基于S7300控制系统的A3000实验和测试培训V1M7D

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1、基于S7-300 PLC控制系统A3000实验和测试培训北京华晟高科教学仪器有限公司2006-6前 言基于S7-300 PLC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、S7-300 PLC控制系统。2、S7-300 PLC控制系统编程。3、S7-300 PLC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

2、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。基于S7-300控制系统的A3000实验和测试培训目录第一章 西门子S7-300 PLC11.1 S7-300 PLC简介11.1.1 S7-300 PLC系统组成11.1.2系统功能特性21.1.3 LED指示灯41.2 控制系统设置和初始化61.2.1 CPU 313C-2DP71.2.2 数字量输入输出模块91.2.3 SM334模拟量输入输出模块111.3 控制器信号连接和操作161.

3、3.1 面板接线161.3.2 控制系统运行时接线18第二章 控制器编程软件概述12.1 软件的安装与简介12.1.1 STEP7的安装12.1.2 STEP7的硬件接口52.1.3 STEP7的授权52.1.4 STEP7的编程功能52.1.5 STEP7的硬件组态与诊断功能62.2 控制器编程72.2.1 创建工程72.2.2 通信设置102.2.3 硬件组态122.2.4 程序编写132.2.5 程序调试182.3简洁快速的操作和使用现有程序22第三章 控制器编程详细范例263.1单容液位调节阀PID单回路控制263.2 范例的控制器编程273.2.1 创建工程273.2.2 程序编写3

4、53.2.4 编译下装项目633.2.5 调试工程643.3 范例的组态软件编程643.3.1 WINCC对控制器的设备组态643.3.2 WINCC定义数据变量673.3.3 MCGS对控制器的设备组态723.3.4 MCGS定义设备通道数据变量743.3.5 组态王对控制器的设备组态793.3.6 组态王定义数据变量833.4 范例的操作过程和调试843.5 范例测试结果及记录86第四章 范例控制程序884.1 培训范例说明884.1.1控制和组态程序数据词典884.1.2 控制算法和编程范例894.2 单回路PID范例程序PID894.3 比值控制范例程序Prop914.4 串级控制范例

5、程序Series934.5 前馈反馈控制范例程序Preced954.6 解藕控制范例程序Decouple97第五章 S7-PLCSIM仿真软件1025.1 S7-PLCSIM的主要功能1025.2 快速入门1035.3 视图对象1055.4 仿真软件的设置与存档1075.5 应用举例1085.5.1 仿真PLC通道监控1085.5.2 程序调试1125.6 仿真PLC与实际PLC的区别115北京华晟高科教学仪器有限公司 第 II 页 第一章 西门子S7-300 PLC测试平台基本上适应所有的控制系统。本书介绍西门子S7-300 PLC。CPU为313C-2DP，几乎所有内容同样适用于312C，

6、315-2DP。1.1 S7-300 PLC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

7、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。1.1.1 S7-300 PLC系统组成SIMATIC S7-300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CPU 313C-2DP集成了数字量输入和输出，以及PROFIBUS DP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

8、/输出。 负载电源模块 (PS) ：用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230V AC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：S7-300 PLC控制系统包含电源模块PS307、中央处理器CPU 313C-2DP、模拟量I/O模块SM334。其中C

9、PU 313C-2DP自带16DI/16DO，内含40针前连接器一个，配一个64k存储卡。SM334内含20针前连接器一个。如图1.1.1。 图1.1.1 S7-300 CPU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CP342 DP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S7-300 PLC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

10、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

11、占用，信号模块、功能模块或通信处理器使用411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1.1.2 S7-300 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

12、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STEP 7 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。STEP 7 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。STEP 7 是用于SIMATIC PLC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。STEP 7 主要包括以下组件： SIMATIC管理器，用于集中管理所有工具以及自动化项目数据。 程序编辑器，用于以LAD、FBD和STL语言生成用户程序。 符号编辑器，用于管理全局变量。 硬件组态，

13、用于组态和参数化硬件。 硬件诊断，用于诊断自动化系统的状态。 NetPro，用于组态MPI和PROFIBUS等网络连接。STEP 7 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。1.1.3 LED指示灯S7-300 PLC的CPU面板有6个LED指示灯。 LED指示S7-300 PLC的操作状态, 说明如下: (1) SF： （红色）

14、 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SIMATIC S7硬件提供有LED诊断功能。这些LED可以使用三种颜色：l 绿色LED

15、表示正常运行（例如通电时）。l 黄色LED表示特殊的运行状态（例如强制时）。l 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1.1.1 S7-300 PLC状态和故障显示SF LED故障评价（软件错误）如表1.1.2所示。表1.1.2 S7-300 PLC SF LED故障评价（软件错误）SF LED故障评价（硬件故障）如表1.1.3所示。表1.1.3 S7-300 PLC SF LED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

16、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。S7-300 CPU 313C-2控制器配置为：16DI/16DOxDC24V、Flash EPROM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PS307 2A，模拟量模块为SM334 4AI/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

17、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STEP 7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。1.2.1 CPU 313C-2DPCPU内的原件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，

18、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64k Flash EPROM微存储器卡（简称为MMC），用于掉电后程序和数据的保存。CPU 313C-2DP的面板如图1.2.1所示。图1.2.1 CPU 313C-2DP 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

19、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

20、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，STOP LED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，STOP LED以2 Hz的频率至少闪动3s

21、，表示正在执行复位，最后STOP LED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，STOP LED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Flash EPROM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

22、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CPU 313C-2DP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、PGPC（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），PL

23、C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。6) CPU模块上集成数字量I/OCPU 313C-2DP上集成有16DI/16DO数字量输入输出端子。CPU312C集成有10DI/6DO数字量输入输出端子。对于A3000远远足够。而CPU315没有集成任何IO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

24、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。CPU 313C-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

25、压为AC 120V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，DC 24V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DC 24 V的输人模块。交流输人方式适合于在有油

26、、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

27、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。CPU 313C-2DP和CPU312C集成的是晶体管型输出模块，只能驱动直流负载。输出信号经光电耦合器送给输出元件

28、，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。1.2.3 SM334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（Anal

29、og/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

30、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“L PIW”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STEP 7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

31、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020mA，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4.95.1mA。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

32、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010V020mA上溢出118.515%327677FFFH11.852V23.70mA超出范围117.589%325117EFFH11.759V23.52mA正常范围100.000%276486C00H10V20mA20%553

33、0159AH2V4mA0%00H0V0mA低于范围-17.593%-4864ED00H-3.52mA表1.2.1 SM334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1.2.6 SM334 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010V，020mA负载阻抗电压输入100k，电流输入50分辨率8位运行极限电压0.

34、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5ms7）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420mA，模拟量输入模块的量程为420mA，转换后的数字量为027648。设转换后得到的数字为N，求以kPa为单位的压力值。解：010Mpa（0 10 000kPa）对应于转换后的数字027 648，转换公式为P = 10 000 N / 27 648 kPa【例】变送器满量程120Kpa，信号为420mA，

35、模拟量输入模块将020mA转换为数字027 648，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5 53027 648，即0-120KPa对应于数字量5 53027 648，压力的计算公式应为：P = 120*(N-5530)/(27648-5530) = 120*(N-5530)/221182、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

36、未通电时输出一个 0 mA 或 0 V 的信号。在处于RUN模式，模块有 DC 24 V 电源，且在参数设置之前，将输出前一数值。进入STOP模式、模块有 DC 24 V 电源时，可以选择不输出电流电压、保持最后的输出值或采用替代值。在上下溢出时模块的输出值均为0。模拟量输出通道的转换时间由内部存储器传送数字输出值的时间和数字量到模拟量的转换时间组成。循环时间 tZ 是模拟量输出模块所有被激活的模拟量输出通道的转换时间的总和。应关闭没有使用的模拟量通道，以减少循环时间。建立时间 tE 是指从转换结束到模拟量输出到达指定的值的时间，它与负载的性质（阻性负载、容性负载或感性负载）有关。模块的技术规

37、范给出了模拟量输出模块的建立时间与负载之间的函数关系。响应时间 tA 是指内部存储器中得到数字量输出指导模拟量输出达到指定值的时间，如图xxxx，在最坏的情况下，该时间为循坏时间 tZ 和建立时间 tE 之和。3）SM334的模拟量输出技术参数如表2.2.4所示。表2.2.4 模拟量输出技术参数输出点数2输出范围010V，020mA负载阻抗电压输出最小5k，电流输出最大300分辨率8位（有电流信号输出），10位（无电流信号输出）转换时间每通道最大0.5ms运行极限电压0.8%，电流1.0%基本误差限制电压0.4%，电流0.8 %扫描时间（AI+AO）所有通道5ms4）模拟量输出模块与负载或执行

38、器的接线模拟量输出模块为负载和执行器提供电流和电压，模拟信号应使用屏蔽电缆或双绞线电缆来传送。电缆线QV和S+，MANA和S-应分别绞接在一起，这样可以减轻干扰的影响，应将电缆两端的屏蔽层接地。如果电缆两端有电位差，将会在屏蔽层中产生等电动势连接电流，干扰传输的模拟信号。在这种情况下应将电缆屏蔽层一点接地。1.3 控制器信号连接和操作控制器的信号直接连接到面板上，通过插孔和锁紧连结线连接到现场系统的IO上。计算机和S7300通过2种方式连接：计算机串口和S7300 CPU上的MPI接口之间用MPI电缆连接；或者计算机安装DPCP5611卡后，通过DP电缆将计算机和CPU的MPI接口或DP接口连

39、接。1.3.1 面板接线S7-300 PLC控制系统IO接口图如图1.3.1所示，其中DICOM接24V，DOCOM接GND。图1.3.1 SoFT-PLC面板图对应的S7-300 PLC面板接线如图1.3.2所示。图1.3.2 S7-300 PLC端子图注意：由于S7-300的电源可能使用PS307电源，而各个传感器和变送器使用了专门的24V开关电源，所以两个电源需要共地，否则可能测量不准确。这里把24VDC地线接到开关电源的V-上。其中，DOCOM连接了GND，DICOM连接24V，现场的干接点闭上时，输入为0，否则为1。数字量输出1时，外部负载动作。MPI/PC是适配器插入到左边的X1口

40、上。如果使用CP5611，则插入到X2口上。其他模块的连线和这里类似，具体可以参考S7-300的电子文档。1.3.2 控制系统运行时接线以单容液位调节阀控制为例，连接如图1.3.3所示。IO面板+ -S7-300控制面板下水箱液位调节阀控制+ -AI0+ AI0-AO0+ AO0-图1.3.3 运行接线数字系统接线如图1.3.31所示。S7-300控制面板IO面板低限 高限 DICOMDI0 DI1 DICOM DO0 DO1 DO2 DO3 DO4 DO5 DOCOM电磁阀1 电磁阀2 DOCOM图1.3.4 数字系统接线北京华晟高科教学仪器有限公司 第 115 页第二章 控制器编程软件概述

41、在测试平台的计算机中，可能配置了如下软件：1、Windows XP操作系统2、组态软件：组态王，WINCC或MCGS。3、控制软件：STEP7 V5.2软件。4、仿真软件S7-PLCSIM。5、控制器实验软件、组态实验软件和多媒体软件。本章简单介绍了软件的安装，以及软件使用的大致过程，不涉及非常具体的操作。从而让读者有一个大致的认识。2.1 软件的安装与简介STEP 7 编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAc，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。本书对STEP 7操作的描述，都是基于STEP 7 V5.2版的。为了在个人计算机上使用STEP 7，应配置MPI通信

42、卡或PCMPI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。STEP 7允许两个或多个用户同时处理一个工程项目，但是禁止两个或多个用户同时写访问。STEP 7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。STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1键可以得到该对象的在线帮助。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAc的数据。实现STEP7

43、各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。STEP 7中的转换程序可以转换在STEP 5或TISOFT中生成的程序。2.1.1 STEP7的安装1）执行stp7 V5.2安装盘根目录下的Setup.exe。如出现图2.1.1的错误信息，请重新启动计算机。或者创建一个新的Window 管理员级别（administrator）账户，在新账户里安装。如果还无法安装，请进入Window安全模式安装（安全模式安装需具备相应计算机软件知识）。图2.1.1 安装Step 7的出错信息2）下一步，选择需要安装的项目，建议选择全部安装。如图2.1.2所示图2.1.2 选择安装项目3）按提示逐步

44、安装所有项目。根据计算机性能的不同，需要半小时到一个半小时左右时间，安装时请耐心等待。如图2.1.3到图2.1.7所示。图2.1.3 逐步安装所有项目图2.1.4 选择安装模式通常选Typical即可。图2.1.5 选择语言图2.1.6 存储卡参数设置直接点OK。图2.1.7 通讯接口设置选择左边的PC Adapter，Install。如果使用CP5611通讯，则选中CP5611，Install。PC/PPI是计算机与控制器的点对点通讯方式，例如S7-200通常使用的就是这种通讯方式，用PC/PPI电缆将计算机COM口与S7-200的PPI通讯口连接使用。PC Adapter支持MPI和PRO

45、FIBUS两种通讯方式，例如S7-300使用MPI通讯方式时，用MPI电缆将计算机COM口与S7-300的MPI通讯口连接使用。CP5611卡可以将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络。如果采用这种方式，需要安装CP5611卡驱动程序。安装完成，需要启动计算机，如图2.1.8所示。图2.1.8 安装完毕后重新启动2.1.2 STEP7的硬件接口PC/MPI适配器用于连接安装了STEP 7的计算机的RS232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2 kbit/s或384 kbit/s，PLC一侧的通信速率为192 kbit/s1.5 Mbit/s。除了PC适配器，还需要一根

46、标准的RS 232C通信电缆。使用计算机的通信卡CP 5611（PCI卡）、CP 5511或CP 5512（PCMCIA卡），可以将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，通过网络实现计算机与PLC的通信。也可以使用计算机工业以太网通信卡CP 1512（PCMClA卡）或CP 1612（PCI卡），通过工业以太网实现计算机与PLC的通信。在计算机上安装好STEP 7 后，在管理器中执行菜单命令“Option” “Setting the PG/PC Interface”，打开“Setting PG/PC Interface”对话框。在中间的选择框中，选择实际使用的硬件接口。单击“Select”

47、按钮，打开“Install/Remove Interfaces”对话框，可以安装上述选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序。单击“Properties”按钮，可以设置计算机与PLC通信的参数。2.1.3 STEP7的授权使用STEP 7 编程软件时需要产品的特别授权（用户权），STEP 7 与可选的软件包需要不同的授权。没有授权也可以使用STEP 7，以便熟悉用户接口和功能，但是在使用时每隔一段时间将会搜索授权，提醒使用者安装授权，只有安装了授权才能有效地使STEP 7工作。有关授权内容请看相关技术文件。2.1.4 STEP7的编程功能1) 编程语言STEP 7的标准版只配置了3种基本的编程语言

48、：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL），有鼠标拖放、复制和粘贴功能。语句表是一种文本编程语言，使用户能节省输人时间和存储区域，并且“更接近硬件”。用户可以按“增量”方式输人，立即检查每一个输人的正确性；或者先在文本编辑器上用字符生成整个程序的源文件，然后将它编译为软件块。STEP 7 专业版的编程语言包括S7-SCL （结构化控制语言）；S7-GRAPH（顺序功能图语言）；S7 HiGraph和CFC。这4种编程语言对于标准版是可选的。2) 符号表编辑器STEP 7用符号表编辑器工具管理所有的全局变量；用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。使用这一工具生成的符号表可以供

49、所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。3) 增强的测试和服务功能测试功能和服务功能包括设置断点、强制输人和输出、多CPU运行（仅限于S7400）、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态。程序中的特殊点可以通过输人符号名或地址快速查找。4) STEP 7 的帮助功能（1）选定想得到在线帮助的菜单项目，或打开对话框，按F1键，就可以得到与它们有关的在线帮助。（2）从帮助菜单获得帮助利用菜单命令Help Contents进入帮助窗口，借助目录浏览器寻找需要的帮助主题，窗口中的检索部分提供了按字母顺序排列的主题关键词，可以查找与某一关键词有关的帮助。单击

50、工具栏上有问号和箭头的图标，出现带问号的光标，用它单击画面上的对象时，将会进入相应的帮助窗口。2.1.5 STEP7的硬件组态与诊断功能1) 硬件组态英语单词configuring（配置、设置）一般被翻译为“组态”。硬件组态工具用于对自动化工程中使用的硬件进行配置和参数设置。 系统组态：从目录中选择硬件机架，并将所选模块分配给机架中希望的插槽。分布式I/O的配置与集中式I/O的配置方式相同。 CPU的参数设置：可以设置CPU模块的多种属性，例如启动特性、扫描监视时间等，输入的数据储存在CPU的系统数据块中。 模块的参数设置：用户可以在屏幕上定义所有硬件模块的可调整参数，包括功能模块（FM）与通

51、信处理器（CP），不必通过DIP开关来设置。在参数设置屏幕中，有的参数由系统提供若干个选项，有的参数只能在允许的范围输入，因此可以防止输入错误的数据。2) 通信组态通信的组态包括： 连接的组态和显示。 设置用MPI或PROFIBUS DP连接的设备之间的周期性数据传送的参数，选择通信的参与者，在表中输人数据源和数据目的地后，通信过程中数据的生成和传送均是自动完成的。 设置用MPI、PROFIBUS或工业以太网实现的事件驱动的数据传输，包括定义通信链路。从集成块库中选择通信块（CFB），用通用的编程语言（例如梯形图）对所选的通信块进行参数设置。3) 系统诊断系统诊断为用户提供自动化系统的状态，可

52、以通过两种方式显示： 快速浏览CPU的数据和用户编写的程序在运行中的故障原因。 用图形方式显示硬件配置，例如显示模块的一般信息和模块的状态；显示模块故障，例如集中I/O和DP从站的通道故障；显示诊断缓冲区的信息等。CPU可以显示更多的信息，例如显示循环周期；显示已占用和未用的存储区；显示MPI通信的容量和利用率；显示性能数据，例如可能的输人输出点数、位存储器、计数器、定时器和块的数量等。2.2 控制器编程本节提供了对于使用STEP7V5.2开发、编辑和运行一个梯形图(LAD)示例程序，并与组态软件通信的循序渐进的指导。工程的开发被分为6个阶段，如表2.2.1所示。表2.2.1 工程开发阶段第1

53、阶段第2阶段第3阶段第4阶段第5阶段第6阶段创建工程通信设置硬件组态程序编写程序调试组态通信我们按照6步进行简单的介绍，以便读者有一个大概的了解。2.2.1 创建工程单击File New，新建一个工程项目，例如Test。如图2.2.1所示。图2.2.1 新建工程单击“OK”按钮，生成如图2.2.2的新工程Test：图2.2.2 新工程建立S7-300站。右键单击工程名Test，单击Insert New Object SIMATIC 300 Station。如图2.2.3所示。图2.2.3 建立S7-300站单击展开Test，双击Hardware（硬件），即可进入硬件组态环境。如图2.2.4所示

54、。硬件组态的详细内容请参考下面的章节2.2.3硬件组态。图2.2.4 双击Hardware开始硬件组态硬件组态完毕后，SIMATIC 300(1) 中出现CPU型号。展开至Block，即可进行程序编写，如图2.2.5所示。图2.2.5 在Blocks中进行编程图中清晰地显示了项目的分层结构。在项目中，数据在分层结构中一对象的形式保存，左边窗口内的树（Tree）显示项目的结构。第一层为项目，第二层为站（Station），站是组态硬件的起点。“S7 Program”文件夹是编写程序的起点，所有的软件均存放在该文件夹中。用鼠标选中图中某一层的对象，在管理器右边的工作区将显示所选文件内的对象和下一级的

55、文件夹。双击工作区中的图标，可以打开并编辑对象。Blocks（块）对象包含程序块（Blocks）、用户定义的数据类型（UDT）、系统数据（System data）和调试程序用的变量表（VAT）。程序块包括逻辑块（OB、FB、FC）和数据块（DB），需要把它们下载到CPU中，用于执行自动控制任务，符号表、变量表和UDT不用下载到CPU。生成项目时会在块文件夹中自动生成一个空的组织块OB1。用户生成的变量表（VAT）在调试用户程序是用于监视和修改变量。系统数据块（SDB）中的系统数据含有系统组态和系统参数的信息，它是用户进行硬件组态时提供的数据自动生成的。如图2.2.6所示，是一个编辑完成的程序。

56、图2.2.6 编辑完成的程序图2.2.2 通信设置单击Options Set PG/PC Interface。如图2.2.7所示。图2.2.7 进入通信参数设置在“Set PG/PC Interface”窗口中，单击Select，如图2.2.8所示。图2.2.8 PG/PC通信接口设置窗口这里我们使用的是S7-300 MPI电缆连接方式，因此选择PC Adapter，Install。注意不要安装其他接口，例如PC/PPI。如图2.2.9所示。图2.2.9 安装/卸载通信接口设置或添加PC Adapter(MPI)：Property 按钮Local Connection 属性页COM 1 192

57、00，注意一般连接到计算机的串行口1，其他参数不需要设置。如图2.2.10所示。注意选择PC Adapter(MPI)。图2.2.10 MPI电缆连接参数设置2.2.3 硬件组态在HW Config中，双击Hardware，从而进入HW Config窗口。如果要安装新的DP设备，则需要安装GSD文件。在HW Config中，插入RACK-300机架。如图2.2.12所示。图2.2.12 在HW Config中插入RACK-300然后在机架第一栏中插入电源模块。选中机架第二栏，插入CPU，注意准确的编号。如果CPU支持DP通讯，则可以建立DP通讯参数。设置完毕后，可以随时在Rack-300中双击

58、DP，选择Property按钮，设置DP总线地址和速率。增加IO模块，有的CPU集成了IO，然后设定这些IO的地址。例如:DI 地址：256-263DO 地址：256-259单击Station Save保存设置。在SIMATIC Manager中，选择工程，选择PLC Clear/Reset，可以清除原来的配置信息。如图2.2.13所示。图2.2.13 清除S7-300 CPU内存把CPU开关拨到STOP，再转到RUN位置。则CPU开始运行。在HW-CONFIG窗口中，选择Station Save and Compile，选择PLC Download，或者Ctrl+L快捷键。就可以下装调试，如

59、果你没有硬件，则可以使用仿真软件来下装调试。2.2.4 程序编写1 各种程序块STEP7的OB块，FC块比较多。OB块是组织块，由PLC的操作系统调用。OB块OB块的功能如表2.2.1所示。其他FC,FB功能可以参考帮助文件。表2.2.1 OB块的功能中断类型组织块默认优先级备注主程序扫描 OB1 1 周期运行：开始循环监控时间输出到模块从模块输入执行程序执行挂起的其他任务回到开始，重新循环监控时间按照日期中断OB10 to OB17 2 按照指定的时间执行一次。按照指定的时间和时间间隔循环执行时间延迟中断OB20 OB21 OB22 OB23 3 4 5 6 按照指定的延迟时间执行。周期性中

60、断OB30 OB31 OB32 OB33 OB34 OB35 OB36 OB37 OB38 7 8 9 10 11 12 13 14 15 周期性定时中断（默认）：500020001000500200100502010毫秒硬件中断OB40 OB41 OB42 OB43 OB44 OB45 OB46 OB47 16 17 18 19 20 21 22 23 DPV1 中断OB 55 OB 56 OB 57 2 22DPV1设备编程 多处理器中断OB60 Multicomputing 25 多处理器同步操作同步循环中断OB 61 OB 62 OB 63 OB 64 25 配置PROFIBUS-DP

61、短的，同样长的过程响应时间冗余错OB70 I/O 冗余错OB72 CPU冗余错25 28 错误处理模块异步错误OB80 时间错 OB81供电故障OB82诊断中断错OB83 插入删除模块错OB84 CPU硬件故障OB 85 程序周期错OB86 机架故障OB87 通讯故障 25 错误处理组织块后台周期运行OB90 29 后台组织块，具有很低优先级启动OB100 启动(Warm start) OB101热启动 OB102 冷启动27 27 27 同步错 OB121编程错误OB122访问错误 高于出现错误的OB块错误处理FB块FB是需要背景数据块DB的函数块，数据在执行完函数后还需要保存的。在各种逻辑块中可以调用FB。FB可以用户自己编写，也可以调用西门子公司提供的各种库中的FB。例如在STANDARD LIBRARY中的FB41，就是一个提供连续PID控制的