SIMATIC-S7-300、400-PLC的设计应用实例

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1、SIMATICS1-300/400PLC的设计应用实例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.实验室控制网络组成如图1-1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

2、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。工业以太国S7-400ET2O0MET为口忖需力能赞Ml. 1AO 1DI. 3DOS7.3IJ0S7.30O三郴整iAi, noId. 1D01DI, IDQ1AL 1AO1DI. mo置题器DP/PA. Lmk口 FFA-LinK三船嘘1A1. 1AOLDI. 1DOER0TTW5 II图7-1现场总线控制网络组成.系统硬件组成1. 一类主站选用德国西门子公司生产的SIMATIC S1-300/400 可编程控制器。SIMATICS1-300/400可编程控制器采用模块化设计，在一块机架底板上

3、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。S1-300/400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S1-300/400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

4、。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QXLTL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1-2所示，有二个水泵P1和P2,六个手动阀V1V6,二个PWM脉宽调制)型线性比例调节阀V7和V8;LT1、

5、LT2和LT3以及两个旁路阀V9、V10 组成。三个反压式液位传感器(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1-2三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

6、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S1-300PLC由CPU模块（集成有输入输出模块）、机架、CP模块组成。S1-300PLC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1-3所示，液位控制系统的工作过程为：图1-3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模块的模拟车入通道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4mA2

7、0mA电流输入在标称范围内对应的转换结果是027648,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1-4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1-4液位单回路控制系统方块图三、系

8、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1-5所示。图1-5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1-6所示，并进入硬件组态ConfiguringHardware”界面。FUT 钠 QpU4ns Window 过门 y口 |今|翼牌|

9、 K隹|匐画回，J时后泮暗|，二| I 刖lit播任俊杰一.上实发,生态项目ET7(W(三容液位控制)包西宜史制5INATIC 300 CIJNIFI CE图1-6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1-7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： CPU314C-2DP6ES7314-6CF00-0AB0集成有DI8XDC24VAI5/AO2X12Bit,DI16/DO16XDC24V地址：DII124.0126.7;DOQ124.0125.7;AIPIW752761

10、;AOPQW752755;设置AI、AO模块特性为电流420mA CP3436ES7343-1EX11-0XE0设置MACt址(按标签上的物理地址)为08-00-06-71-49-25,如图1-8所示。(4)保存硬件配置：点击保存并编译。配置好的网络如图1-9所示。(5)下载硬件配置到PLG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。*HVConfiSUAT1CSOU(1)(ConfiguratiDn)一聚位

11、控制*StAtianHdiiInsertPLViewODlionsBtinlow弘昌匐格曲画匣包典也ssafii1.FlU3140-2DF-JTir1/2.2第血?拈2.JirAT5/G22.4GmZJ尹理tj34Cf3A3-1SS.口Vodule.Crdernber.Firm.肘1.。ConMnemt1rJCPI314C-2BPBEST31-GHJa-aUfliVIO2修，出1烟用为,制,1752.752.2.11Cvnni7Sa,766:2AJ/p5JtJPJ1了河.?8t.34:JzCF343-1wacr343-iini-oxeqV20326.256.567091Ho11图1-7硬件组态

12、Properties-EthernetiirterfaceCF343-1(RQ/54)G-eneralFariniettrsB酩砒力品ess/useISOprotocol?T-1-rHswurtn，flie-T!l-eII!T-=SIISSIHr-S，”一”!-S!SS!I!MAC乳dress:|06-00-06-71-4925VIPOtflcclisbeingUEftdIfaddress:|14O.0O,0.LSubnetraask：比-255dUGutewayf*口中notusercxittr屿erouterAjddreSs2SutneL：|notWorkedNgw.Properties.

13、DglgtEreEi|Stwdrd-画EIMiTIC3C0由口C7M_JCT-300F一|CFlhSOQCFV31rpil312IF1口口口口口口口口口口1，。口口弓口口1+:II:I+1+也1|+叵回SI-回ffi-l+L+l+CPU312CCPU313CPU313ccrv3ioc-dpCPU313C-2PlCPU314CPU弘4IFMcrv3iqmrrCPV214EPdCPU315CPU315-2DPCPU315F-2D?CPU310CP1F31G-2DFCFU318-2CFV6NCFVMT卜口FM-300+口Gttfwar+OIM-300+MT-EXTEHSIOFf二JFS-300-_|

14、SACK-3tiO口Rail图1-8设置MAC%址Ettiemetd)IndustrialEthernet咆MPSIMATIC300(1)图1-9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、OB35FC2,如图1-10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1-11所示。FC2块实现输出操作信号的量程转换，将0.0

15、-100.0之间的实型值转换为0-27648之间的数字量。后掖位控制E;rjF1邑足此控制翳，E所AataqOBIFE41Effi-qSIWATIC300(1)gCPU314C-2DFSTProgramU)CHSlocks尊CT343-1qFCL口口上41qFC2尹F访。5yFCl呢图1-10填加程序块2 CFV 314C-2 DFX?J. 53.3gOfi?2.。%Kad詈可1 q,4祢! IT制375F7E1011)UBD i0中电u Hi as/占kPr loalifrjt|C力ng： uRti wnStartupCycle/Clfteh MifieryRltnlivc NcmuryIf

16、it 电t STim*-13匚普门 1? Internji? t 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；OUTPQW75为量程转换后的对应电磁阀开度的数字量。5 .编辑OB1OB1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1-15所示。OBL : rrMain Program Sweep (Cycle)主程序2 Hew network+ FE blocks blocksFC1FC2FC3FC 105 SCA

17、LE CONVEKTFC LOS UHSCALE C0NVZR1 bleaksrc口口口口口SF SFC bleaksMultiple instances+1 jll LibrariesHetwork 1: Title:调用FC1CALL FC 1ITetyivrK 2 ; Title：胭用F*CALL FC Z图1-15 OB1块编辑6 .建立变量表在Blocks中填加变量表（如VAL_1）,如图1-16所示。双击VAL_1,进入变量表编辑窗口，依次填加-禺灌位控制A 间 SIMATIC 300 (1 System data pm 口喇imin ma pFC105pFC106qobiQFC2

18、CFIT 314C-2 DF-皂S7Frcigran向Worn”0Blocks*#CF343-1图1-16填加变量表Var-A7_1波住控制300(1)CPITS14C-?DPXSTPmgra*JTableEd.itInsertFLCVariableViewOftiWiiidwHelp司Bfelg)倒A电嵬3cl制的I间细叫金Address|SymbolOisplayformat|StatusvalueModifyvalueLFiw521DEC2MD30FLOATING-POINT3PIW754DEC十MD34FLOATINGJ=tINT5FIW756DEC6MO39FLOATING-POIN

19、T1Q124.4BOOL8M0,SOOLllseM01BOOLtiue10MQ.2BOOLtfUt11M0.3BOOLdue1?MD20FLQATING.POINT150.013MD1WFLOATINC_FOINT10014MD114TIMETttlOmsj15M116TIMET41msUMD100FLOATING-POINT17PQW752DEC1SQ1况3900L77MD90FLOATING_FCINT100.020MW200DEC21MQ4900L13图1-17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A

20、I5/A02中的Inputs和Outputs量程进行相应设置（如电流420mA,如图1-18所示。图1-18 Inputs 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1-19所示。SHATICSanager-液位控制一CrPrograFilesSieBensStep73Tpruj.粒心 Edit 工 PLC Zi口 |谢翳扁|电二邑液位控制-ED SIMATIC 300 (1)-网 cru 314C-2 DP-卫S7 Program (1)面 Sources笃 Bl

21、ockx+ # CP 343-1淙扁|回| DE41OBI/CZons y】ndw H看Ip空YATaaHB5D0：写E0O4M升ooe-|hi_liinngig削D.COOOttOr-bom-Jlo_likCOTDM397.3G1一地Mlittt做门针Sft&HtMISM002-RILIH0.3面1M什OOO-LUL1R。英K3.Q-KIF0L.filicno.qbdolmFtlintoILItBCURETUAL;报1.二.641川T_皿u(a)(b)0124.2umMBETJTLM巾3MMU割J3ovtm同-HIUKo.owacar+OOQ-10_LIf2g；B(JDISPaLAS.(c)

22、图1-21程序的在线监视五、实现液位监控功能（一）创建项目打开WinCC次件，新建一个项目，取一个名字，如“S7300水箱监控界面”，如图1-22所示。图1-22创建WinCC项目（二）建立WINCCfPLC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1-23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

23、性和参数设置如图1-24和图1-25所示。图1-23通信驱动程序通道选接参数-IndustrialEthernet(b)图1-25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1-26所示。图1-26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

24、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1-27所示。1-28所示。其他需要设置的变量如上所述依次建好，系统的变量表如图变量属性富规限制/报旨变量值范围Valuel |gMu 质 |T-r绘性标定过程值谢困Value1ValneZE在初态对蹴用使用费量时，读确俣变量名里不含有本国的专用字符，也不籥以一开的.确定取消帮助图1-27设置变量属性名称类型参数二i娴位宴除值32位评点数IEJE.MD34二1赖值戏除an32位厚点数THEMD3Omurw，;，MBr

25、anmiiBrrr二j3船位实际值32位浮点数IEEE.MDX二翩位设定值32位浮点数由E,.IDQD二调节阀开度32位浮点数mt.MD1O0二1号数值32位浮点数IEZE.Mil。二参数值3E位浮点数mt.MD1142P参数值32位浮点数IEJE.MD11&n手动梁作值32位浮点教rm.Mg口_1寿动半劫案作二进制变量10.0口启动比例作用二进制变量MO.i二t启动积分作用二进制变量MO.2二启动撒分作用二进制麦量10.s-髀J3CWK箱监控界面鼻计- 喇变量首整- 1字内部受量- J51MA口匚STFKDTXQLSUITE-HIikdustrilthrnat抬E73O0pLcI*ladil

26、EtrifilEthfirnet(IIJ回UMFI+HdCorukectins+HFKomus+，FROJIBUSdi)回，SlotFIT由田fie+TCF/IF住.结构变量子国也编辑器甘|报警记录JJ变量记录膏期表编辑地全局脚本E文本库用户管理割9交叉索引加兹在线修改图1-28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1-29所示。本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1-30至图1-32所示。(?TinCCEiplorer-1人工作，控制网绮实验室lUHCC版监控界面1文

27、件由镰辑视图世)工具称助-皆打配。水箱监控界面期计售机则受量管理豆结构变量图刊;编辑器力之|报警纪录JJ变量记录 绿报表编揖器 全局脚本 S文本库用尸管理器交更索引 加裁荏线修i打开邦建画面图那0LL选择Active控怦转毁画面转投全局库转换项目库名称类型力液位监控界面.Pdl 寺启动画面,FUff Newfdia. Tdl亡FID参数设置.Fdl代翟霓曲陵.FU 白报警显示上社 1*帮助画面,Fdl图1-29新建画面打h2rhi1.ZtugfKr片M仃m端小曲间1)()杵神;目tlOfix?前叽HRierirmdi/rkr?-nTirisji.f-in3LZvHN近Hi*虚点点取甥一弓二cF

28、dT-TRWThllfimFr描思济都埔科Nrlti巫豌m!一、An固萨营近FsTijo*|R旧yjgnfcT俄也负:E异*，,3jefe）制:JruiM强式r胖砒芭iftxnaro（w）赠通红速罚. .300? O):-JJY型i：3 10 I5C 0 Trr;J mf*四卡1聂国|二富随T *M苴蛇T仃懒TM三期工4目送E目出浦年. Mr oKnlT i1”成才 工满防匚,& E讨:WHT匚a ” n的邓LE健 Wrrf_L Hirii me1H */0邮图1-32PID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1-33为输入输出域的变量连接,图1-3

29、3输入输出域的变量连接.:对象届性输入/输出域屋性I事件I何色式体烁它从颤祥今日其限制值届性 域类型 喻出值 数据格式 输出格式 填满时应用 退出时应用 输入时清除静志当前输出菁1口叩00 口 /2平例位实际值 根据变化:十进岫999,999无效输入时评否隋藏辎入舌图1-34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1-35所示。在变量记录窗口中右击“归档”，选择“归档1-36所示。建好归档后，还可以修改归档属性及过程变量属性，如向导”设置归档名称并选择变量，如图文忸1隔翅号凯邑（虫工具也帮助（艮A力隔eM注亮陶师-飞:七口刊君位也

30、片面田埔|类空|上一漫爆期|信息R变记录-力利口水箱监控界商J器计算机匕双I曳星告宴B-=奉相妾相文件出姗播国盟密r粘口出弋星用箱体方r=_rOi芯警记录口昌A泽宣皙修L :too水轮凿段界面.口口、名林|归档一式；.号定时耨出13世 导旧程腌田礴、昌招祈编密器全局糊本日A不颦用户管丑图京双薪I力般在此临电隧洞民甚15囤叉的国生.图1-35变量记录I去F；MI 1丁福型区用面* wn=王早瞥抨卜转国猊兄 十物例手；j援斯EM-rix支身花T TE水痘监控界面FP苫什中廊S.=_*全后归于白文本摩8叮工对A港不通代理JJymuc过程后11百。 *9 ：m：9南：h叫堂W虬川MLW壬 WWW-E氐

31、行胃中J 1.15,军Z手数，1 TYX/不盾而彳厢不下?受S*i-京扉立 .：的过冷图1-37归档属性设置TT干鼻什苗草柢百养中k rJ加f不，工始国|统典满型的首先进入趋势曲线界面编辑窗口，添加WINCC在线趋势控彳%如图1-39所示。双击该对象，进行一回工属性设置，并进行变量的连接，如图1-40所示。“国川而超曲a.Piii交由口梃*口碑（3WriCC PlbIi Bkfinn CliiLfdIWhCC 5lOr wrcGAiirTiiCDntfDl wncc ruiJXian rr=nd 口trd SlemEns HNL SmtolLtrary L.,I，3二.弓邑件单二在二工裾电77

32、国官冢羯T无筐:“点嗨.取故甥图1-39 添加 WINCC在线趋势控件alrapinesDeEiigiicr-噫势曲线,FII*V1ILIU)MLLW*111山W生争WdW)at6?甲士ziQplicrt也如tn，jl2d方HIK电史-I卜HMi司呼酹St3a1uV.Tiju_口加IVEfJUit1FL1AddCTTintt.3T.T.ME.比1时1如0OOB0D匕:即MSK盹taxt2州昨皿更CyclicIfitMitUfrt54i硼划出他SIPEB口Jt悯患出附511IP1Ttcsrkfj时上30f.-al】jtrznc1SCALEFtrinsFCMEjralinfV&lioea8膝CMEPC】M，Fi；Ifr邮ihftrPVUJ711-i7-小0WL11.电1HBWLIETOEHri1*Cf,L1.3出于Af13Q?HEALM出一/显矣眄g曲REALlbit-T号军型F苫bZl13i.eMilRaiLIT乐中浒位诘if拈Kr21位ALIE胡村莅应u而植ID20BEALT6在在？皮7二rSLIF30制笆触DORHAL212用4rtFP15BEAL32HD94BEAL23.LB依宇匕PW52?im2115*IDu