第第 11 章章电气控制与PLC西门子西门子S7系列系列PLC 西门子的PLC产品包括LOGO、S7-200、S3-300、S7-400、工业网络、HMI人机界面、工业软件等，覆盖了所有自动化领域。其PLC产品主要有：SIMATIC主要包括S7PLC、M7自动化计算机、C7、SIMATICNET工业网络、SIMATICHMI操作界面、DP分布式I/O设备、SIMATICPC及PCS7过程控制系统。SIMATICS7系列可编程控制器又分为微型PLC（如S7-200）、小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）。本章提要本章提要11.1 西门子S7系列PLC简介11.2 STEP7编程软件简介 11.3 S7-200PLC部分指令系统11.1 西门子西门子S7系列系列PLC简介简介11.1.1 西门子S7-200PLC 11.1.2 西门子S7-300PLC11.1.3 西门子S7-400PLC 11.1.1 西门子西门子S7-200 PLC S7-200PLC是超小型的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200PLC的强大功能使其无论在独立运行，或相连成网络都能实现复杂控制功能。S7-200PLC在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。S7-200PLC可提供4种不同型号的基本单元和6种型号的扩展单元供选择使用。11.1.2 西门子西门子S7-300 PLC1.系统组成1）中央处理单元（CPU）：各种CPU的性能各不相同，例如有的CPU上集成有输入输出点，有的CPUP上集成有PROFIBUS-DP通信接口等。2）信号模块（SM）：用于数字量和模拟量输入/输出。3）通信处理器（CP）：用于连接网络和点对点连接。4）功能模块（FM）：用于高速计数、定位操作（开环或闭环定位）和闭环控制。5）负载电源模块，用于将SIMATICS7-300连接到120/230V交流电源；或24/48/60/110V直流电源6）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和3个扩展机架，可以操作多达32个模块，运行时无需风扇。2.主要功能1）高速（0.60.1s）指令处理：为在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。2）浮点数运算：可以有效地实现更为复杂的算术运算。3）用户接口：提供一个标准的用户接口软件工具，可方便用户给所有模块运行参数赋值。4）人机界面（HMI）：方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少，SIMATIC人机界面从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。5）智能诊断：CPU的智能化诊断系统能连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如超时、模块更换等）。6）多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。7）S7-300PLC设有操作方式选择开关、操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。3. 通信功能S7-300CPU支持的通信类型有：1）过程通信：通过总线（AS-I或PROFIBUS）对I/O模块周期寻址（过程映像交换）。2）数据通信：在自动控制系统之间或人机界面和几个自动控制系统之间，数据通信会周期地进行或被用户程序或功能块调用。11.1.3 西门子西门子S7400 PLCS7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程控制器。它采用模块化无风扇的设计，可靠耐用。同时可以选用多种级别（功能逐级升级）的CPU，并配有多种通用功能的模块，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模块，便能使系统升级和充分满足需要。S7-400PLC主要由下列模块（部件）组成：1）电源模块（PS）。将SIMATICS7-400连接到AC120/230V或DC24V电源上。2）中央处理单元（CPU）。有多种CPU可供用户选择，有些带有内置PROFIBUS-DP的接口，用于各种性能可包括多个CPU以加强其性能。3）I/O模块（SM）。数字量输入和输出（DI/DO）和模拟量输入和输出（AI/AO）的信号模块。4）通信处理器（CP）。用于总线连接和点到点连接。5）功能模块（FM）。专门用于计数、定位、凸轮等控制任务。此外，SIMATICS7-400还提供接口模块（IM）部件，用于连接中央控制单元和扩展单元。SIMATICS7-400中央控制器最多能连接21个扩展单元。11.2.1 STEP7概述 11.2.2 使用STEP7的基本步骤 11.2.3 设计程序结构的基本原理 11.2.4 建立和编辑项目 11.2 STEP7编程软件简介编程软件简介11.2.1 STEP 7概述概述 STEP7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的一部分。STEP7标准软件包有下列各种版本：1）STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/Win用于SIMATICS7-200上的简化单机应用程序。2）STEP7，应用在SIMATICS7-300/S7-400、SIMATICM7-300/M7-400以及SIMATICC7上。STEP7标准软件包中包含有一系列应用程序（工具）：SIMATIC管理器（SIMATICManager），符号编辑器（SymbolEditor），NetPro网络配置（NETPROCommunicationConfiguration），硬件配置（HardwareConfiguration），编程语言（ProgrammingLanguagesLAD/FBD/STL），硬件诊断（HardwareDiagnostics）。在选择相应功能或打开对象时，将会自动启动这些工具。 11.2.2 使用使用STEP 7的基本步骤的基本步骤 1）装STEP7和许可证密钥。在第一次使用STEP7时，对其进行安装，并将许可证密钥从软盘传送到硬盘。2）规划控制器。在使用STEP7进行工作之前，对自动化解决方案进行规划，将过程分解为单个的任务，并为其创建一个组态图。3）设计程序结构。使用STEP7中可供利用的块，将控制器设计草图中所描述的任务转化为一个程序结构。4）创建项目结构。项目类似一个文件夹，所有的数据均可按照一种体系化的结构存储在其中，并随时可供使用。在项目创建完毕之后，所有其他的任务均将在该项目中执行。 5）组态一个站。在对PLC站进行组态时，可指定你希望使用的可编程控制器：例如，SIMATICS7-300、SIMATICS7-400、SIMATICS5。6）组态硬件。在对硬件进行组态时，可在组态表中指定自动化解决方案要实用的模块以及用户程序用来对模块进行访问的地址。实用参数也可对模块的属性进行设置。7）组态网络和通信连接。通信的基础是预先组态的网络。为此，需要创建自动化网路所需要的子网、设置子网属性、以及设置已联网工作站的网络连接属性和某些通信连接。8）定义符号。可在符号表中定义局部符号或具有更多描述性名称的共享符号，以便代替用户程序中的绝对地址进行使用。 9）创建程序。使用一种可选编程语言创建一个与模块相连接或与模块无关的程序，并将其存储为块、源文件或图表。10）将程序下载给可编程控制器。在完成所有的组态、参数分配以及编程任务之后，可将整个用户程序或其中的单个块下载给可编程控制器。11）测试程序。为了进行测试，可显示用户程序或CPU中的变量值，为变量分配数值，以及为想要显示或修改的变量创建一个变量表。12）监视操作、诊断硬件。通过显示关于模块的在线信息，确定模块故障的原因。13）归档设备。在创建项目/设备之后，应为项目数据制作清楚的文档，从而使项目的编辑以及维修更容易。11.2.3 设计程序结构的基本原理设计程序结构的基本原理 1.CPU中的程序 CPU原则上运行两个不同的程序：操作系统和用户程序。每个CPU都带有集成的操作系统，组织与特定控制任务无关的所有CPU功能和顺序。操作系统任务包括以下各项：1）处理重启（热启动）和热重启。2）更新输入的过程映像表，并输出过程映像表。3）调用用户程序。4）采集中断信息，调用中断OB。5）识别错误并进行错误处理。6）管理存储区域。7）与编程设备和其它通信设备进行通信。用户程序由程序设计人员编写，并将其下载到CPU中，它包含处理特定自动化任务所要求的所有功能。用户程序任务包括：1）确定CPU的重启（热启动）和热重启条件（例如，用特定值初始化信号）。2）处理过程数据（例如，产生二进制信号的逻辑链接，获取并评估模拟信号，指定用于输出的二进制信号，输出模拟值）。3）响应中断。4）处理正常程序周期中的干扰。2. 用户程序中的块 STEP7编程软件允许用户采用模块化结构设计程序，即将程序分解成若干单个或独立的程序段，这使得大程序更易于理解；可以标准化单个程序段；简化程序结构；易于修改和测试单个程序段，因而简化调试，系统调试变得更简单。STEP7用户程序块的类型见表11-1（p264）。3. 线性编程与结构化编程 可以在OB1中写入整个用户程序（线性编程）。只有在给S7-300CPU编写简单程序、并要求极少存储器时才可行。将复杂自动化任务分割成反映过程技术功能或可多次处理的小任务，可以更易于控制复杂任务。这些任务以相应的程序段表示，称为块（结构化编程）。11.2.4 建立和编辑项目建立和编辑项目 1. 创建项目 使用菜单命令“文件”“新项目”来打开向导。向导提示在对话框中输入所要求的详细资料，然后创建项目。除了站、CPU、程序文件夹、源文件夹、块文件夹以及OB1之外，还可以选择已存在的OB1，进行错误和报警处理。可在SIMATIC管理器中使用菜单命令“文件” “新建”来创建一个新项目。它已经包含“MPI子网”对象。 2. 插入站在项目中，站代表了可编程控制器的硬件结构，并包含有用于组态和给各个模块进行参数分配的数据。使用“新建项目”向导创建的新项目已经包含有一个站。或者可以使用菜单命令“插入”“站”来创建新站。可选择一个下列站点：1）SIMATIC300站；2）SIMATIC400站；3）SIMATICH站；4）SIMATICPC站；5）PC/可编程设备；6）SIMATICS5；7）其他站，即非SIMATICS7/M7和SIMATICS5的站。3. 组态硬件双击站点，即可启动硬件配置应用程序。对于在组态中创建的每个可编程模块，一旦保存完毕并退出硬件配置，将自动创建一个S7或M7程序以及连接表（“连接”对象）。使用“新建项目”向导创建的项目已经包含有这些对象。创建连接表将为每个可编程模块自动创建一个（空白）连接表（“连接”对象）。连接表用于定义网络中的可编程模块之间的通信连接。打开时，将显示一个包含有表格的窗口，可在该表格中定义可编程模块之间的连接。4. 插入S7程序 用于可编程模块的软件存储在对象文件夹中。对于SIMATICS7模块，该对象文件夹被称为“S7程序”，对于SIMATICM7，该对象文件夹被称为“M7程序”。每个可编程模块都有一个自动创建的S7/M7程序，用作软件容器。下列对象已经位于新创建的S7程序中：1）符号表（“符号”对象）。2）包含第一个块的“块”文件夹。3）用于源文件的“源文件”文件夹。当用户希望创建语句表、梯形图或功能块图程序时，可选择已存在的“块”对象，然后选择菜单命令插入S7块。5. 创建符号表创建S7/M7程序时，会自动创建一个（空）的符号表（“符号”对象）。打开符号表时，“符号编辑器”窗口会打开，显示一个符号表，可在其中定义符号。可在符号表中输入多个共享符号。 6. 编辑项目 1）打开项目。若要打开现有项目，使用菜单命令“文件”“打开”。然后在紧接着出现的对话框中选择一个项目。于是项目窗口打开。 2）复制项目。可使用菜单命令“文件”“另存为”，通过用另一个名称保存项目来复制项目。也可使用菜单命令“编辑”“复制”来复制部分项目，如站、程序、块等。 3）删除项目。可使用菜单命令“文件”“删除”来删除项目。也可使用菜单命令“编辑”“删除”来删除部分项目，如站、程序、块等。11.3 S7-200 PLC部分指令系统部分指令系统11.3.1 S7-200系列部分CPU性能（p266-267）11.3.2 基本逻辑指令（p267-270） 11.3.3 程序控制指令（p270-271）11.3.4 定时器/计数器指令（p271-272）11.3.5 算术运算指令（p273-275）11.3.6 逻辑运算指令（p275-276）11.3.7 数据传输指令（p277-278）11.3.8 移位与循环移位指令（p279-280）11.3.9 数据转换指令（p280-282）11.3.10 S7-200PLC指令应用实例11.3.10 S7-200 PLC指令应用实例指令应用实例 1. 混合液体装置的控制2. PLC在电动单梁起重机质量检测中的应用 （1）装置结构与工艺要求 图11-1为两种液体的混合装置结构图。 （2）输入/输出地址分配该装置的控制采用的PLC为S7-200CPU214，输入/输出地址分配和PLC外部接线如图11-2所示。（3）梯形图程序设计根据控制要求编写的梯形图及指令表如图11-3所示。（4）工作过程分析1.混合液体装置的控制图11-1液体混合装置结构图SL1、SL2、SL3为液面传感器，液面淹没时接通，两种液体（液体A、液体B）的流入和混合液体流出分别由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅匀电动机，按照控制要求进行控制控制要求1）初始状态。当装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液体阀门打开20s，将容器放空后关闭。2）启动操作。按下启动按钮SB1，装置就开始按下列给定的规定动作工作。液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开B阀门。当液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅匀电动机开始转动。搅匀电动机工作1min后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再经过20s后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期操作。3）停止操作。按下停止按钮SB2后，在当前的混合操作处理完毕后，才停止操作，即停在初始状态上。图11-2PLC输入/输出地址分配与接线图11-3混合液控制梯形图及指令表工作过程分析1）启动操作。按下启动按钮SB1，I0.0的常开接点闭合，M0.0产生启动脉冲，第10行的M0.0的常开接点闭合，使Q0.0保持接通，液体A电磁阀YV1打开，液体A流入容器。2）液面上升到SL2。当液面上升到SL3时，虽然I0.4常开接点接通，但没有引起输出动作。当液面上升到SL2位置时，SL2接通，I0.3的常开接点接通，M0.3产生脉冲，第11行M0.3的常开接点接通一个扫描周期，复位指令（RQ0.0，1）使线圈Q0.0断开，YV1电磁阀关闭，液体A停止流入；与此同时，第12行M0.3的常开接点接通一个扫描周期；置位指令（SQ0.1，1）使线圈Q0.1接通，液体B电磁阀YV2打开，液体B流入。3）液面上升到SL1。当液面上升到SL1时，SL1接通，M0.2产生脉冲，第13行M0.2常开接点闭合，使线圈Q0.1线圈断开，YV2关闭，液体B停止流入，第14行的M0.2常开接点闭合，Q0.2线圈接通，搅匀电动机工作，快速搅匀。4）搅匀后放混合液。搅匀电动机工作时，第16行的Q0.3常开接点闭合，启动定时器T33，过了60s，第15行的T33常开接点闭合，Q0.3线圈断开，电机停止搅动。当搅匀电动机由接通变为断开时，第17、18、19行的电路，使M1.0产生一个扫描周期的脉冲，第20行M1.0的常开接点闭合，Q0.2线圈接通，混合液电磁阀YV3打开，开始放混合液。5）液面下降到SL3。当液面传感器SL3由接通变为断开，第6、7行的电路使第22行的M0.4常开接点接通一个扫描周期，M1.2线圈接通，第24行的T34开始工作，20s后，混合液放完，第21行的T34常开接点闭合，Q0.2线圈断开，电磁阀YV3关闭，同时第10行T34的常开接点闭合，Q0.0线圈接通，YV1打开，液体A流入，开始进入下一循环。6）停止操作。按下停止按钮SB2，I0.1的常开接点接通，M0.1产生停止脉冲，使M0.6线圈复位断开，第10行的M0.6已闭合的常开接点断开，在当前的混合操作处理完毕后，使Q0.0不能再接通，即停止操作。2PLC在电动单梁起重机质量检测中的应用（1）控制要求电动单梁起重机有升降、进退、左右行三个动作机构。该起重机在工作时有上升、下降、左行、右行、前进、后退6个动作。起重机的整机性能检测一般要求是这样的：当钩上没有负载时，上升、下降、左行、右行、前进、后退6个动作运行，若无异常现象，逐步加载至1.1倍额定负载再重复上述6个动作，按规定当加载到1.1倍额定负载时，周期运行不少于1h。测试时的工作时间为：进退时，前进30s，停45s，后退30s，停45s，每周期150s，反复运行。当进退机构一个周期结束1s后，进行左行右行检测。左行14s，停23s，右行14s，停23s，左行右行一个周期75s。即左、右行机构每运行两个循环，进退机构运行一个循环。升降机构是在进退机构启动后15s启动，即在左、右行机构工作14s停止时启动，上升10s，停15s，下降10s，停15s，一个周期50s。也就是说，升降机构每运行3个循环相当于进退机构运行1个循环。电动单梁起重机任意两个机构不能同时启动，可同时运行，但3个机构不能同时运行。 （2）可编程控制器控制系统 用可编程控制器作起重机质量检测的控制设备，体积小便于携带，使用时与起重机接线简单，测试精确。采用S7200CPU214，图11-4所示为其输入/输出地址分配和PLC外部接线。图11-4PLC输入/输出地址分配与接线（3）PLC程序设计及工作过程分析 进退机构的梯形图及指令表如图11-5所示。运行时有手动操作和自动操作两种。1、自动运行过程2、手动操作左、右行机构梯形图及指令表如图11-6所示，升降机构控制梯形图及指令表如图11-7所示，工作原理与进退机构相同。图11-5进退机构工作梯形图及指令表自动运行过程 当自动运行开关S1合上后，10.0的常开接点闭合，Q0.1线圈接通，进退机构执行元件前进接触器通电，起重机开始前进；同时所有的定时器、计数器开始工作，定时器T37每5s产生一个宽度为一个扫描周期的脉冲，作为计数器的计数脉冲，当C33计到6时（即30s），C33的常闭接点断开，使Q0.1断电，前进停止。又过45s后，C34计数器计到15，C34常开接点闭合，Q0.2线圈接通，起重机开始后退，工作30s，即C35计数到2l，C35的常闭接点断开，Q0.2线圈断开，使后退停止。休息45s，C36计数30，C36的常开接点闭合，使所有计数器复位，又重新计数，进入第二次循环。手动操作 从梯形图可知，Q0.1有两条控制支路，I0.1的常开接点和I0.0的常闭接点串联构成手动操作支路，当S2合上时，Q0.1有输出，KM1接通，前进运行，当S2断开时，就停止前进，S3手动后退动作依此类推。图11-6左右行机构工作梯形图及指令表图11-7升降机构工作梯形图及指令表 当加载到1.1倍额定负载按控制要求反复运行1h后，若需要发出声光信号，并停止运行，只要增加图11-8所示的梯形图即可。起重机工作时，与C45的计数输入端联结的T37的常开接点每5s通断一次，C45计到12（125s=60s=1h），串接在前进、后退、左行、右行、上升、下降工作自动运行控制支路的C45常闭接点断开，使Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6均断开而停止工作。同时C45的常开接点接通，Q0.0、Q0.7线圈得电，发出声光信号，由于T41的作用，10s后，声音信号消失，但灯光信号仍保持。图11-8运行1h停止并有声光指示梯形图及指令表