果。

2．信号处理

在控制器模块中对实际采样信号进行量程转换，根据该液位值和设定液位值，应用某种控制算法得到控制量，并进行相应的反量程转换后输出。

3．控制信号输出

AO模块可以输出电压和电流两种类型的信号，在本例中选用输出电流信号。

AO模块的模拟量输出通道1和通道2接至线性比例电磁式调节阀，使阀门随输出的控制量连续变化，最终实现液位的闭环控制。

图7-4为液位单回路控制方块图，被控量为2#容器的液位T2。

控制量是1通道的电磁阀开度。

控制器采用PID算法实现。

图7-4液位单回路控制系统方块图

三、系统网络及硬件组态

1．通信端口设置

打开控制面板，双击SetPG/PCInterface，设置编程设备和控制器的通信接口，如图7-5所示。

图7-5通信端口设置

控制面板中设置：

SetPG/PCInterface中选中S7Online（STEP7）→ISOandEthernet。

这样，工程师站和S7300间就可以通过工业以太网进行通信连接。

2．网络及硬件组态

（1）创建项目

进入STEP-7，弹出创建向导，创建一个项目并命名“液位控制”。

然后插入一个S7300站，如图7-6所示，并进入硬件组态“ConfiguringHardware”界面。

图7-6创建项目

（2）配置机架

点开右侧的硬件资源，从RACK-300中选择机架。

如图7-7所示。

（3）配置模块

分别从SIMATIC300的CPU和通信信号（CP）模块中选择相应的模块插入机架的相应槽中。

各模块型号如下：

①CPU314C-2DP6ES7314-6CF00-0AB0

集成有DI8×DC24V，AI5/AO2×12Bit，DI16/DO16×DC24V。

地址：

DII124.0～126.7；

DOQ124.0～125.7；

AIPIW752～761；

AOPQW752～755；

设置AI、AO模块特性为电流4～20mA。

②CP3436ES7343-1EX11-0XE0

设置MAC地址（按标签上的物理地址）为08-00-06-71-49-25，如图7-8所示。

（4）保存硬件配置：

点击保存并编译。

配置好的网络如图7-9所示。

（5）下载硬件配置到PLC。

点击下载到S7300CPU观察机柜上各个模块的指示灯是否显示正确。

如果被组态的模块的指示灯点亮绿灯，证明组态配置正确；如果被组态的模块的指示灯点亮红灯，证明组态存在错误，请检查模块型号、订货号、主站和从站的地址等是否选择和设置正确。

图7-7硬件组态

图7-8设置MAC地址

图7-9网络组态结果

四、实现S7300液位控制功能

（一）控制程序组态

1．在S7Program的Blocks中建立程序块FC1、OB35、FC2，如图7-10所示。

FC1块实现液位信号的输入量程转换，将0-27648之间的数字量转换为0-500mm之间的液位实际值。

OB35为循环中断组织块，可以按照固定的时间间隔循环调用PID程序块，本例为采样时间100ms。

循环中断时间可以在CPU的特性里进行设定，如图7-11所示。

FC2块实现输出操作信号的量程转换，将0.0-100.0之间的实型值转换为0-27648之间的数字量。

图7-10填加程序块

图7-11循环中断时间的设定

2．编辑FC1

1）打开FC1，进入程序编辑状态；

2）选定FC105块：

Insert菜单中选中“ProgramElements”→Libraries→StandardLibraries→T1-S7ConvertingBlocks→FC105SCALE；

3）编辑块，如图7-12所示。

其中：

输入（IN）端：

PIW752，PIW754，PIW756存储着3路液位信号A/D转换后的数字量；

HI_LIM:

液位上限；

LO_LIM液位下限；

BIPOLAR：

极性，本例为单极性；

RET_VAL：

功能块执行状态字；

OUT：

MD30，MD34，MD38分别为量程转换后的液位实际值。

（a）1#容器液位输入处理—量程转换

（b）2#容器液位输入处理—量程转换

（c）3#容器液位输入处理—量程转换

图7-12FC1块编辑

3．编辑OB35（2#容器液位PID控制）

1）打开OB35，进入程序编辑状态；

2）选定FB41块：

Insert菜单中选中“ProgramElements”→Libraries→StandardLibraries→PIDControlBlocka→FB41CONT-C；

3）编辑块。

FB41需要一个背景块DB41，如图7-13所示。

图7-13OB35块编辑

4．编辑FC2

1）打开FC2，进入程序编辑状态；

2）选定FC106块：

Insert菜单中选中“ProgramElements”→Libraries→StandardLibraries→T1-S7ConvertingBlocks→FC106UNSCALE；

3）编辑块，如图7-14所示。

其中：

图7-14FC2块编辑

输入（IN）端：

MD100是PID输出的控制量；

HI_LIM:

电磁阀开度上限；

LO_LIM电磁阀开度下限；

BIPOLAR：

极性；

RET_VAL：

功能块执行状态字；

OUT：

PQW752为量程转换后的对应电磁阀开度的数字量。

5．编辑OB1

OB1是系统的主程序，因此要把以上编辑的各个子程序在主程序中进行调用。

打开OB1，弹出LAD/STL/FBD窗口，分别调用FC1，FC2模块，如图7-15所示。

图7-15OB1块编辑

6．建立变量表

在Blocks中填加变量表（如VAL_1），如图7-16所示。

双击VAL_1，进入变量表编辑窗口，依次填加需要监视和在线修改的变量，如图7-17所示。

图7-16填加变量表

图7-17编辑变量表

（二）程序调试

第1步：

在下载之前，先打开主站的Hardware，弹出HWConfig窗口，根据实际情况，将CUP中的AI5/A02中的Inputs和Outputs量程进行相应设置（如电流4～20mA），如图7-18所示。

图7-18Inputs和Outputs量程设置

第2步：

选中Blocks中的程序块OB1，FC1，FC2，FC3，FC105，FC106，FC41，DB41，点击下载，全部下载到S7300中，如图7-19所示。

图7-19下载程序

第3步：

点开变量表可以观察相应变量的变化，也可以修改液位设定值、PID参数等变量，如图7-20所示；也可以直接监视程序的运行，即点开FC1，可以看到1～3号圆柱形容器液位的变化，如图7-21所示。

图7-20变量表的在线监视

（a）（b）

（c）

图7-21程序的在线监视

五、实现液位监控功能

（一）创建项目

打开WinCC软件，新建一个项目，取一个名字，如“S7300水箱监控界面”，如图7-22所示。

图22逻辑连接

图7-22创建WinCC项目

（二）建立WINCC与PLC的通信连接

WINCC与自动化系统之间的通信通过逻辑连接来实现。

通信驱动程序位于最高等级，也称作通道，本设计中通道选择“SIMATICS7PROTOCOLSUITE”中的“IndustrialEthernet”。

该通道单元和协议用来访问工业以太网，通信驱动程序通道如图7-23所示。

在通道单元“IndustrialEthernet”下建立到S7300控制系统的逻辑连接，如S7300plc，连接属性和参数设置如图7-24和图7-25所示。

图7-23通信驱动程序通道

图7-24连接属性对话框

（b）

图7-25连接参数设置

（三）创建变量

WINCC与S7300PLC实现数据交换是通过变量实现的，WINCC中建立的变量地址要对应PLC中的变量地址。

点中“S7300PLC”单击右键，新建变量。

如图7-26所示。

图7-26新建变量

系统实现三容液位的实时监控、参数设置和修改，需要建立一些过程变量，如比例增益，积分时间常数，微分时间常数，液位1、液位2、液位3的采样值和设定值，手动值阀门开度等。

以变量“1#液位实际值”的建立为例，说明变量的建立过程：

点击“新建变量”，修改变量属性，在名称栏输入“1#液位实际值”，在数据类型栏选择“浮点数32位IEEE754”，点“选择”进入“地址属性”，把在S7300PLC中存储1#液位实际值的MD30输入进去，属性对话框如图7-27所示。

其他需要设置的变量如上所述依次建好，系统的变量表如图7-28所示。

图7-27设置变量属性

图7-28系统所需的变量表

（四）监控界面设计

1.监控画面的创建和编辑

图形系统是用于创建并显示过程画面。

主要是通过“图形编辑器”进行画面编辑，如图7-29所示。

本系统创建了启动画面、主监控画面、PID参数设置画面等，分别如图7-30至图7-32所示。

图7-29新建画面

图7-30启动画面的编辑

图7-31液位监控界面的编辑

图7-32PID参数设置界面的编辑

在界面的编辑中，还要将图形或输入输出域与相应的变量进行连接。

图7-33为输入输出域的变量连接，图7-34为输入输出域的属性设置。

图7-33输入输出域的变量连接

图7-34输入输出域的属性设置

2.在线趋势曲线界面的设计

（1）过程值归档

双击“变量记录”，进入变量记录窗口，如图7-35所示。

在变量记录窗口中右击“归档”，选择“归档向导”设置归档名称并选择变量，如图7-36所示。

建好归档后，还可以修改归档属性及过程变量属性，如图7-37和图7-38所示。

图7-35变量记录

图7-36归档向导

图7-37归档属性设置

图7-38过程变量属性设置

（2）趋势曲线界面设计

首先进入趋势曲线界面编辑窗口，添加WINCC在线趋势控件，如图7-39所示。

双击该对象，进行属性设置，并进行变量的连接，如图7-40所示。

图7-39添加WINCC在线趋势控件

图7-40在线趋势控件的属性设置

3．各画面的链接

利用按钮的属性配置可以实现各界面的跳转和返回。

（五）调试

首先进入计算机属性对话框，选择启动按钮，将“文本库运行系统”、“变量记录运行系统”、“图形运行系统”选中并确定，如图7-40所示。

点激活图标运行系统，如图7-41所示。

各画面在线运行状态如图7-42至7-45所示。

本设计是一个双容系统，被控参数是2#容器液位值。

在线趋势界面运行结果如图7-45所示，此时2#容器液位设定值为150mm。

图7-40设置WinCC启动顺序

图7-41激活运行系统

图7-42启动画面运行状态

图7-43三容液位监控界面运行状态

图7-44PID参数设置界面运行状态

图40液位单回路PID控制的在线趋势曲线

图7-45趋势运行曲线

第三节基于Profibus的模拟锅炉液位控制系统设计

一、系统分析

系统硬件部分包括被控对象（实验室模拟锅炉系统）、S7-400控制器和PC机；采用模糊控制算法，应用Step7软件和WinCC软件编写控制和监控程序。

基于Profibus的模拟锅炉控制系统设计的主要目的是控制锅筒的液位，使之稳定在某一给定值上并具有较小的余差。

1．被控对象

图7-46实验室模拟锅炉系统

如图7-46所示，模拟锅炉系统主要由三个部分构成：

（1）变频水泵，高位恒压水塔和储水池构成的供、排水系统。

（2）由分布在三个不同层面上的四个单元所组成的被控过程，这四个单元分别是：

1）带有冷却水夹套的锅筒单元。

；2）流量检测与调节执行组合单元；3）回路的压力检测单元；4）并联双容单元。

（3）各种过程控制器，例如：

常规控制仪表，可编程控制仪表等，以及工作电源和过程控制实验操作台等。

这三个部分和四个单元之间彼此均相对独立，本系统主要针对第一个单元实现锅筒的液位控制。

装置的主要传感器和执行器型号：

①液位变送器（HM型压力变送器）

LT-3采用工业用的扩散硅压力变送器。

压力传感器用来对锅筒的液位进行检测。

主要性能指标：

型号：

PK2AAAA

量程：

5.88KPa

输出信号：

4-20mADC

电源电压：

24VDC

②电动调节阀

采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

主要技术指标：

型号：

2DY-10P-63/4

口径：

G3/4mm

压力：

1.6MPa

电源：

24VAC

输入信号：

4-20mA

阀门控制精度：

0.1%-3%可调

2．控制系统结构

系统的网络结构与本章第一节中的图7-1相同，一级主站S7400可编程控制器与二级主站PC机之间通过工业以太网通信，PC机主要有两种用途：

①系统监控。

运行WinCC监控软件用于实时监控现场情况；

②作为工程师站运行STEP7软件和WinCC软件，进行系统硬件、软件、通信组态和监控界面、趋势、报警曲线的组态。

S7400可编程控制器与分布式I/OET200之间通过Profibus总线协议连接，实时采集现场信号并发出控制指令。

系统硬件采用S7-400控制器，其各有一块16通道的DI/DO模块，两块8通道的AI模块，一块4通道的AO模块。

3．控制算法

系统采用模糊控制算法，用SIEMENS S7-400可编程序控制器的Step7软件设计一个两维模糊控制器，将控制器的模糊输出反模糊化后，化为实际输出而控制调节阀的开度，使锅筒液位达到给定值。

通过在WinCC中的参数连接与设置，实现液位运行界面的实时监测，从而获得良好的控制效果。

液位单回路控制系统方框图如图7-47所示。

+干扰

给定值+实际液位值

-

图7-47液位单回路控制系统方框图

4．预期控制目标

锅筒的液位变化范围是0—500mm，设计合适的控制器，使系统具有快速、稳定的响应曲线，超调量应该小于20%，系统的调节时间为5s左右。

当系统发生扰动时，被控液位能快速恢复到原来所给定的液位值。

二、系统网络及硬件组态

STEP7软件可以在Windows95/98/2000或WindowsNT环境下运行。

现在STEP7V5.3软件可以在WindowsXP环境下运行。

STEP7软件是SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，应用STEP7软件可以方便地构造和组态PROFIBUS-DP网络。

系统控制器S7-400站的硬件构成如表7.1所示：

表7.1S7-400站的系统硬件

硬件名称

订货号

说明

RACK-400

1P6ES7400-1JA01-0AA0

S7400机架

PS40710A

407-0KA01-0AA0

电源模块

CPU414-3

414-3XJ00-0AB0V3.0

CPU模块

CP443-1

443-1EX11-0XE0V2.3

MAC：

08-00-06-6F-37-D1

通讯模块

CP443-5EXT

443-5DX03-0XE0V4.0

通讯扩展模块

SIMATICET200M

153-1AA03-0XB0

分布式I/O从站

SM321DI16XDC24V

321-1BH02-0AA0

数字量输入模块

SM322D016XDC24V/0.5A

322-1BH01-0AA0

数字量输出模块

SM331AI8X12BIT

331-7KF02-0AB0

模拟量输入模块

SM331AI8X12BIT

331-7KF02-0AB0

模拟量输入模块

SM332A04X12BIT

332-5HD01-0AB0

模拟量输出模块

1．设置PG/PC接口

在SIMATICManager主界面，点击“选项”菜单，在下拉文本框中选择“设置PG/PC接口”，如图7-48所示，在弹出的对话框中，选择参数为：

ISOInd.Ethernet→RealtekRTL8139（A）PCIFastEthernetAdapter。

图7-48设置PG/PC接口

2．硬件组态

在Step7组态界面HWConfig中顺序插入“机架”→“电源模块”→“CPU模块”→“以太网通讯模块”→“设置MAC地址”→“数字量、模拟量输入输出模块”→“修改模拟量输入/输出模块属性”→“存盘编译”→“下载”。

组态的系统硬件如图4-49所示，网络总览图如图4-50所示。

图7-49硬件组态图

图7-50网络总览

三．系统控制软件组态

1．建立变量表和符号表

表7.2是系统用到的I/O分配和变量表。

表2I/O分配和变量使用

地址

说明

数据类型

M0.1

进水电磁阀动作VD1

BOOL

M0.2

出水电磁阀动作VD2

BOOL

M0.3

停止电磁阀VD-STOP

BOOL

M0.4

手自动开关

BOOL

M0.5

置1，自动调节

BOOL

M0.6

上限报警

BOOL

M0.7

下限报警

BOOL

Q0.0

进水电磁阀

BOOL

Q0.1

出水电磁阀

BOOL

PIW516

锅筒液位数字量

INT

PIW522

进水流量数字量

INT

PIW524

出水流量数字量

INT

PQW512

进水阀输出

INT

PQW514

出水阀输出

INT

MD20

锅筒液位实际值

REAL

MD94

进水流量实际值

REAL

MD124

出水流量实际值

REAL

MD78

进水阀开度

REAL

MD86

出水阀开度

REAL

MD82

出水阀门操作量

REAL

MD90

进水阀门操作量

REAL

图7-51和图7-52分别是软件组态时所设置的符号表和变量表。

图7-51符号表

图7-52变量表

2．控制算法的实现

（1）主程序

在OB1里，主要实现了锅筒液位输入信号、进水流量信号的量程转换，如图7-53所示；进水阀门输出信号的量程转换，如图7-54所示；阀门的手自动切换程序，上下限报警程序等，如图7-55、7-56所示。

图7-53锅筒液位和进水流量量程转换

图7-54进水阀输出

图7-55进水调节阀手自动切换

图7-56上限报警

（2）模糊控制编程

在实际应用中，用PLC构成模糊控制器有两种方式。

一种是使用专用的PLC控制单元，用户可以在PLC的上位计算机上安装模糊支持软件，用户不需要专门的编程工具就能对模糊单元编程、建立知识库，并且还可以再线监视模糊单元的运行状况。

显然，采用了这种专门的模糊单元方便了用户。

模糊控制器的另一种组成方式是采用与数字控制器的相同的硬件结构，用PLC等来组成硬件部分，而在软件上用模糊算法取代