THPFABCD型实验指导书.docx
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THPFABCD型实验指导书
第一章 概 述
随着微处理器，计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。
当前用于工业控制的计算机可分为:
可编程控制器,基于PC总线的工业控制计算机,基与单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等。
可编程控制器（PLC）是应用广泛,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,已成为当代工业自动化的重要支柱。
西门子S7-300/400系列大中型PLC属于模块式PLC，主要由机架、电源模块、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、和编程设备组成，各种模块安装在机架上。
通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上去，可以与计算机、其他PLC或其他控制器通信。
本系统所配实验对象能完成温度PID控制，过程控制（双容水箱），二维运动控制，较复杂光机电气一体化组合控制（包含材料分拣、气动机械手、分类存储）等；融机械机构、气动技术、运动控制技术、过程控制技术、电气控制技术、传感器技术、可编程控制器技术、现场总线、以太网、计算机控制、组态监控技术、信息技术应用充分结合为一体的教学网络系统。
第二章西门子PLC简介
西门子S7-300/400系列大中型PLC是西门子全集成自动化系统中的控制核心，其主要由以下模块或部件构成：
机架
S7-300所用机架为通用机架，无电路设计，可方便的将S7-300PLC挂置于各种工业现场中。
S7-400机架用于连接S7-400各模块，其上设计有P总线（I/O总线）和C总线（通信总线），控制和通信分别存在于各自的总线通道上，两者互不干扰。
电源模块
PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V电压和背板上的DC5V电压，供其它模块使用。
CPU模块
CPU模块主要由微处理器和存储器组成。
在PLC控制系统中，CPU模块不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用于存储程序和数据。
信号模块
信号输入模块和信号输出模块统称为信号模块，他是连接外部现场设备和CPU模块的桥梁和纽带。
开关量输入模块用来接收按钮、开关、接近开关、光电开关等输入的开关量信号；开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯、显示装置等；模拟量输入模块用来接收电位器、信号发生器等各种变送器输出的模拟量电压或电流信号；模拟量输出模块用来输出连续变化的电压或电流信号去控制各种工业现场的设备，如变频器、电动调节阀等。
功能模块
功能模块可用以完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务，这样做可增强PLC的控制功能，减轻CPU的工作负担。
接口模块
CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个中央机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。
接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，甚至为扩展机架供电。
通信处理器
通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者实现点对点通信等。
编程设备
S7-300/400使用了安装了STEP7的计算机作为编程设备。
用户程序及组态在STEP7中编译完成后下载至PLC中；另外，STEP7还具有对网络进行实时监控和故障诊断功能。
第三章西门子工业网络简介
可编程序控制器与计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。
各可编程序控制器或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场进行分散控制，然后用网络连接起来，构成集中管理的分布式网络系统。
一个典型的工业自动化系统一般是三级网络结构，分别是现场设备层、车间监控层、工厂管理层。
1.现场设备层
现场设备层的主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。
2.车间监控层
车间监控层是用来完成车间之间主生产设备之间的连接，实现车间级设备的监控。
可采用PROFIBUS-FMS或工业以太网。
3.工厂管理层
工厂管理层作为一个自动化工厂的神经中枢，有着最高的监视级别和控制级别。
工厂管理层通常采用TCP/IP通信协议标准。
具体结构如下图所示：
S7-300/400的常用网络通信如下
1.MPI
MPI是多点接口（MultiPointInterface）的简称，S7-300/400CPU都集成了MPI通信协议，MPI的物理层是RS-485，最大传输速率为12Mbit/s。
PLC通过MPI能同时连接运行STEP7的编程器、计算机、人机界面（HMI）等。
2.现场总线PROFIBUS
它是用于车间级和现场级的国际标准，传输速率最大为12Mbps，响应时间的典型值为1ms，使用屏蔽双绞线电缆（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可接127个从站。
PROFIBUS由3个系列组成：
PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。
PROFIBUS-DP特别适用于可编程序控制器与现场级分散的远程I/O设备之间的快速数据交换通信，即插即用。
使用编程软件STEP7，可对网络设备组态或设置参数。
西门子的S7系列可编程序控制器有的配备有集成的PROFIBUS-DP接口，也可以通过接口模块或通信处理器连接到PROFIBUS-DP。
可将多条PROFIBUS-DP线路通过集成的接口或接口模块连接到一个可编程序控制器。
3.工业以太网
它是基与国际标准IEEE802.3的开放式网络。
以太网可实现管理-控制网络的一体化，可集成到因特网，为全球联网提供了条件。
网络规模可达1024站，距离可达.5km（电气网络）或200km（光纤网络）。
工业以太网将控制网络集成到信息技术（IT）中，可与使用TCP/IP协议的计算机传输数据，可使用E-mail和Web技术，用户可在工业以太网的Socket接口上编制自己的协议，可在网络中的任何一点进行设备启动和故障检查，冗余网络可构成冗余系统。
西门子可提供以太网通信模块或通信处理器，远程访问路由器可在广域网连接的两个以太网之间实现远程通信。
4.AS-i接口
AS-i是传感器和执行器通信的国际标准（EN50295），响应时间小于5ms，使用未屏蔽的双绞线，由总线提供电源，最长通信距离为30m，最多接62个从站。
第四章西门子软件简介
第一节STEP7
Step7编程软件用于SIMATICS7、M7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。
为了在个人计算机上正常使用Step7，应配置MPI通信卡或PC/MPI通信适配器，将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，来下载和上载PLC的用户程序和组态数据。
Step7具有以下功能：
硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。
Step7所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标或选中某一对象，按F1键就可以得到该对象的在线帮助。
在Step7中，用项目管理器来管理一个自动化系统的硬件和软件。
Step7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理。
以下为创建一个示例项目的过程：
（一）项目管理及应用
1.生成项目
1）双击桌面上的“SIMATICManager”图标，则会启动STEP7管理器及STEP7新项目创建向导，如下图所示。
（如不出现，则需在下拉菜单“File”中选择“Newprojectwizard”）。
2）按照向导界面提示，点击“NEXT”，选择好CPU型号（本示例选择的CPU型号为CPU315-2DP）,设置CPU的MPI地址为2，点击“NEXT”，在出现的界面中选择好你所熟悉的编程语言（有梯形图LAD、编程指令STL、流程图FBD等可供选择），点击“Finish”，项目生成完毕，启动后STEP7管理器界面如下图所示。
2.组态硬件
硬件组态的主要工作是把控制系统的硬件在STEP7管理器中进行相应地配置，并在配置时对模块的参数进行设定。
1）
鼠标左键单击STEP7管理器左边窗口中的“SIMATIC300Station”项，则右边窗口中会出现“Hardware”和“CPU315-2DP
（1）”两个图标，双击图标“Hardware”，打开硬件配置窗口如下图所示。
整个硬件配置窗口分为四部分，左上方为模块机架，左下方为机架上模块的详细内容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具体某个模块的功能说明和订货号。
2）要配置一个新模块，首先要确定模块放置在机架上的什么地方，再在硬件列表中找到相对应的模块，双击模块或者按住鼠标左键拖动模块到安放位置，放好后，会自动弹出模块属性对话框，设置好模块的地址和其他参数即可。
3）按照上面的步骤，逐一按照实际硬件排放顺序配置好所有的模块，编译通过后，保存所配置的硬件。
4）点击“开始\设置\控制面板”,鼠标左键双击控制面板中的“SetPG/PCInterface”图标，选择好你的PC机和CPU的通讯接口部件后点击“OK”按钮退出。
（通信设置详见第二部分通信组态）
5）
把控制系统的电源打开，把CPU置于STOP或者RUN-P状态，回到硬件配置窗口，点击图标，下载配置好的硬件到CPU中，把CPU置于RUN状态（如果下载程序时CPU置于RUN-P状态，则可省略这一步），如果CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯，表明硬件配置正确。
6）
如果CPU的SF灯亮，则表明配置出错，点击硬件配置窗口中图标，则配置错的模块将有红色标记，反复修改出错模块参数，保存并下载到CPU，直到CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯为止。
3.程序结构
配置好硬件之后，回到STEP7管理器界面窗口，鼠标左键单击窗口左边的“Block”选项，则右边窗口中会出现“OB1”图标，“OB1”是系统的主程序循环块，“OB1”里面可以写程序，也可以不写程序，根据需要确定。
STEP7中有很多功能各异的块，分别描述如下：
1）组织块（OganizationBlock,简称OB）。
组织块是操作系统和用户程序间的接口，它被操作系统调用。
组织块控制程序执行的循环和中断、PLC的启动、发送错误报告等。
你可以通过在组织块里编程来控制CPU的动作。
2）功能函数块（FunctionBlock,简称FB）。
功能函数块为STEP7系统函数，每一个功能函数块完成一种特定的功能，你可以根据实际需要调用不同的功能函数块。
3）函数（Function,简称FC）。
函数是为了满足用户一种特定的功能需求而由用户自己编写的子程序，函数编写好之后，用户可对它进行调用。
4）数据块（DataBlock,简称DB）。
数据块是用户为了对系统数据进行存储而开辟的数据存储区域。
5）数据类型（DataType,简称UDT）。
它是用户用来对系统数据定义类型的功能模块。
6）变量标签（VariableTable,简称VAT）。
用户可以在变量标签中加入系统变量，并对这些变量加上用户易懂的注释，方便用户编写程序或进行变量监视。
如果你要加入某种块，可在右边窗口（即出现“OB1”的窗口）空白处单击鼠标右键选择“InsertNewObject”选项，在其下拉菜单中鼠标左键单击你所要的块即可。
添加好了你所要的块之后就是程序编写了，鼠标左键双击你所要编写程序的块即可编写程序了（编写程序的指令和语法可参考SIEMENSA&D网站上的《S7-300CPU31xc指令表》一书）。
程序写好并编译通过之后点击STEP7管理器界面窗口中的图标,下载到CPU中，把CPU置于RUN状态即可运行程序。
（二）通信组态
1.通过CP5611网卡通信
1）CP5611的安装
CP5611卡没有随硬件提供的软件驱动，如果在安装Step7软件之前，CP5611已经安装在计算机内，那么在安装Step7软件的“SetPG/PCInterface…”时软件会自动识别CP5611卡，并且会自动安装其驱动程序，Step7软件安装完成后可以在“SetPG/PCInterface…”中找到CP5611的接口类型，如果在安装完Step7软件后才在计算机的PCI插槽上安装CP5611卡，那么重新启动计算机后，系统会自动找到CP5611，并自动安装，安装完成后启动Step7软件，在“SetPG/PCInterface…”中可以找到CP5611相关接口选项，具体画面如下：
点击按钮，可以看到CP5611已经安装，画面如下：
2）CP5611在Step-7软件中的选择和设置
首先说明使用CP5611建立与CPU的通讯时，必须使用MPI电缆或是Profibus电缆作为CPU与CP5611的连接电缆。
a.
打开“SIMATICManager”，点击“Options”，在下拉菜单中找到“SetPG/PCInterface…”，画面如下：
b.
选此时S7ONLINE（STEP7）->为CP5611（MPI），然后点击 按钮设置MPI的属性，画面如下：
设置MPI接口属性，选择MPI接口的通讯波特率，
注意：
此处的波特率一定要和实际要通讯的CPUMPI口实际的波特率相同，同时要注意PG/PC的地址不要和PLC的地址相同。
使用电缆连接好CPU与CP5611后可以判断是能够找到网络上的站点，点击
按钮，进入网络诊断画面然后点击 按钮，可以看到网络上的站点，显示画面如下：
c.设置完成后点击2次“OK”，Step7会提示如下信息
点击“OK”完成PG/PCInterface的设置，此时可以建立PC与CPU的通讯，正常通讯时CP5611卡的指示灯快闪。
2.通过PC\MPI通信电缆通信
通过PC\MPI通信电缆通信时，硬件只需用通信电缆的接口连接PC的COM口和PLC的MPI口即可。
Step7软件设置
a.进入Step7编程软件主界面，点击“OPTIONS”菜单下的“SETPG/PCINTERFACE”
b.菜单进入PG/PC设置界面。
c.双击“PCADAPTER（AUTO）”或“ADAPTER（MPI）”进入RS232和MPI接口参数设置。
d.单击“LOCALCONNECTION”选项设置RS232接口参数，正确连接PC的COM口（RS232），选择RS232通信的波特率19200bps或38400bps，这个数值必须和PC/MPI适配器上开关设置的数值相同（拨动开关后必须重新上电后方能生效）。
e.单击“MPI”选项（如果是ADAPTER（MPI）方式）设置适配器MPI接口参数，由于适配器的MPI口的波特率固定为187.5Kbps，所以这里只能设置为187.5Kbps。
如果是PCADAPTER（AUTO）模式，则选择“ADDRESS：
0”和“TIMEOUT：
30s”。
完成以上设置后即可与PLC通信了，
注意：
不要修改（在网络设置“NETWORKSETTINGS”选项下）CPU上MPI口波特率的出厂默认值187.5Kbps。
注：
STEP7的具体操作规程参见其操作手册（用户自备）。
第二节WinCCV6.0
西门子视窗控制中心SIMATICWinCC是HMI/SCDADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国ControlEngineering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在全世界范围内成功的SCADA系统。
WinCC6.0采用MicrosoftSQLServer2000数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能。
是现代MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。
（一）性能特点
1.创新软件技术的使用。
WINCC是基于最新发展的软件技术。
西门子公司与Microsoft公司的密切合作保证了用户获得不断创新的技术。
2.包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统。
即使最基本的WINCC系统仍能够提供生成复杂可视化任务的组件和函数，并且生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器也是最基本的WINCC系统组件。
3.可灵活裁剪，由简单任务扩展到复杂任务。
WINCC是一个模块化的自动化组件，既可以灵活地进行扩展，从简单的工程到复杂的多用户应用，又可以应用到工业和机械制造工艺的多服务器分布式系统中。
4.众多的选件和附加件扩展了基本功能。
已开发的、应用范围广泛的、不同的WINCC选件和附加件，均基于开放式编程接口，覆盖了不同工业分支的需求。
5.使用MicrosoftSQLServer2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库，可以使用ODBC,DAO,OLE-DB,WinCCOLE-BD和ADO方便地访问归档数据。
6.强大的标准接口（如OLE,ActiveX和OPC）。
WinCC提供了OLE,DDE,ActiveX,OPC服务器和客户机等接口或控件，可以很方便地与其他应用程序交换数据。
7.使用方便的脚本语言。
WINCC可编写ANSI-C和VisualBasic脚本程序。
8.开放API编程接口可以访问WINCC的模块。
所有的WINCC模块都有一个开放的C编程接口（C-API）。
这意味着可以在用户程序中集成WINCC的部分功能。
9.具有向导的简易（在线）组态。
WINCC提供了大量的向导来简化组态工作。
在调试阶段还可进行在线修改。
10.可选择语言的组态软件和在线语言切换。
WINCC软件是基于多语言设计的。
这意味着可以在英语、德语、法语以及其他众多的亚洲语言之间进行选择，也可以在系统运行时选择所需要的语言。
11.提供所有的主要PLC系统的通讯通道。
作为标准，WINCC支持所有连接SIMATICS5/S7/505控制器的通讯通道，还包括PROFIBUSDP,DDE和OPC等非特定控制器的通讯通道。
此外，更广泛的通讯通道可以由选件和附加件提供。
12.与基于PC的控制器SIMATICWINAC紧密接口，软/插槽式PLC和操作、监控系统在一台PC机上相结合无疑是一个面向未来的概念。
在此前提下，WINCC和WINAC实现了西门子公司基于PC的、强大的自动化解决方案。
13.全集成自动化TIA（TotallyIntegratedAutomation）的部件。
TIA集成了西门子公司的各种产品包括WINCC。
WINCC是工程控制的窗口，是TIA的中心部件。
TIA意味着在组态、编程、数据存储和通讯等方面的一致性。
14.SIMATICPCS7过程控制系统中的SCADA部件，如SIMATICPCS7是TIA中的过程控制系统；PCS7是结合了基于控制器的制造业自动化优点和基于PC的过程工业自动化优点的过程处理系统（PCS）。
基于控制器的PCS7对过程可视化使用标准的SIMATIC部件。
WINCC作为PCS7的操作员站。
15.符合FDA21CFRPart11的要求。
16.集成到MES和ERP中。
标准接口使SIMATICWINCC成为在全公司范围IT环境下的一个完整部件。
这超越了自动控制过程，将范围扩展到工厂监控级，为公司管理MES制造执行系统和ERP（企业资源管理）提供管理数据。
（二）系统构成
WINCC基本系统是很多应用程序的核心，它包含以下九大部件：
1.变量管理器
变量管理器（tanmanagement）管理WINCC中所使用的外部变更、内部变量和通讯驱动程序。
2.图形编辑器
图形编辑器（graphicsdesigner）用于设计各种图形画面。
3.报警记录
报警记录（alarmlogging）负责采集和归档报警消息。
4.变量归档
变量归档（taglogging）负责处理测量值，并长期存储所记录的过程值。
5.报表编辑器
报表编辑器（reportdesigner）提供许多标准的报表，也可设计各种格式的报表，并可按照预定的时间进行打印。
6.全局脚本
全局脚本（globalscript）是系统设计人员用ANSI-C及VisualBasic编写的代码，以满足项目的需要。
7.文本库
文本库（textlibrary）编辑不同语言版本下的文本消息。
8.用户管理器
用户管理器（useradministrator）用来分配、管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。
9.交叉引用表
交叉引用表（cross-reference）负责搜索的画面、函数、归档和消息中所使用的变量、函数、OLE对象和ActiveX控件。
（三）组态工程
WINCC项目管理器是组态软件的核心，对整个项目的数据组态和设置进行全面的管理。
开发和组态一个项目时，使用WINCC项目管理器中的各个编辑器建立项目使用不同的元件。
其开发和组态一个项目的步骤如下：
1.启动WINCC
2.建立一个新项目
3.选择及安装通讯驱动程序
4.定义使用到的变量
5.建立和编辑过程画面
6.指定WINCC运行系统的属性
7.激活WINCC画面，运行工程
注：
WINCC的具体操作规程参见其操作手册（用户自备）。
第五章实验项目
实验一西门子S7-400PLC的认识
一、实验目的
1.了解西门子S7-400PLC的结构和功能
2.掌握西门子S7-400PLC的基本操作方法。
二、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
实验装置
S7-400PLC实验系统
1
2
导线
3号
若干
3
实验指导书
1
三、S7-400硬件结构示意图
S7-400是具有中高档性能的PLC产品，其采用模块化设计，适用于可靠性极高的大型复杂的控制系统。
本系统中的西门子S7-400硬件系统由以下组件构成：
电源模块：
PS407，通过底板为CPU、数字量输入输出模块、通信模块供电；
后备电池：
用于在断电状态下，为S7-400PLC保存数据提供电力支持；
S7-400CPU：
CPU412,带有MPI/PROOFIBUS-DP组合通信接口；
SM421数字量输入模块：
集成32路数字量输入；
SM422数字量输出模块：
集成16路数字量输出；
CP443-1以太网模块：
具备15针Sub-D插座及RJ45插座，用于将S7-400PLC连接至以太网；
UR2机架：
9槽机架，具备K总线及P总线；
PC/MPI电缆：
连接编程机与S7-400PLC，用于下载程序及通信参数。
四、实验步骤
1.找到UR2通用机架，记录其订货数据，打开前盖板，找到P总线和C总线。
P总线用于I/O信号的高速交换和对信号模块数据的高速访问。
C总线（通信总线，亦称Ｋ总线），用于交换各站之间的高速数据。
在一个机架上把两种通信线路分开可以使控制和通信分别有各自的数据通道，使通信任务不会影响控制的快速性。
2.将电源模块，CPU模块、SM421数字量输入模块、SM422数字量输出模块、CP443-1以太网通信模块依次插入机架的槽位中（从1号槽开始），记录各个模块所占槽位的起始地址与所占槽位个数。
用一字螺丝刀将模块的紧定螺丝
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