PROFIBUS現(xiàn)場總線S7-300 PLC觸摸屏論文

1、PROFIBUS現(xiàn)場總線S7-300 PLC觸摸屏摘 要在PLC控制系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)PLC與現(xiàn)場設(shè)備、客戶端、服務(wù)器間實時通信，達到分散優(yōu)化綜合控制是工業(yè)控制領(lǐng)域的熱門問題。綜合控制系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)良直接影響著工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟性。深入研究應(yīng)用PLC及現(xiàn)場總線控制技術(shù)會為我國在工業(yè)自動化領(lǐng)域的進一步發(fā)展做出有益貢獻。工控行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)的西門子的PROFIBUS與SIMATIC系列PLC控制系統(tǒng)提供了完善的軟硬件支持和系統(tǒng)的解決方案。這樣縮短了工控系統(tǒng)的開發(fā)周期，擴展了設(shè)備間的通信能力，優(yōu)化了軟件設(shè)計，增強了系統(tǒng)兼容性。因此從理論上研究PROFIBUS現(xiàn)場總線以及深入探討西門子SIMATIC系列

2、PLC能夠拉近我國工業(yè)自動化與外國的差距，提升我國自動化產(chǎn)業(yè)的競爭力。本文從分析PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)入手，研究PROFIBUS-DP協(xié)議及其報文結(jié)構(gòu)，闡述SIMATIC S7-300系列PLC中PROFIBUS總線的應(yīng)用。用PLC取代原有繼電控制系統(tǒng)，完成了硬件選型，程序塊定義及梯形圖程序編輯及仿真調(diào)試、下載，實現(xiàn)了對電機調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控的設(shè)計。這一研究的目的在于實現(xiàn)基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的Siemens PLC S7-300控制系統(tǒng)設(shè)計及觸摸屏界面組態(tài)，包括PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、上位機管理和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。對于總線協(xié)議的研究可以更深入的掌握PROFIBUS的通信機制。PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)

3、場總線技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了系統(tǒng)高速實時通信的目的，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性和實時性。關(guān)鍵詞：PROFIBUS現(xiàn)場總線；S7-300 PLC；觸摸屏 AbstractNow PLC control system is widely studied and applied in the field of industrial automation. PLC control system conbine with Field-Bus will keep PLC,Field-unit, client and service computer in real-time communication. Th

4、is control system afect the industry production directly. So the combination of PLC control system and Field-Bus will become the hot spot in near future.The works of study and application of this combine system will enhance competence in this field of our country.Siemens, one of the most successful

5、supplier of automation products in world wide,has successfully supply a series of software and hardware base on PROFIBUSand PLC. It has enlarged the ability of communication among field units, shortened the research cycle, optimized the software application, enhanced the system compatibility. So we

6、should study the PROFIBUS Field-Bus from the theory of protocol level, and far more study the SIMATIC PLC. Those works will improve tech. a lot.This article describe the application of PROFIBUS in SIMATIC S7-300PLC, configure the hardware of the production line of wires in STEP 7,study the theory of

7、 PROFIBUS,analysis the protocols and message structure of PROFIBUS-DP define blocks of PLC.The purpose of this study is to design Siemens PLC S7-300 contorl system base on PROFIBUS Field-Bus. This control system include PLC field unit designing, the management of computer station and software simula

8、tions. The study of Field-bus protocols will promote the realization of PROFIBUS communications. The application of S7-300 PLC is valuable in the field of industry.The combination of PLC control system and Field-Bus tech.have fulfill the requirement of high speed communication，and ensure the system

9、to be more reliable stable and efective.Keywords:PROFIBUS Field-Bus;S7-300 PLC;Touch Screen 目 錄第一章 緒論11.1課題研究背景11.2PROFIBUS概述11.3現(xiàn)場總線技術(shù)的特點21.4本論文研究的意義及內(nèi)容31.5方案論證4第二章 西門子可編程控制器S7-30062.1 可編程控制器基礎(chǔ)62.1.1可編程控制器的產(chǎn)生62.1.2可編程控制器發(fā)展過程72.1.3可編程控制器的特點82.1.4可編程控制器的分類82.2 S7-300硬件模塊102.2.1機架112.2.2電源模塊112.2.3CPU

10、122.2.4信號模塊122.2.5通信模塊132.2.6功能模塊132.2.7接口模塊132.3硬件安裝142.3.1 S7-300安裝規(guī)范142.4組態(tài)硬件142.4.1創(chuàng)建一個項目152.4.2硬件配置16第三章 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)183.1 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)概述183.1.1PROFIBUS的優(yōu)點183.1.2PROFIBUS的通信協(xié)議連接部件193.1.3PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的主站和從站203.2建立PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)213.2.1集成DP接口的CPU作主站21第四章 觸摸屏的使用254.1人機界面254.1.1人機界面的概述254.1.2人機界面未來發(fā)展趨勢26

11、4.2觸摸屏的基本工作原理264.2.1觸摸屏的分類264.3 Wincc flexible概述284.3.1建立一個Wincc flexible項目284.3.2設(shè)置觸摸屏的參數(shù)30第五章 變頻器335.1變頻器概述335.2變頻器的工作原理34第六章 系統(tǒng)整體設(shè)計366.1控制任務(wù)366.1.1自動化生產(chǎn)線模型366.1.2控制系統(tǒng)技術(shù)要求376.2控制方案的設(shè)計386.2.1硬件的配置以及軟件的編程386.3建立灌裝生產(chǎn)線監(jiān)控項目466.3.1設(shè)置觸摸屏的通信參數(shù)466.3.2定義變量476.3.3組態(tài)監(jiān)控畫面486.3.4組態(tài)初始畫面516.3.5組態(tài)運行畫面526.3.6組態(tài)物料混合

12、畫面536.3.7組態(tài)參數(shù)設(shè)置畫面546.3.8組態(tài)趨勢視圖546.3.9項目的集成模擬調(diào)試55附錄57參考文獻58致 謝59 第一章 緒論1.1課題研究背景電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展又給自動化工業(yè)控制系統(tǒng)帶來了深刻的變革。逐步形成了現(xiàn)在的以網(wǎng)絡(luò)集成自動化為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。它具有開放式、數(shù)字化、容易進行數(shù)據(jù)交換的特點。它利用現(xiàn)場總線連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)形成數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特色的自動控制系統(tǒng)。這樣，現(xiàn)場總線成為當(dāng)今3C(Computer，Control，Communication)發(fā)展的結(jié)合點，也是過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的交匯點，而且是信息技術(shù)、

13、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的集中體現(xiàn)，是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸到現(xiàn)場的必然結(jié)果。因此，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種分布式控制系統(tǒng)，它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上作為控制節(jié)點的職能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化控制系統(tǒng)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化控制系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文主要是研究PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)與PLC的結(jié)合應(yīng)用。1.2PROFIBUS概述PROFOIBUS（Process Field Bus）是現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)，作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系。PROFIBUS

14、目前占有全世界最大的現(xiàn)場總線份額，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、過程自動化、電力、樓宇、鐵路交通等領(lǐng)域。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)要求，互聯(lián)網(wǎng)己逐漸滲入我們生活的各個方面，為了滿足運動控制要求，對不同電機的同步調(diào)速提出了越來越高的技術(shù)要求。在實踐中為了滿足工業(yè)的生產(chǎn)需要進行技術(shù)改造，使生產(chǎn)線達到分別控制不同類電機調(diào)速的要求?；诎惭b容易、節(jié)省成本、集中組態(tài)、減少維護成本和投資風(fēng)險等因素考慮，采用PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)下的PLC控制系統(tǒng)來改造電機的運動控制，使整條生產(chǎn)線系統(tǒng)框架的搭建和整個系統(tǒng)的配置和實現(xiàn)。利用西門子現(xiàn)有自動化產(chǎn)品組建基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的有效監(jiān)視

15、、控制等功能，為進一步應(yīng)用和推廣現(xiàn)場總線技術(shù)提供一個有效的實現(xiàn)平臺。1本論文主要介紹了PROFIBUS-DP通信協(xié)議，闡述了PLC、變頻器和觸摸屏的通信原理，并在此基礎(chǔ)上組成了由變頻器、觸摸屏、S7-300PLC組成的基于PROFIBUS-DP的變頻控制系統(tǒng)。介紹了控制系統(tǒng)的硬件組成、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能及軟件實現(xiàn)，簡述了控制系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用、優(yōu)點及實用價值。1.3現(xiàn)場總線技術(shù)的特點現(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它是自動化領(lǐng)域中計算機通信系統(tǒng)最底層的低成本網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國際電工委員會IEC61158標(biāo)準(zhǔn)定義：現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總

16、線?；诂F(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)采用總線方式代替一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了接線點造成的不可靠因素，并符合工控系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向。相對于傳統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System）有以下優(yōu)點：1.數(shù)字化的信號傳輸無論是現(xiàn)場總線底層傳感器、執(zhí)行器、控制器之間的信號傳輸，還是與上層工作站及高速網(wǎng)之間的信息交換，全部使用數(shù)字信號，實現(xiàn)了高速、雙向、多變量、多站點之間的通信。2.開放式、互操作性、互換性、可集成性現(xiàn)場總線技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)是全開放式的，從總線標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗到信息發(fā)布都是公開的，面向所有制造商和用戶。通信網(wǎng)絡(luò)可以

17、和其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)或高速網(wǎng)絡(luò)相連接，用戶可共享網(wǎng)絡(luò)資源。此外，現(xiàn)場總線特別強調(diào)互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。3.可靠性高、可維護性好基于現(xiàn)場總線的自動化系統(tǒng)具有現(xiàn)場設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，并可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠程參數(shù)設(shè)定、修改等工作，增強了系統(tǒng)的可維護性。4.降低系統(tǒng)成本現(xiàn)場總線的應(yīng)用將大大減少自動化系統(tǒng)的投資，僅系統(tǒng)布線、安裝、維護費用，可比傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)（DCS）減少一半以上。另外，還可以減少廠房面積、節(jié)省投資。2現(xiàn)場總線的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)產(chǎn)生了革命性變革。它改變了傳統(tǒng)的信息交換方式、信號調(diào)制和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的自動化功能概念和結(jié)構(gòu)形式，也改變了系統(tǒng)的設(shè)

18、計和調(diào)試方式，將會開拓一個嶄新的自動化控制新世界。1.4本論文研究的意義及內(nèi)容PROFIBUS目前占有全世界最大的現(xiàn)場總線份額，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、過程自動化、電力、樓宇、鐵路交通等領(lǐng)域。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)要求，互聯(lián)網(wǎng)己逐漸滲入我們生活的各個方面，為了滿足運動控制要求，對不同電機的同步調(diào)速提出了越來越高的技術(shù)要求。在實踐中為了滿足工業(yè)的生產(chǎn)需要進行技術(shù)改造，使生產(chǎn)線達到分別控制不同類電機調(diào)速的要求?；诎惭b容易、節(jié)省成本、集中組態(tài)、減少維護成本和投資風(fēng)險等因素考慮，采用PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)下的PLC控制系統(tǒng)來改造電機的運動控制，使整條生產(chǎn)線系統(tǒng)框架的搭建和整個系統(tǒng)

19、的配置和實現(xiàn)。利用西門子現(xiàn)有自動化產(chǎn)品組建基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的有效監(jiān)視、控制等功能，為進一步應(yīng)用和推廣現(xiàn)場總線技術(shù)提供一個有效的實現(xiàn)平臺。研究內(nèi)容如下：(1)研究PROFIBUS現(xiàn)場總線的通信協(xié)議和應(yīng)用接口技術(shù)，及其與現(xiàn)場設(shè)備、PLC和監(jiān)控管理設(shè)備的互聯(lián)；(2)研究Siemens PLC S7-300系列可編程序控制器(PLC)的原理和應(yīng)用；(3)通過查閱大量資料，分析PROFIBUS現(xiàn)場總線的通信協(xié)議；分析Siemens PLC與PROFIBUS搭建網(wǎng)絡(luò)的模式，并對PROFIBUS現(xiàn)場總線安裝技術(shù)進行詳細闡述。(4)以通過設(shè)計物料自動灌裝系統(tǒng)為例，研究最終的系統(tǒng)整合，

20、搭建成具有一定開放系統(tǒng)特性的基本系統(tǒng)。包括PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、上位機管理和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。 31.5方案論證物料灌裝自動化生產(chǎn)線在各企業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，但是很多企業(yè)設(shè)備嚴(yán)重老化，仍然使用繼電器控制系統(tǒng)，安裝接線復(fù)雜，并且出錯率高，進而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。為了解決上述問題，本論文采用基于PROFIBUS的PLC、變頻器和觸摸屏的綜合研究方案。本方案采用觸摸屏對運行過程進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤；用西門子S7-300的編程軟件進行編程，使現(xiàn)場的接線簡化，降低了出錯率，并且改裝容易；用變頻器控制電機，不僅能夠適應(yīng)不同要求的電機轉(zhuǎn)速，而且還能節(jié)能，最后通過PROFIBUS總線搭建成一個物料灌裝自動化

21、生產(chǎn)線系統(tǒng)。其中的硬件接線圖和結(jié)構(gòu)圖如圖1-1、1-2和1-3所示。圖1-1 數(shù)字量輸入和輸出模塊接線圖 4圖1-2數(shù)字量輸入/輸出模塊接線圖圖1-3物料灌裝自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5第二章 西門子可編程控制器S7-3002.1 可編程控制器基礎(chǔ)可編程控制器是工業(yè)自動化的基礎(chǔ)平臺，在工業(yè)現(xiàn)場中用于對大量的數(shù)字量和模擬量進行控制，例如電磁閥的開啟，電動機的起停，溫度、壓力、流量的設(shè)定，產(chǎn)品的計數(shù)與控制等。在學(xué)習(xí)自動化系統(tǒng)設(shè)計之前，首先了解可編程控制器的基礎(chǔ)知識。西門子系列的產(chǎn)品如圖2-1所示。圖2-1 西門子系列產(chǎn)品2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生可編程控制器的縮寫為PLC（Programmabl

22、e Logic Controller）,是將計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的控制設(shè)備。20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)過程及各種設(shè)備的控制主要是繼電器控制系統(tǒng)。繼電器控制簡單、實用，但是存在著明顯的缺點：設(shè)備體積大，可靠性差，動作速度緩慢，功能少，難以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是它是考硬件連線構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，一旦動作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，就必須進行重新設(shè)計、布線、裝配、和調(diào)試，所以通用性和靈活性差。生產(chǎn)上迫切需要一種使用靈活、6性能完善、工作可靠的新一代生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)。2.1.2可編程控制器發(fā)展過程PLC的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個階段：19701980

23、年：PLC的結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，由于PLC剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、1位機型、通用計算機型、單板機型等），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有PLC結(jié)構(gòu)形成，取得了市場的認可，得以迅速發(fā)展.推廣。PLC的原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟，PLC的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機床、生產(chǎn)線擴展。19801990年：PLC的普及階段。在這一階段，PLC的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，價格不斷下降，PLC被迅速普及。各PLC生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的價格.品種開始系列化，并且形成了固定I/O點型、基本單元加擴展塊型、模塊化結(jié)構(gòu)型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模型。PLC的應(yīng)用范

24、圍開始向順序控制的全部領(lǐng)域擴展。比如三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有F.F1.F2小型PLC系列產(chǎn)品,K/A系列中、大型PLC產(chǎn)品等。19902000年，PLC的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術(shù)的進步，PLC的功能日益增強，PLC的CPU運算速度大幅度上升、位數(shù)不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發(fā)，PLC的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。此外，PLC的體積大幅度縮小，出現(xiàn)了各類微型化PLC。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有FX小型PLC系列產(chǎn)品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列產(chǎn)品等。2000年至今：PLC的高性能與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)

25、的發(fā)展與工廠自動化的需要，PLC的各種功能不斷進步。一方面，PLC在繼續(xù)提高CPU運算速度，位數(shù)的同時，開發(fā)了適用于過程控制，運動控制的特殊功能與模塊，使PLC的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領(lǐng)域。與此同時，PLC的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展，PLC不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入/輸出設(shè)備，還可以通過各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為工廠自動化奠定了基礎(chǔ)。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有FX小型PLC系列產(chǎn)品（包括最新的FX3u系列產(chǎn)品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列產(chǎn)品等。 72.1.3可編程控制器的特點1.可靠性高，抗干擾能力強計算機雖然有很強的功能，但是抗干擾能力差，工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、電源波動、機

26、械振動、溫度和濕度的變化等都可以使一般通用計算機不能正常工作，而PLC是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用設(shè)計的，故對于可能受到的電磁干擾、高低溫及電源波動等影響，已在PLC硬件及軟件的設(shè)計上采取了措施，如在硬件方面采用了模塊式結(jié)構(gòu)，對易受干擾影響工作的部件采取了電和磁的屏蔽，對I/0接口采用了光電隔離，對電源及I/O接口采用了多種濾波。而在軟件方面給采用了故障檢測、診斷、信息保護和恢復(fù)等手段，一旦發(fā)生異常，CPU立即采取有效的措施，防止故障擴大，是PLC的可靠性大大提高。2.機構(gòu)簡單，應(yīng)用靈活PLC在硬件結(jié)構(gòu)上采用了模塊化積木結(jié)構(gòu)，各種輸入輸出信號模塊、通信模塊及一些特殊功能模塊，品種齊全。硬件接線簡單，一般

27、不需要很多配套的外圍設(shè)備。3.編程方面，易于使用PLC采用了與繼電器控制電路相似之處的梯形圖作為主要的編程語言，程序形象直觀，指令簡單易學(xué)，編程步驟和方法容易理解和掌握，不需要具備專門的計算機知識，只要具有一定電工和工藝知識的人員都可在短時間內(nèi)學(xué)會。4.功能完善，適用性強PLC具有對數(shù)字量和模擬量很強的處理功能，如邏輯運算、算術(shù)運算、特殊函數(shù)運算等。PLC具有常用的控制功能，如PID閉環(huán)回路控制、中斷控制等。PLC可以擴展特殊功能，如高速計數(shù)、電子凸輪空股指、伺服電機定位、多軸運動插補等。PLC可以組成多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、上位監(jiān)控等功能。2.1.4可編程控制器的分類為了滿足工業(yè)控制的要

28、求，PLC的生產(chǎn)制造商不斷地推出具有不同性能和內(nèi)部資源的PLC，形式多樣。在對PLC進行分類時，通常采用以下三種方法。1.按照I/O點數(shù)容量進行分類 8（1）小型機小型PLC的功能一般以開關(guān)量控制為主，其輸入/輸出點數(shù)一般在256點以下，用戶存儲容量在4KB以下。現(xiàn)在的高性能小型PLC還具有一定的通信能力和少量的模擬量處理能力。這來PLC的特點是價格低廉，體積小巧，適用于單機或小規(guī)模生產(chǎn)過程的控制。西門子公司的S7-200屬于小型機。（2）中型機中型PLC的輸入/輸出點數(shù)在2561024之間，用戶存儲容量為264KB。中型PLC不僅具有開關(guān)量和模擬量的控制功能，還具有更強的數(shù)字計算能力，它的網(wǎng)

29、絡(luò)通信功能和模擬處理能力更強大，中型機的指令比小型機更豐富，適用于復(fù)雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)過程的過程控制場合。西門子公司的S7-300屬于中型機。（3）大型機大型PLC的輸入/輸出總點數(shù)在1024點以上，用戶存儲容量為32KB幾MB。大型PLC的性能已經(jīng)與工業(yè)控制計算機相當(dāng)，它具有非常完善的指令系統(tǒng)，具有齊全的中斷控制、過程控制、智能控制和遠程控制功能，網(wǎng)絡(luò)通信功能十分強大，向上可與上位監(jiān)控系統(tǒng)機通信，向下可與下位計算機、PLC、數(shù)控機床、機器人通行、適用于大規(guī)模過程控制、分布式控制和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。西門子公司的S7-400屬于大型機。以上的劃分沒有嚴(yán)格的界限，隨著PLC技術(shù)的飛速發(fā)展，

30、某些小型PLC也具有中型或大型PLC的功能，這也是PLC的發(fā)展趨勢。2.按照結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC主要可以分為整體式和模塊式兩類。（1）整體式結(jié)構(gòu)整體式結(jié)構(gòu)的特點是將PLC的基本部件，如CPU、輸入輸/出部件、電源等集中于一體，裝在一個標(biāo)準(zhǔn)機殼內(nèi)，構(gòu)成PLC的一個基本單元。為了擴展輸入輸出點數(shù)，主機上設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)端口，通過擴展電纜可與擴展模塊相連，以構(gòu)成PLC不同的配置。整體式結(jié)構(gòu)的PLC體積小，成本低，安裝方便。小型PLC一般為整體式結(jié)構(gòu)。西門子公司的S7-200系列的PLC屬于整體式結(jié)構(gòu)。（2）模塊式結(jié)構(gòu) 9模塊式結(jié)構(gòu)的PLC由一些獨立的標(biāo)準(zhǔn)模塊構(gòu)成，如CPU模塊、輸入

31、模塊、輸出模塊、電源模塊等。用戶可根據(jù)控制要求選用不同檔次的CPU和各種模塊，將這些模塊插在機架或基板山，構(gòu)成需要的PLC系統(tǒng)。模塊式結(jié)構(gòu)的PLC，配置靈活，裝配和維修方便，便于功能擴展，大中型的PLC通常采用這種結(jié)構(gòu)，西門子公司的S7300/400系列PLC屬于模塊式結(jié)構(gòu)。3.按照使用情況分類按照使用情況分類，PLC可分為通用型和專用型1）通用型通用型PLC可供各工業(yè)控制系統(tǒng)選用，通過不同的配置和應(yīng)用軟件的編寫可滿足不同的需要。2）專用型專用型PLC是為某類控制系統(tǒng)專門設(shè)計的PLC，如數(shù)控機床專用型PLC。西門子公司也有專為數(shù)控機床設(shè)計的PLC。2.2 S7-300硬件模塊S7-300屬于模

32、塊式PLC，主要由機架、電源模塊、CPU模塊、信號模塊、通信模塊、功能模塊和接口模塊等組成，所有模塊安裝在機架上。 圖2-2 S7-300系列PLC 102.2.1機架機架（Rack）如圖2-3所示，用于連接和安裝PLC的所有模塊。圖2-3 機架 S7-300系列PLC使用DIN導(dǎo)軌作為中央機架和擴展機架，機架上沒有背板總線，CPU與其他模塊之間通過U型總線連接器連接，模塊不能帶電插拔。1.中央機架中央機架帶有K總線（串行通信總線）和P總線（并行I/O總線），可以安裝CPU模塊、信號模塊、通信模塊、功能模塊和接口模塊等。2.擴展機架擴展機架只帶有P總線，不能安裝需要K總線通信的功能模塊和通信模

33、塊。3.通用機架通用機架帶有K總線和P總線，既可以用于中央機架也可以用于擴展機架，在擴展機架上也可以安裝功能模塊和通信模塊。2.2.2電源模塊電源模塊（Power Suplly，PS）用于將AC或DC電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為CPU所需的DC24V和DC5V工作電壓。S7-300系列PLC的電源只提供DC24V電壓，輸出電流有2A、5A、10A三種型號。輸出電壓是隔離的，并具有短路保護，不帶有負載時輸出穩(wěn)定。一個LED用來指示電源是否正常，當(dāng)輸出電壓過載時，LED指示燈閃爍。選擇開關(guān)可以選擇不同的供電電壓：120V和230V。背板總線所需的DC5V電壓由CPU或接口模塊將DC24電壓轉(zhuǎn)換后供給。 112.

34、2.3CPUCPU的主要技術(shù)指標(biāo)有內(nèi)存空間、運算速度、內(nèi)部資源（如計數(shù)器、定時器個數(shù)）、中斷處理能力、通信方式等，早期的CPU是指2002年10月以前的產(chǎn)品，2002年10月以后生產(chǎn)的產(chǎn)品為新型的CPU。為了適應(yīng)不同應(yīng)用場合的需要，S7-300系列CPU有多種規(guī)格型號。按功能劃分主要由以下幾種類型：（1）通用型S7-312S7-319實現(xiàn)計算、邏輯處理、定時、通信等CPU的基本功能。（2）緊湊型：S7-300CCPU集成了輸入/輸出端口、高速計數(shù)、簡單定位和脈沖輸出等功能，適用于對處理能力有較高要求的中小型設(shè)備的控制。（3）故障安全性：S7-300FCPU經(jīng)過TUV(技術(shù)監(jiān)督學(xué)會)組織的認證，

35、可以組成為一個故障安全型自動化系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生故障時，確保控制系統(tǒng)切換到安全的模式，用于對安全要求較高的設(shè)備。（4）技術(shù)功能性：S7-300T具有智能技術(shù)/運動控制功能的SIMATIC CPU。（5）寬溫型：S7-300SIPLUS水平安裝-2560，垂直安裝-2540。2.2.4信號模塊信號模塊（Signal Module，SM）是控制系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系現(xiàn)場設(shè)備與CPU模塊的橋梁，通過輸入模塊將各類傳感器的輸入信號傳送到CPU進行運算處理，然后將邏輯結(jié)果和控制命令通過輸出模塊送出，達到控制生產(chǎn)過程的目的。信號模塊有電平轉(zhuǎn)換作用，在模塊中用光電耦合器、光敏晶閘管或小型電器等器件隔離PLC

36、的內(nèi)部電路和外部電路的輸入/輸出電路，防止從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲對CPU模塊的損壞。一些信號模塊還有故障診斷和過12程中斷的功能，可以對信號采集出錯或過程事件作出快速響應(yīng)。S7-300的信號模塊都有一個U型總線連接器，總線連接器通過背板總線與CPU連接。根據(jù)輸入輸出電壓的類型以及范圍，有各種不同類型的信號模塊可供選擇。有數(shù)字量輸入模塊DI、數(shù)字量輸出模塊DO、數(shù)字量輸入/輸出模塊DI/DO、模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、模擬量輸入/輸出模塊AI/AO。2.2.5通信模塊通信處理器（Communication Processor，CP）用于PLC之間、PLC和遠程I/O之間、P

37、LC與計算機和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于實現(xiàn)點對點通信。常用的通信處理器有用于分布式現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的CP342-5和CP443-5擴展型，用于工業(yè)以太網(wǎng)的CP343-1和CP443-1，用于AS-i網(wǎng)絡(luò)的CP343-2等。2.2.6功能模塊功能模塊（Fuction Module，F(xiàn)M）是智能信號處理模塊。他們不占用CPU 資源部的情況下對來自設(shè)備系統(tǒng)的信號運算與處理，并將此信號反送給控制過程，或者傳送給CPU的內(nèi)部接口。他們負責(zé)處理那些CPU通常無法以規(guī)定速度執(zhí)行的任務(wù)，例如高速脈沖計數(shù)、定位控制、

38、閉環(huán)控制或驅(qū)動控制等，從而使釋放CPU 資源用于其他重要的過程控制任務(wù)。2.2.7接口模塊接口模塊（Interface Module，IM）用來實現(xiàn)中央機架與擴展機架之間的通信，CPU所在的機架成為中央機架，如果一個機架不能容納控制系統(tǒng)的全部模塊可以增設(shè)一個擴展機架。在中央機架上安裝的接口模塊為IMS(發(fā)送器)，在擴展機架上安裝的接口模塊為IMR(接收器)。IM365用于配置一個中央機架和一個擴展機架。兩個模塊之間帶有固定的鏈接電纜，長度為1m。IM360和IM361用于擴展一個中央機架和3個擴展機架。IM360為IMS，13裝在中央機架上；IM361為IMR,裝在擴展機架上。2.3硬件安裝2

39、.3.1 S7-300安裝規(guī)范1.S7-300的安裝位置在控制柜中可以垂直或水平安裝S7-300的模塊，對于水平安裝，CPU和電源必須安裝在左側(cè)，對于垂直安裝，CPU電源必須安裝在底部。根據(jù)安裝位置的不同，可編程控制器的控制柜的環(huán)境溫度要求為垂直安裝為0-40；水平安裝0-60。2.S7-300的擴展能力S7-300系列314及以上的CPU最多擴展3層機架，機架在控制柜中左右為20mm，單層組態(tài)安裝時，上下為40mm，兩層組態(tài)安裝時，上下至少為80mm。每個機架最多安裝8個I/O模塊（信號模塊、功能模塊、通信處理器），最大擴展能力為32個模塊。電源為1號槽，CPU安裝在電源的右面為2號槽，接口

40、模塊安裝在CPU 的右面為3號槽，對于信號模塊、功能模塊和通信處理器沒有插槽限制，也就是說，他們可以插到任何一個槽位。接口模塊IM360和IM361用來在機架之間傳遞總線。IMS接口代表發(fā)送，IMR接口代表接受，接口模塊必須安裝到特定的插槽（3號槽）。選擇兩層機架之間的電纜長度時，IM360/IM361的多層組態(tài)之間的最大長度為10m，采用IM365的兩層之間的最大長度為1m，經(jīng)濟型的接口模塊IM365支持?jǐn)U展一層機架，擴展機架上不需要電源模塊，由于IM365不提供K總線，所以擴展機架上只能安裝SM模塊，不能安裝FM和CP模塊。2.4組態(tài)硬件組態(tài)硬件是STEP7軟件的一項重要功能，是對PLC硬

41、件模塊的參數(shù)進行設(shè)置和修改。組態(tài)硬件包括兩部分內(nèi)容，即組態(tài)硬件模塊設(shè)置參數(shù)。組態(tài)硬件模塊：在STEP7軟件的“硬件配置”工具中模擬真實的PLC硬件系統(tǒng)，將電源、CPU、信號模塊、功能模塊、通信處理模塊以及分布式I/O14模塊等硬件設(shè)備安裝到表示機架的組態(tài)表中。設(shè)置參數(shù)：對PLC硬件模塊屬性以及網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)等進行設(shè)置。如設(shè)置CPU的中斷系統(tǒng)，設(shè)置SM模塊的I/O地址，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信速率及各站地址等。2.4.1創(chuàng)建一個項目1.直接創(chuàng)建新項目在SIMATIC Manger的“文件”下拉菜單中點擊“新建”，或者點擊工具欄中的按鈕“新建”，彈出新建項目的對話框，輸入項目名稱，選擇存儲路徑。選中項目名，在“

42、插入”下拉菜單中點擊“站點”，選擇與工程項目所使用的CPU類型相匹配的站點。2.項目屬性設(shè)置選中項目名，單擊鼠標(biāo)右鍵彈出下拉菜單，選擇“對象屬性”，打開設(shè)置窗口，激活“可以在任何Windows語言設(shè)置（中性語言）下打開”如圖2-4所示。圖2-4項目屬性設(shè)置 153.編程器通信接口設(shè)置用戶可以選擇不同的接口設(shè)備實現(xiàn)編程器和PLC之間通信，如PC/MPI適配器、CP5613卡等。通信前，需要在“SIMATIC Manger”中設(shè)置接口類型及參數(shù)，方法是在“SIMATIC Manger”的“選項”下拉菜單中，點擊“設(shè)置PG/PC”接口，在彈出的對話框中選擇當(dāng)前使用的接口，點擊“屬性”可以設(shè)置通信地址

43、和傳輸速率，設(shè)置如圖2-5所示。圖2-5 通信接口設(shè)置2.4.2硬件配置1.啟動硬件配置編輯器在“SIMATIC Manager”窗口中選中“站點”，雙擊“硬件”圖標(biāo)啟動“組態(tài)硬件”應(yīng)用程序，點擊工具欄中的按鈕“目錄”打開“硬件目錄”窗口，依次安裝機架、電源模塊（PS）、CPU、信號模塊（SM）等模塊。本論文選用的電源模塊為“PS 307 2A”,CPU模塊為“CPU 315-2 PN/DP”,信號模塊為“DI8/DO8DC24V/0.5A”，最后的硬件配置如圖2-6所示。 16圖2-6 硬件配置2.保存組態(tài)參數(shù)點擊硬件配置工具欄中的按鈕“保存和編譯”將設(shè)置的模塊參數(shù)和地址的組態(tài)存盤并創(chuàng)建系統(tǒng)

44、數(shù)據(jù)塊SDB，SDB保存在CPU的“塊”文件夾中。這樣可以方便的更換CPU模塊，只需要將系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊下載到新的CPU模塊即可，無需重新組態(tài)。如果“保存和編譯”時出現(xiàn)問題，可以使用“站點”下拉菜單中的“一致性檢查”命令，檢查硬件配置中是否有錯誤，在一致性檢查期間發(fā)現(xiàn)的所有錯誤會顯示在窗口中。3.將組態(tài)下載到CPU 點擊硬件組態(tài)窗口工具欄中“下載到模塊”，在出現(xiàn)的對話框中點擊“視圖”查看當(dāng)前CPU地址，在“可訪問的節(jié)點”窗口中選擇CPU的地址，將CPU的硬件參數(shù)下載到CPU中。 17第三章 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)3.1 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)概述PROFIBUS(Process Filed Bus)是現(xiàn)

45、場級通信網(wǎng)絡(luò)，作為工廠數(shù)字通信的基礎(chǔ)，溝通生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系，用于制造自動化、過程自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備之間中小數(shù)據(jù)量的實時通信?，F(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)如圖3-1所示。 圖3-1 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)3.1.1PROFIBUS的優(yōu)點現(xiàn)場總線被廣泛的應(yīng)用，自然有它的優(yōu)勢所在。它的優(yōu)點是：1.設(shè)計、調(diào)試簡便，節(jié)省硬件安裝費用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線上可以連接多個設(shè)備，因而，電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量大大減少。2.系統(tǒng)維護、設(shè)備更換和系統(tǒng)擴充方便由于現(xiàn)場設(shè)備具有自診斷和簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診

46、斷維護信息傳送到上位監(jiān)控設(shè)備，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行和診斷維護信息。能夠早期分析故障原因并快速排查，縮短了維護停工時間，同時，由于系統(tǒng)結(jié)化，連線簡單而減少了維護工作量。3.用戶對系統(tǒng)配置設(shè)備選型有最大的自主權(quán)許多自動化產(chǎn)品企業(yè)的設(shè)備18都支持PROFIBUS協(xié)議，這樣就可以在一個企業(yè)中由用戶根據(jù)產(chǎn)品的性能和價格選擇不同場上提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，避免了集成過程中的自主球按完全掌握在用戶手中。4提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了故障停機時間由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度，并能在部件、甚至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨

47、立工作。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，大大提高了控制系統(tǒng)的容錯能力和可靠性。3.1.2PROFIBUS的通信協(xié)議連接部件1. PROFIBUS的通信協(xié)議PROFIBUS-DP（Distributed Peripheral，分布式外設(shè)）使用了ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)的第一層和第二層，這種精簡的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳送，用于PLC與現(xiàn)場分布式I/O設(shè)備之間的實時、循環(huán)數(shù)據(jù)通信。2.PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)連接部件（1）總線連接器PROFIBUS的電氣接口為RS-485接口，總線連接器使用9針D型連接器，D型連接器插座連接總線站，D型連接器插頭與總線電纜相連。其D型連接器的針

48、腳分配見如表3-1所示。表3-1 9針D型連接器的針腳分配引腳號信號規(guī)定1Shield屏蔽/保護地2M2424V輸出電壓的地3RxD/TxD-P接收數(shù)據(jù)/傳輸數(shù)據(jù)陽極（+）4CNTR-P中繼器控制信號（方向控制）5DGND數(shù)據(jù)傳輸勢位（對地5V）6VP終端電阻-P的供給電壓，（P5）7P24輸出電壓-24V8RxD/TxD-N接收數(shù)據(jù)/傳輸數(shù)據(jù)因陰極（-）9CNTR-N中繼器控制信號（方向控制） 19（2）RS-485中繼器如果一條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上超過了32個站點或者網(wǎng)絡(luò)傳輸距離需要擴展時，就要使用RS-485中繼器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷的隔離和擴展。RS-485如圖3-2所示。圖3-2 RS-48

49、5中繼器RS485中繼器是一個有源的網(wǎng)絡(luò)具有信號放大和再生的功能，需要占用一個站的地址，在一條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上最多可以安裝9個RS-485中繼器。3.1.3PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的主站和從站1.PROFBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中的主站一類DP主站：一類DP主站是系統(tǒng)的中央控制器可以主動的、周期的與其他的從站進行數(shù)據(jù)交換，同時也可以被動地與二類主站進行通信。下列設(shè)備可以作為一類DP主站：1）集成了DP接口的PLC，例如CPU315-DP、CPU315-2 PN/DP。2）沒有集成DP接口的CPU加上DP主站功能的通信處理器（CP）。3）插有PROFIBUS網(wǎng)卡的PC，例如WinAC控制器。用軟

50、件功能選擇PC做一類主站或是做編程監(jiān)控的二類主站。二類DP主站：二類DP主站是DP網(wǎng)絡(luò)中的編程、診斷和管理設(shè)備可以非周期性地與其他主站和DP從站進行進行組態(tài)、診斷、參數(shù)化和數(shù)據(jù)交換。下列設(shè)備可以做二類DP主站：2.以PC為硬件平臺的二類主站PC加PROFIBUS網(wǎng)卡可以做二類主站。西門子公司為其自動化產(chǎn)品設(shè)計了專用的編程設(shè)備，不過現(xiàn)在一般都用通用的PC和STEP7編程軟件做編程，用PC和Wincc組態(tài)軟件做監(jiān)控操作站。 203.PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中的從站DP從站是進行輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設(shè)備，它與組態(tài)它的DP主站進行交換數(shù)據(jù)，可以向該主站報告本地診斷中斷和過程中斷。DP從站

51、可以是分布式I/O模塊、支持DP接口的傳動裝置、其他支持DP接口的I/O或智能設(shè)備(S7-200)。西門子公司的分布式I/O模塊為ET200系列。3.2建立PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)3.2.1集成DP接口的CPU作主站1.網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置（1）組態(tài)PROFIBUS-DP主站在STEP7中創(chuàng)建一個新項目插入S7-300主站，進入硬件組態(tài)窗口，組態(tài)主機架模塊，裝入CPU315-2PN/DP時，新建一個Ethernet并設(shè)好IP地址，最后的設(shè)置如圖3-3所示。圖3-3 以太網(wǎng)的建立在導(dǎo)軌上雙擊“MPI/DP”打開屬性對話框，在接口類型中選擇PROFIBUS，單擊“屬性”，新建一個PROFIBUS主

52、站，建立完畢后如圖3-4所示。 21圖3-4 PROFOIBUS 主站（2）組態(tài)從站以ET200M為例組態(tài)從站：在右邊的產(chǎn)品目錄窗口中打開“PROFIBUS-DP”選擇ET200M型號，用鼠標(biāo)拖到網(wǎng)線，出現(xiàn)“十字”時，松開鼠標(biāo)，會彈出從站模塊屬性對話框，設(shè)置從站地址，在子網(wǎng)窗口中選中“PROFIBUS（1）”，將ET200M從站掛到網(wǎng)線上。鼠標(biāo)選中ET200M從站，在窗口下方從站列表中插入I/O信號模塊，設(shè)置地址時，從站地址不可以與主站及其他從站的地址沖突，必須是唯一的。完成后如圖3-5所示。 22圖3-5 PROFIBUS 從站完成硬件組態(tài)后，按工具欄中的鍵保存和編譯組態(tài)參數(shù)，按鍵將硬件組態(tài)參數(shù)下載到CPU。CPU集成了DP端口組成的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，主站對從站的訪問就像直接訪問自己機架上的I/O的模塊一樣，按照組態(tài)時設(shè)定的地址編寫相應(yīng)的程序。以CP342-5為例作為主站：CP342-5是S7-300系列的PROFIBUS通信模塊，帶有PROFIBUS接口，可以作為PROF