1、第七章SIMATIC S7-300/400 SIMATIC S7-300/400 PLCPLC的设计应用实例的设计应用实例第7章 SIMATIC S7-300/400 PLC的 设计应用实例o7.1 PROFIBUS现场总线控制网络现场总线控制网络 o7.2 基于基于PROFIBUS的三容水箱液位控制系统设计的三容水箱液位控制系统设计 o7.3 基于基于PROFIBUS的模拟锅炉液位控制系统设计的模拟锅炉液位控制系统设计o7.4 基于基于PC的的PLC控制电加热炉系统设计与实现控制电加热炉系统设计与实现 7.1 PROFIBUS现场总线控制网络现场总线控制网络 一、一、实验室控制网络组成实验室
2、控制网络组成二、二、系统硬件组成系统硬件组成 一、一、实验室控制网络组成实验室控制网络组成二、二、系统硬件组成系统硬件组成1一类主站一类主站 SIMATIC S7-300/400 PLC 2二类主站二类主站 PC计算机或工控机计算机或工控机3从站从站 包括分布式包括分布式I/O ET200，变频器和通过，变频器和通过DP/PA LINK连接的智能从站等。连接的智能从站等。4.被控对象被控对象 7.2 基于基于PROFIBUS的三容水箱的三容水箱液位控制系统设计液位控制系统设计一、一、QXLTT三容水箱实验装置介绍三容水箱实验装置介绍二、双容水箱液位控制系统组成及原理二、双容水箱液位控制系统组成
3、及原理三、系统网络及硬件组态三、系统网络及硬件组态四、实现四、实现S7300液位控制功能液位控制功能五、实现液位监控功能五、实现液位监控功能一一QXLTT三容水箱实验装置介绍三容水箱实验装置介绍二、双容水箱液位控制系统二、双容水箱液位控制系统组成及原理组成及原理o液位单回路控制框图液位单回路控制框图 三、系统网络及硬件组态三、系统网络及硬件组态 1通信端口设置通信端口设置 打开控制面板，双击 Set PG/PC Interface， 设置编程设备和控制器的通信接口 2网络及硬件组态网络及硬件组态 （1）创建项目 创建项目 “液位控制”。 插入一个S7300站，进入硬件组态 “Configuri
4、ng Hardware”界面。（2）配置机架点开右侧的硬件资源，从RACK-300中选择机架 （3）配置模块各模块如下： CPU314C-2DP 6ES7 314-6CF00-0AB0o 集成有 DI 8DC24V，AI5/AO212Bit， DI16/DO16DC24V。 o 设置AI、AO模块特性为电流420mA。 CP343 6ES7 343-1EX11-0XE0硬件组态 设置MAC地址（按标签上的物理地址）（4）保存硬件配置（5）下载硬件配置到PLC四、实现四、实现S7300液位控制功能液位控制功能（一）（一） 控制程序组态控制程序组态1在在S7 Program的的Blocks中建立程
5、序块中建立程序块FC1、OB35、FC2。oFC1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。oOB35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7-11所示。oFC2块实现输出操作信号的量程转换，将0.0-100.0之间的实型值转换为0-27648之间的数字量。 图7-11 循环中断时间的设定2. 编辑编辑FC1（a）1#容器液位输入处理量程转换（b）2#容器液位输入处理量程转换（c）3#容器液位输入处理量程转换3编辑编辑OB35（2#容器液位PID控
6、制） 4编辑编辑FC25. 编辑主程序编辑主程序OB1 6建立变量表建立变量表（二）程序调试（二）程序调试 o第1步 ：AI5/A02中的Inputs和Outputs量程设置 o第2步：Blocks中的程序块下载到S7300中 o第3步：变量表在线监控、程序在线监视变量表监控程序监视五、实现液位监控功能五、实现液位监控功能（一）创建项目（一）创建项目 打开打开WinCC软件，新建一个项目，取名软件，新建一个项目，取名 “S7300水水箱监控界面箱监控界面” （二）（二） 建立建立WINCC与与PLC的通信连接的通信连接 选择“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”中的“Indus
7、trial Ethernet”。该通道单元和协议用来访问工业以太网。在通道单元“Industrial Ethernet”下建立到S7300控制系统的逻辑连接，设置连接属性和参数。 通信驱动程序通道通信驱动程序通道连接属性和参数设置连接属性和参数设置（三）创建变量（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 变量及属性设置变量及属性设置（四）监控界面设计（四）监控界面设计 1.监控画面的创建和编辑监控画面的创建和编辑启动画面的编辑启动画面的编辑液位监控界面的编辑液位监控界面的编辑 PID参数设置界面的编辑参数设置界面的
8、编辑 I/O域的变量连接和属性设置域的变量连接和属性设置 2.在线趋势曲线界面的设计在线趋势曲线界面的设计（1）过程值归档）过程值归档 归档属性设置归档属性设置过程变量属性设置过程变量属性设置（2）趋势曲线界面设计）趋势曲线界面设计 添加添加WINCC 在线趋势控件在线趋势控件 在线趋势控件的属性设置在线趋势控件的属性设置3各画面的链接各画面的链接 利用按钮的属性配置可以实现各界面的跳利用按钮的属性配置可以实现各界面的跳转和返回。转和返回。（五）调试（五）调试o进入计算机属性对话进入计算机属性对话框，选择启动按钮，框，选择启动按钮，将将“文本库运行系文本库运行系统统”、“变量记录运变量记录运行
9、系统行系统”、“图形运图形运行系统行系统”选中并确定。选中并确定。o激活运行系统激活运行系统 界面在线运行状态监控界面在线运行状态监控 界面在线运行状态监控界面在线运行状态监控 7.3基于基于Profibus的模拟锅炉液位控制的模拟锅炉液位控制系统设计系统设计 o一、系统分析一、系统分析 系统硬件部分包括被控对象（实验室模拟锅炉系统硬件部分包括被控对象（实验室模拟锅炉系统）、系统）、S7-400控制器和控制器和PC机；采用模糊控机；采用模糊控制算法，应用制算法，应用Step7软件和软件和WinCC软件编写控软件编写控制和监控程序。制和监控程序。 1 1被控对象被控对象 主要由三部分构成：主要由
10、三部分构成： （1）变频水泵，高位恒压水塔和储水池构成的）变频水泵，高位恒压水塔和储水池构成的供、排水系统。供、排水系统。（2） 由分布在三个不同层面上的四个单元所组由分布在三个不同层面上的四个单元所组成的被控过程，这四个单元分别是：成的被控过程，这四个单元分别是： 1) 带有冷带有冷却水夹套的锅筒单元。；却水夹套的锅筒单元。；2）流量检测与调节执）流量检测与调节执行组合单元；行组合单元；3）回路的压力检测单元；）回路的压力检测单元；4）并联）并联双容单元。双容单元。（3）各种过程控制器，例如：常规控制仪表，）各种过程控制器，例如：常规控制仪表，可编程控制仪表等，以及工作电源和过程控制实可编程
11、控制仪表等，以及工作电源和过程控制实验操作台等。验操作台等。 2控制系统结构控制系统结构o一级主站S7400可编程控制器与二级主站PC机之间通过工业以太网通信，PC机主要有两种用途：o 系统监控。运行WinCC监控软件用于实时监控现场情况；o 作为工程师站运行STEP7软件和WinCC软件，进行系统硬件、软件、通信组态和监控界面、趋势、报警曲线的组态。oS7400可编程控制器与分布式可编程控制器与分布式I/O ET200之之间通过间通过Profibus总线协议连接，实时采集总线协议连接，实时采集现场信号并发出控制指令。现场信号并发出控制指令。o系统硬件采用系统硬件采用S7-400控制器，其各有
12、一块控制器，其各有一块16通道的通道的DI/DO模块，两块模块，两块8通道的通道的AI模块，模块，一块一块4通道的通道的AO模块。模块。 o用SIEMENS S7-400可编程序控制器的Step7软件设计一个两维模糊控制器。 4预期控制目标预期控制目标o系统具有快速、稳定的响应曲线，超调量应该小于20%，系统的调节时间为5s左右。当系统发生扰动时，被控液位能快速恢复到原来所给定的液位值。 3控制算法控制算法二、系统网络及硬件组态二、系统网络及硬件组态o1设置设置PG/PC接口接口2硬件组态硬件组态网络总览图 三三 系统控制软件组态系统控制软件组态1建立变量表和符号表建立变量表和符号表 地址说明
13、数据类型M0.1进水电磁阀动作VD1BOOLM0.2出水电磁阀动作VD2BOOLM0.3停止电磁阀VD-STOPBOOLM0.4手自动开关BOOLM0.5置1，自动调节BOOLM0.6上限报警BOOLM0.7下限报警BOOLQ0.0进水电磁阀BOOLQ0.1出水电磁阀BOOLPIW516锅筒液位数字量INTPIW522进水流量 数字量INTPIW524出水流量 数字量INTPQW512进水阀输出INTPQW514出水阀输出INTMD20锅筒液位实际值REALMD94进水流量实际值REALMD124出水流量实际值REALMD78进水阀开度REALMD86出水阀开度REALMD82出水阀门操作量R
14、EALMD90进水阀门操作量REALo2控制算法的实现控制算法的实现o（1）主程序 OB1里，主要实现了锅筒液位输入信号、进水流量信号的量程转换；进水阀门输出信号的量程转换；阀门的手自动切换程序，上下限报警程序等。输入、量程转换模块输出模块进水调节阀手自动切换 上限报警 （2） 模糊控制编程 SPUE-2-1012-2-2-2-200-1-2-1-1-100-2-1000100111201222求出偏差 偏差模糊化 o 数据类型转换，将输出取整数据类型转换，将输出取整 o本系统中偏差的实际变化范围为-500，500，需要转换到-2,2这个区间。用下面的例子说明如何调用模糊规则。如图7-60和7
15、-61所示，判断模糊化偏差与设定值处于论域-2，2中的某个等级，则调用相应的模糊规则。o 反模糊化 四监控系统组态四监控系统组态1启动启动WinCC；2创建新项目；创建新项目； 3添加添加PLC驱动程序驱动程序， o 4创建的创建的WinCC画面画面 o （1）启动画面设计）启动画面设计o （2）监控画面设计从图库选择需要插入的图形 Pipe、Valve，并建立对应地输入/输出域及设置相关按钮，进行在线控制。同时建立趋势曲线、报警、返回初始画面、退出运行四个按钮的链接。系统被激活后，锅筒液位的棒图可以显示的液位高度，同时旁边的输入/输出域可以实时显示液位数值。点击画面下侧的各个按钮，可以进入到
16、不同地画面。 o （3）趋势曲线画面设计）趋势曲线画面设计o 建立WinCC Online Trend，首先要建立变量记录。在趋势曲线画面中，建立了锅筒液位趋势曲线和阀门开度趋势曲线。同时，对这三个变量建立了WinCC Online Table。变量记录变量记录 变量记录 （4）报警画面设计）报警画面设计 液位值是模拟量，所以要对锅筒液位建立报警，首先要组态模拟量报警。设立的报警下限值应略大于实际液位下限值，报警上限值应略小于实际液位上限值。因为锅炉液位下、上限值为0和500，所以设立的报警下、上限值分别为50和450。 o 报警文本颜色设置报警文本颜色设置 o报警界面报警界面o 五系统运行五
17、系统运行1.系统开始运行系统开始运行，初始运行画面为“启动画面” 2.点击点击“进入监控进入监控”按钮按钮，进入锅炉液位监控画面 。o3.点击点击“进入曲线进入曲线”按钮按钮，进入趋势曲线画面，根据设定的参数，得到相应的趋势曲线 o 4.点击点击“报警报警”按钮，进入报警画面。按钮，进入报警画面。 六小结六小结 总结系统设计步骤如下：（1）分析系统并制定控制方案；（2）设计现场总线控制系统，选择控制器等硬件装置；（3）组态系统硬件、软件及网络通信；（4）组态系统监控界面；（5）检查系统通信正常，下载系统硬件、软件；（6）系统调试，得到系统的实时监控画面；（7）显示系统主要参数的趋势曲线；（8）
18、显示系统的参数报警界面。 7.4 基于基于PC的的PLC控制的控制的 电加热炉系统设计与实现电加热炉系统设计与实现o一、系统的网络结构、硬件结构及软件关系一、系统的网络结构、硬件结构及软件关系n1.系统网络结构系统网络结构n2.系统硬件结构系统硬件结构n 3.系统使用的软件系统使用的软件 o二、实验实施步骤二、实验实施步骤n1.硬件组态硬件组态n2.用户程序编写用户程序编写n3.系统监控功能的实现系统监控功能的实现 一、系统网络结构、硬件结构及软件关系一、系统网络结构、硬件结构及软件关系o1.系统网络结构o本实验系统的网络由两个层次构成：现场级和控制级。现场级由远程I/O ET200S作为PR
19、OFIBUS-DP从站，控制级为基于PC的PLCWinAC Slot型控制器，属于PROFIBUS-DP主站。o电加热炉控制系统的结构方框图 ：o2.系统硬件结构电加热炉内部钢样的温度由传感器测得，并转换为电信号输入到LTF-2A型温度场控制装置内，再经过变送器件成为标准的4-20mA电流信号和0-5V电压信号，输出给现场的远程I/O模块；系统的执行器是晶闸管器件，也安装于LTF-2A型温度场控制装置内。 o被控对象和元器件：3.系统使用的软件o本系统使用西门子的STEP7软件完成硬件组态和控制程序的编写；用西门子的WinAC软件的Computing子软件实现对控制过程的监控和操作。二、实验实
20、施步骤二、实验实施步骤o1.硬件组态o （1）创建工程，插入站点 o（2）主站和从站的组态 o按照现场使用的模块的订货号在元件库中进行选择，插入相应插槽中。 （3）组态信息下载o在硬件组态信息下载之前，必须按要求设置通信通道。 o双击桌面上的“Station Configurator”图标，将“station name”改为硬件组态中站点的名称 。 2.用户程序编写o系统采用STEP7软件编写控制程序，编程语言主要有梯形图、语句表和功能块图等类型。用户程序一般由组织块（OB）、功能块（FB）、功能（FC）、数据块（DB）等构成。OB1作为主程序循环块是必需的，将所有的程序放入OB1中进行编程。
21、编程时地址的设置方式有绝对地址法和符号地址法两种，本系统同时采用了这两种方法。使用符号地址一方面寻找变量比较方便、直观，另一方面便于在后边实现Computing软件与控制引擎进行变量的连接。根据过程控制的复杂程度，编程方式分为线性化编程、模块化编程和结构化编程，本系统采用比较简单的线性化编程方式。o（1）建立符号表o首先为系统中的各个变量建立符号表，分配地址。在“Getting Started”项目窗口查找到S7 程序，然后双击打开符号组件。在符号表中，为所有要在程序中寻址的绝对地址分配符号名和数据类型，各个变量分别设置符号地址和绝对地址。 o（2）编写用户程序o 本系统对电加热炉实施单回路控
22、制，采用PID控制算法，由于控制算法比较简单，用户程序设计使用梯形图编程语言、线性化编程方式。在组织块OB1中先后调用FC105、FB41和FC106，FC105是“SCALE”模块，将来自AO模块的整型值转换为工程中的实型温度值，输入给PID运算的模块FB41，FC106是“UNSCALE”模块，将FB41模块的输出值再转换成整型值，输送给AO模块。 o（3）用户程序下载到WinAC Sloto在离线窗口中选择 Blocks 文件夹，然后用菜单命令 PLC 下载，将程序下载到CPU，即WinAC Slot。o完成下载后，按照图7-91所示WinAC控制面板路径打开Win AC Slot控制面
23、板。将操作开关转到 RUN-P 位置，“RUN”点亮， “STOP”熄灭，CPU处于试运行工作状态。图图7-91 7-91 启动控制面板的路径及控制面板图启动控制面板的路径及控制面板图o（4）使用变量表进行控制程序的初步调试o通过监视和修改各个程序的变量来对它们进行测试。在打开的 SIMATIC 管理器以及“Getting Started 离线”项目窗口，找到 Blocks 文件夹，鼠标右工具栏中的键单击窗口右半边。使用鼠标右键的弹出菜单插入一个变量表VAT1。用确定关闭“属性”对话框，接受缺省设置。双击打开VAT1，输入需要监控变量的绝对地址、数据类型及设定初始值等。如图7-92所示，单击图
24、标，将变量表切换到在线方式建立与已组态的CPU 之间的连接；单击图标，对变量进行监视；单击图标在线修改变量设定值。3.系统监控功能的实现o（1）设置Computing 的访问接口o在使用WinAC Computing完成系统监控功能之前，应对Computing 的访问点进行设置。启动SIMATIC NET下的设置程序“Configuration Console”，选择“Access points”，双击右边数据窗口的“Computing”行，从打开的对话框中选择“PC internal(local)”。 o（2）“Computing Configuration” 设置o使用WinAC Comp
25、uting OPC Server 前应设置OPC服务器。点击“start”-“Simatic”-“PC Based Control”-“Computing Configuration”打开Computing 的设置程序，在“OPC”选项卡上有一连接选择项，选择是通过变量文件连接还是直接连接。o如果采用直接连接，则有两项内容需要输入： nComputer name: “”nControl Engine：WinAC控制器的类型，WinAC Slot则输入“wcS7=3”o（3）建立标签文件o如果选择通过变量文件连接，则需要使用标签文件，标签文件不但可以采用符号的方式访问WinAC 控制器中的数据，
26、还可以使用OPC 客户端程序访问多个WinAC Slot中的数据。先前在Step7 中已经定义了符号表，现在即可在WinAC 中组态标签。单击“PC Based Control”下的“Computing TagFile Configurator”，打开WinAC 的符号表编辑器，程序自动新建一个标签文件。右键单击此标签文件视图窗口的左边，从弹出菜单中选择“Insert Program”，打开选择 step7源程序的对话框如图18所示，从中选择要进行WinAC符号标定的程序，单击按钮将文件选入右边窗口。结果如图7-95所示，从中可以看到Step7 符号表中的变量已包含其中。右键单击窗口左边的文件
27、“ZDH_CPU_412-2 PCI”,从菜单中选择 “Edit”,打开“control Engine Configuration”对话框，设置如图7-96中所示。o（4）在软容器Computing SoftContainer 插入需要监控的变量 oComputing SoftContainer 是一个OLE 容器，在它的窗体上可以放置WinAC Computing提供的ActiveX 控件。使用Computing SoftContainer可以生成简单实用的HMI 界面窗口。o运行程序组“PC Based Control”下的程序Computing SoftContainer。在Comput
28、ing SoftContainer 的工具栏上除了常规的按钮以外还有WinAC Computing所带的ActiveX控件图标，这些ActiveX控件还可用在可作为OLE 容器的程序上。 各个控件的功能和含义 ：o1）数据（Data）控件：提供与控制引擎（WinAC-Slot）的连接。o2）按钮（Button）控件：连接控制引擎的位地址，实现读写两种方式，这里用于显示P、I、D的状态，绿色代表1（功能加入），红色代表0（功能取消）。o3）编辑（Edit）控件：与控制引擎的存储器相连，可以读写字和双字变量，既可以反映控制的变量，又可以修改控制器的变量；既可以反映过程值，也可以反映给定值。这里插入
29、四个编辑控件，其中一个用于显示过程反馈信号，另外三个用于显示和修改P、I、D状态值。o4）标签（Label）控件：与控制引擎相连，仅能用于显示，把任何过程值转换成字符串并显示出来，这里用于显示P、I、D的状态。o5）滑块（Slider）控件：可以读写控制引擎存储器字和双字变量，可以平滑连续地调节，这里用于调节给定值。o6）S7 诊断缓冲（DBuffer）控件：用以显示控制器WinAC-Slot的诊断缓冲器中的内容，DBuffer 控件直接连到控制器，而不像上述几个控件那样使用数据控件做连接。o双击窗体上的 Data对象，从弹出的窗口中选择“Engine”选项卡，选择通过标签文件进行连接，选择上
30、节保存的文件名作为标签文件，如图7-98所示。 o选中Connections 选项卡，用Browse 查找标签文件，如图7-95所示。分别设置对象的value 属性值，如图7-99所示，单击“OK”退出设置窗口。 图图7-98 7-98 选择连接方式为标签连接选择连接方式为标签连接 图图7-99 7-99 设置对象的设置对象的 value value 属性值属性值o鼠标单击工具栏上的运行按钮，使软容器平台运行，结果如图7-100所示，这就是一个简单系统监控画面。从图中可以看出，由滑块设定的温度给定值是60，现场温度反馈值为62.066，由按钮控件和编辑控件同时设定并现实的P、I、D状态为纯比利
31、控制，由标签控件也显示出了P、I、D的状态。 图图7-100 Computing SoftContainer 的运行效果的运行效果o本系统采用基于PC的PLCWinAC-Slot，把控制功能、监控功能、数据处理、通讯等功能集成在一台工业PC机中，具有与传统PC完全一样的实时特性，集成了PLC和PC的优点，提高了与PLC的通讯速度，具有高可靠性、易维护、可扩展和易操作等特点。西门子的WinAC软件不仅可以完成控制功能，而且可以用它的SIMATIC Computing 子软件实现人机交互功能，完成对过程变量的监控及在线修改控制参数等。如果结合VB软件、ACCESS数据库，还可以在人机界面上完成系统的实时响应曲线，更好地反映系统的运行情况。
