西門子S7-300PLC 西門子S7-300PLC

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西門子S7-300 PLC簡介

2.1 PLC技術(shù)的概念及發(fā)展過程

2.1.1 PLC技術(shù)的概念

PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

2.1.2 PLC技術(shù)的發(fā)展歷史

*以來，計算機(jī)控制和傳統(tǒng)PLC控制一直是工業(yè)控制領(lǐng)域的兩種主要控制方法，PLC自1969年問世以來，以其功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到迅速推廣，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中競爭力的控制工具。但傳統(tǒng)的PLC體系結(jié)構(gòu)是封閉的，各個PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統(tǒng)各異，用戶選擇了一種PLC產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程，學(xué)習(xí)特定的編程語言，不利于終端用戶功能的擴(kuò)展。近年來，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，控制結(jié)構(gòu)更趨于分散化和復(fù)雜化，需要更多的用戶接口。同時，企業(yè)整合和開放式體系的發(fā)展要求自動控制系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，使企業(yè)能及時地了解生產(chǎn)過程中的諸多信息，靈活選擇解決方案，配置硬件和軟件。此外為了擴(kuò)大控制系統(tǒng)的功能，許多新型傳感器被加裝到控制單元上。

我國工業(yè)控制自動化的發(fā)展道路，大多是在引進(jìn)成套設(shè)備的同時進(jìn)行消化吸收，然后進(jìn)行二次開發(fā)和應(yīng)用。目前我國工業(yè)控制自動化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用都有了很大的發(fā)展，我國工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)形成。工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展。

2.1.3 PLC的發(fā)展趨勢

1、功能向增強(qiáng)化和專業(yè)化的方向發(fā)展，針對不同行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，開發(fā)出專業(yè)化

的PLC產(chǎn)品。以此來提高產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的易用性和專業(yè)化水平。

2、規(guī)模向小型化和大型化的方向發(fā)展，小型化是指提高系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越強(qiáng)；大型化是指應(yīng)用在工業(yè)過程控制領(lǐng)域較大的應(yīng)用市場，應(yīng)用的規(guī)模從幾十點(diǎn)擴(kuò)展到上千點(diǎn)，應(yīng)用功能從單一的邏輯運(yùn)算擴(kuò)展幾乎能滿足所有的用戶要求。

3、系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化和開放化方向發(fā)展，以個人計算機(jī)為基礎(chǔ)，在windows平臺上開發(fā)符合全新一體化開放體系結(jié)構(gòu)的PLC。通過提供標(biāo)準(zhǔn)化和開放化的接口，可以很方便地將PLC接入其它系統(tǒng)[2]。

2.2 PLC的功能特點(diǎn)

2.2.1 PLC的功能

隨著自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC的功能日益增多。它不僅能實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制，而且能實(shí)現(xiàn)多機(jī)群控制；不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還能實(shí)現(xiàn)過程控制、運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)處理等，其主要功能如下：

1、開關(guān)量邏輯控制

這是PLC的zui基本的功能。PLC具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，它提供了與、或、非等各種邏輯指令，可實(shí)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)等各種連接的開關(guān)控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。使用PLC提供的定時、計數(shù)指令，可實(shí)現(xiàn)定時、計數(shù)功能，其定時值和計數(shù)值既可由用戶在編程時設(shè)定，也可用數(shù)字撥碼開關(guān)來設(shè)定，其值可進(jìn)行在線修改，操作十分靈活方便。

2、模擬量控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。PLC提供了各種智能模塊，如模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、熱電阻用模擬量輸入模塊、熱電阻用模擬量輸出模塊等，通過使用這些模塊，把現(xiàn)場輸入的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送CPU處理；而CPU處理的數(shù)字結(jié)果，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備，以完成對連續(xù)量的控制。

3、閉環(huán)過程控制

使用PLC不僅可以對模擬量進(jìn)行開環(huán)控制，而且還可以進(jìn)行閉環(huán)控制。配置PID

控制單元或模塊，對控制過程中某一變量（如速度、溫度、電流、電壓等）進(jìn)行PID控制。

4、定時、定位、計數(shù)控制

PLC具有定時控制的功能，它為用戶提供了若干個定時器，定時器的時間可以由用戶在編寫程序時設(shè)定，也可以用撥盤開關(guān)在外部設(shè)定，實(shí)現(xiàn)定時或延時控制。定位控制是PLC*的控制功能之一。PLC提供了定位模塊、脈沖輸出模塊等智能模塊，以實(shí)現(xiàn)各種需求的定位控制。PLC具有計數(shù)控制的功能，它為用戶提供了若干個計數(shù)器或高速計數(shù)模塊。計數(shù)器的計數(shù)值可以由用戶在編寫程序時設(shè)定，也可以用撥盤開關(guān)在外部設(shè)定，實(shí)現(xiàn)計數(shù)控制。

5、順序（步進(jìn)）控制

在工業(yè)控制中，選用PLC實(shí)現(xiàn)順序控制，可以采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言——順序功能圖進(jìn)行設(shè)計，可以用移位寄存器和順序控制指令編寫程序。

6、網(wǎng)絡(luò)通信

現(xiàn)代PLC具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它既可以對遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)PLC與計算機(jī)之間的通信，從而構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動化。PLC通過RS232接口可與各種RS232設(shè)備進(jìn)行通信。PLC還可與其它智能控制設(shè)備（如變頻器、數(shù)控裝置）實(shí)現(xiàn)通信。PLC與變頻器組成聯(lián)合控制系統(tǒng)，可提高交流電動機(jī)的自動化控制水平。

7、數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票韀2]。

2.2.2 PLC的特點(diǎn)

1、通用性強(qiáng)、靈活性好、功能齊全

PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，具有面向工業(yè)控制的鮮明特點(diǎn)。通過選配相應(yīng)的控制模塊便可適用于各種不同的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時，由于PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，當(dāng)生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設(shè)備更新時，不必改變

PLC的硬件，只需改變程序，改變控制邏輯，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點(diǎn)數(shù)理論上無限制，因此，靈活性和擴(kuò)展性都很好。

2、可靠性高、抗*力強(qiáng)

為了確保PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠的工作。在設(shè)計中強(qiáng)化了PLC的抗*力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網(wǎng)電壓的變化，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。PLC在設(shè)計、生產(chǎn)過程中除了對元器件嚴(yán)格篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波。光電隔離和故障診斷、自動恢復(fù)等措施，有的PLC還采用了冗余技術(shù)等，進(jìn)一步增強(qiáng)了PLC的可靠性。

3、編程簡單、使用方便

PLC在基本控制方面采用梯形圖語言進(jìn)行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應(yīng)的，形式簡單、直觀性強(qiáng)，廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯率比匯編語言低得多。梯形圖、流程圖、語句表之間可以有條件的相互轉(zhuǎn)換，使用極其方便。

4、模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡單、調(diào)試方便

PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由機(jī)架和電纜將各模塊連接起來，由于配置靈活，使擴(kuò)展、維護(hù)更加方便。另外，PLC的接線十分方便，只需將輸入信號的設(shè)備（如按鈕、開關(guān)等）與PLC的輸入端子相連，將接受控制的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。調(diào)試工作大部分是室內(nèi)調(diào)試，用模擬開關(guān)模擬輸入信號，其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以觀察PLC上相應(yīng)的發(fā)光二極管，可以根據(jù)它進(jìn)行測試、排錯和修改[2]。

2.3 西門子S7-300 PLC

2.3.1 S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7-300 PLC是模擬式中小型PLC，電源、CPU和其他模塊都是獨(dú)立的，可以通過U形總線把電源（PS）、CPU和其他模塊緊密固定在西門子S7-300的標(biāo)準(zhǔn)軌道上。每個模塊都有一個總線連接器，后者插在各模塊的背后。電源模塊總是安裝在機(jī)架的zui左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM接口模塊，如果只用主架導(dǎo)軌而沒有使用擴(kuò)展支架可以不選擇IM接口模塊。

S7編程軟件組態(tài)主架導(dǎo)軌硬件時，電源，CPU和IM分別放在導(dǎo)軌的1號槽、2號

槽和3號槽上。一條導(dǎo)軌共有11個槽號：1號槽至11號槽，其中4號槽至11號槽可以隨意放置除電源、CPU和IM以外的其他模塊。如：DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、FM（功能模塊）和CP（通信模塊）等[3]。

2.3.2 S7-300 CPU模塊

CPU模塊是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的*控制責(zé)任，存儲并執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)通信功能，為U形總線提高5V電源。

CPU有4種操作模式：STOP（停機(jī)），STARTUP（啟動），RUN（運(yùn)行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過MPI接口與其他設(shè)備通信。

S7-300的CPU模塊大致可以分為以下幾類：

1、6種緊湊型CPU，帶有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。

2、革新的標(biāo)準(zhǔn)型CPU：CPU 312、314和315-2DP。

3、5種標(biāo)準(zhǔn)的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。

4、戶外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314戶外型和315-2DP。

5、大容量型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。

6、主從接口安全型CPU：CPU 315F-2DP[3]。

2.3.3 S7-300的模擬量輸入模塊

在生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量物體的成分和頻率等。有的是強(qiáng)電量，例如發(fā)電機(jī)組的電流、電壓、有功功率和無功功率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的量程的直流電流和直流電壓信號，例如DC1~5V和DC4~20mA。

模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般都是模擬量變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電壓，直流電流信號。

模擬量輸入/輸出模塊中模擬量對應(yīng)的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼來表示zui高位為符號位。模擬量輸入模塊的模擬值與百分?jǐn)?shù)表示的模擬量之間的對應(yīng)關(guān)系為：雙極性模擬量量程的上下限(*和-*)分別對應(yīng)模擬值27648和-27648。單極性模擬量量程的上下限(*和0%)分別對應(yīng)于模擬值27648和0[3]。

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