《现场总线技术》课件-第七章 SIMATICS7-300-400应用实例

第七章SIMATICS7-300/400PLC的设计应用实例第7章SIMATICS7-300/400PLC的

设计应用实例7.1PROFIBUS现场总线控制网络

7.2基于PROFIBUS的三容水箱液位控制系统设计

7.3基于PROFIBUS的模拟锅炉液位控制系统设计7.4基于PC的PLC控制电加热炉系统设计与实现

7.1PROFIBUS现场总线控制网络

一、实验室控制网络组成二、系统硬件组成

一、实验室控制网络组成二、系统硬件组成1．一类主站

SIMATICS7-300/400PLC

2．二类主站

PC计算机或工控机3．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

7.2基于PROFIBUS的三容水箱

液位控制系统设计一、QXLTT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三、系统网络及硬件组态四、实现S7300液位控制功能五、实现液位监控功能一．QXLTT三容水箱实验装置介绍二、双容水箱液位控制系统

组成及原理液位单回路控制框图三、系统网络及硬件组态

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

2．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“ConfiguringHardware”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：①CPU314C-2DP6ES7314-6CF00-0AB0集成有

DI8×DC24V，AI5/AO2×12Bit，

DI16/DO16×DC24V。设置AI、AO模块特性为电流4～20mA。②

CP3436ES7343-1EX11-0XE0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、OB35、FC2。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。FC2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OB35（2#容器液位PID控制）

4．编辑FC25.编辑主程序OB1

6．建立变量表（二）程序调试

第1步：AI5/A02中的Inputs和Outputs量程设置

第2步：Blocks中的程序块下载到S7300中第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（一）创建项目打开WinCC软件，新建一个项目，取名“S7300水箱监控界面”

（二）建立WINCC与PLC的通信连接

选择“SIMATICS7PROTOCOLSUITE”中的“IndustrialEthernet”。该通道单元和协议用来访问工业以太网。在通道单元“IndustrialEthernet”下建立到S7300控制系统的逻辑连接，设置连接属性和参数。

通信驱动程序通道连接属性和参数设置（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中的变量地址变量及属性设置（四）监控界面设计

1.监控画面的创建和编辑启动画面的编辑液位监控界面的编辑

PID参数设置界面的编辑

I/O域的变量连接和属性设置2.在线趋势曲线界面的设计（1）过程值归档

归档属性设置过程变量属性设置（2）趋势曲线界面设计

添加WINCC在线趋势控件

在线趋势控件的属性设置3．各画面的链接利用按钮的属性配置可以实现各界面的跳转和返回。（五）调试进入计算机属性对话框，选择启动按钮，将“文本库运行系统”、“变量记录运行系统”、“图形运行系统”选中并确定。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

7.3

基于Profibus的模拟锅炉液位控制系统设计一、系统分析二、系统网络及硬件组态三、系统控制软件组态四、监控系统组态五、系统运行六、小结一、系统分析系统硬件：被控对象（实验室模拟锅炉系统）、S7-400控制器和PC机；系统软件：Step7软件和WinCC软件，编写控制和监控程序；控制算法：采用模糊控制算法。1．被控对象模拟锅炉系统主要由三个部分构成：变频水泵，高位恒压水塔和储水池构成的供、排水系统。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：1)带有冷却水夹套的锅筒单元。；2）流量检测与调节执行组合单元；3）回路的压力检测单元；4）并联双容单元。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验操作台等。传感器、执行器

液位变送器（HM型压力变送器）

电动调节本节主要针对第一个单元实现锅筒的液位控制。2．控制系统结构系统的网络结构如图7-1所示。系统中PC机主要有两种用途：

①系统监控。运行WinCC监控软件用于实时监控现场情况；

②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。系统采用S7-400控制器，其各有一块16通道的DI/DO模块，两块8通道的AI模块，一块4通道的AO模块。S7400可编程控制器与分布式I/OET200之间通过Profibus总线协议连接，实时采集现场信号并发出控制指令。3．控制算法系统采用模糊控制算法，应用Step7软件设计一个两维模糊控制器，将控制器的模糊输出反模糊化后，控制调节阀的开度4．预期控制目标锅筒的液位变化范围是0—500mm，设计合适的控制器，使系统具有快速、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。二、系统网络及硬件组态表7.1S7-400站的系统硬件1．设置PG/PC接口选择参数为：ISOInd.Ethernet→RealtekRTL8139(A)PCIFastEthernetAdapter2．硬件组态在Step7组态界面HWConfig中顺序插入“机架”→“电源模块”→“CPU模块”→“以太网通讯模块”→“设置MAC地址”→“数字量、模拟量输入输出模块”→“修改模拟量输入/输出模块属性”→“存盘编译”网络总览图三．系统控制软件组态1．建立变量表和符号表地址说明数据类型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REALMD90进水阀门操作量REAL表2I/O分配和变量使用符号表变量表2．控制算法的实现（1）主程序（OB1）主要实现锅筒液位输入信号、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（2）模糊控制编程（OB35）中断服务程序，实现模糊化处理和模糊控制量表查询部分①求出偏差②偏差模糊化③数据类型转换，将输出取整④

判断模糊化偏差与设定值处于论域[-2，2]中的某个等级图7-60E是否等于-2E=-2，SP=-2，确定U⑤反模糊化四．监控系统组态1．启动WinCC2．创建新项目3．添加PLC驱动程序建立与S7400可编程控制器程序相对应的变量表

4．创建的WinCC画面（1）启动画面设计起始界面（2）监控画面设计系统被激活后，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趋势曲线、报警、返回初始画面、退出运行四个按钮的链接（3）趋势曲线画面设计首先要建立变量记录。对锅筒液位给定值、实际值以及阀门开度这三个变量建立WinCCOnlineTable系统被激活后，此画面可以显示出锅筒液位给定值、实际值以及阀门开度的实时趋势曲线。（4）报警画面设计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报警时文本信息的颜色选择为红色组态后的液位报警画面五．系统运行1.系统开始运行，初始运行画面为“启动画面”2.点击“进入监控”按钮，进入锅炉液位监控画面3.点击“进入曲线”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4.点击“报警”按钮，进入报警画面六．小结（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）显示系统的参数报警界面。7.4基于PC的PLC控制

电加热炉系统设计与实现

一、系统网络结构、硬件组成和使用的软件1.系统网络结构本实验系统自下而上依次为现场级和控制级。现场级由远程I/OET200S作为PROFIBUS-DP从站，控制级为基于PC的PLC——WinACSlot型控制器，为PROFIBUS-DP主站。1.系统网络结构

2.系统硬件结构

控制系统的原理方框图由基于PC的PLC——西门子的WinACSlot作为系统的控制器，其插板安装在工控机内；在电加热炉现场装有LTF-2A型温度场控制装置，内部有仪表控制和工控机控制点切换按钮。

系统的被控对象是实验用的电加热炉，用来模拟工业上的加热钢样的加热炉。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。系统的远程I/O装置西门子公司的SIMATIC

ET

200S系列分布式I/O模块作为PROFIBUS-DP从站。本系统选用了其中开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。ET200S背板总线采用了先进的传输技术，确保PROFIBUS

DP达到12Mbps的传输速率。输入、输出环节接口中接入光电隔离器。光电隔离器也称光电耦合器，简称光耦。这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。M5VS-AA-R型有源光电隔离器3.系统使用的软件

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、实验实施步骤

1.硬件组态

（1）创建工程，插入站点

双击进入SIMATICManager（项目管理器）开始创建一个新的STEP7项目，插入基于PC的PLC站点。（2）主站和从站的组态使用“开始->程序->SIMATIC->PCbasedControl”，打开控制器WinACSlot的操作面板，单击帮助的“about”，得到WinACSlot控制器的订货号6ES7612-2QH00-0AB4。远程I/O模块ET200SDP从站通信模块IM151：151-1AA02-0AB0电源模块PE：PM-EDC24/48V/AC24V6ES7-138-4CB10-0AB0模拟量输入模块AI：2AII4WIPEST6ES7-134-4GB10-0AB0模拟量输出模块AO：2AOIST6ES7-135-4GB00-0AB0数字量输入模块DI：2DIDC24VST6ES7-131-4BB00-0AA0数字量输出模块DO：2DODC24V/0.5AST6ES7-132-4BB00-0AA0（2）主站和从站的组态（3）组态信息下载

设置通信通道在

SIMATICManager程序中，选择菜单“Options”->“SetPG/PCinterface”打开“SetPG/PCinterface”对话框，将“S7ONLINE(Step7)”的访问点设置成“PCinternal(local)”将计算机站点名改为计算机名：单击桌面上的“StationConfigurator”图标

，将“stationname”改为硬件组态中站点的名称。组态网络单击STEP7工具栏上的“组态网络”

图标，出现“Netpro”界面，编译，选择“编译并检查全部”，无错误，则图标上出现黄色箭头，说明STEP7软件和WinACSlot控制器的通信通道连接上述步骤确认后，项目管理器的项目图标也出现黄色箭头，表示通信通道已经设置成功。此时单击硬件组态程序工具栏上的按钮“”便可以将硬件组态信息下载到WinACSlot。注意下载目标只选择CPU412-2PCI即可。2.用户程序编写系统采用STEP7软件编写控制程序，编程语言主要有梯形图、语句表、功能块图、图形化编程和结构化编程等类型。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。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。（1）建立符号表

首先为系统中的各个变量建立符号表，分配地址。在“GettingStarted”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。（2）编写用户程序

本系统对电加热炉实施单回路控制，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。（3）用户程序下载到WinACSlot

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WinACSlot。打开WinAC控制面板。将操作开关转到

RUN-P位置。“RUN”点亮，而“STOP”熄灭。CPU的试运行工作就绪。（4）使用变量表进行控制程序的

初步调试

在打开的

SIMATIC管理器以及“GettingStarted离线”项目窗口，找到

Blocks文件夹。使用鼠标右键的弹出菜单插入一个变量表VAT1。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。将变量表切换到在线方式建立与已组态的CPU之间的连接。单击工具栏中的

图标，对变量进行监视；单击工具栏中的图标在线

修改变量设定值。3.系统监控功能的实现（1）设置Computing的访问接口

在使用WinACComputing完成系统监控功能之前，应对Computing的访问点进行设置。启动SIMATICNET下的设置程序“ConfigurationConsole”，选择“Accesspoints”，双击右边数据窗口的“Computing”行，从打开的对话框中选择“PCinternal(local)”，单击“OK”关闭对话框（2）“ComputingConfiguration”设置

使用WinACComputingOPCServer前应设置OPC服务器。点击“start”->“Simatic”->“PCBasedControl”->“ComputingConfiguration”打开Computing的设置程序，在“OPC”选项卡上有一连接选择项。其设置按照WinACComputing与WinAC控制器的连接方式氛围两种，包括“直接连接”（即DirectConnection）和“通过标签文件连接”（即ConnectionviaTagfile）。1）直接连接

Computername:“<Local>”ControlEngine：WinAC控制器的类型，WinACSlot则输入“wcS7=3”在上述对话框中点击“Computing”选项，复选“CPU41xPCIviainternal(local)”2)标签文件连接方式

首先要创建标签文件，单击“PCBasedControl”下的“ComputingTagFileConfigurator”，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“InsertProgram”，打开选择

step7源程序的对话框。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“ZDH_CPU_412-2PCI”,从菜单中选择“Edit”,打开“controlEngineConfiguration”对话框。在同一标签文件下添加新的文件并进行设置，完成后存盘退出。标签文件的扩展名为.tsd。标签文件创建后便可与标签源文件连接，之后可以通过符号的方式访问WinAC控制器中的数据。

点击“start”->“Simatic”->“PCBasedControl”->“ComputingConfiguration”打开Computing的设置程序，在“OPC”选项卡上有一连接选择项。单击“Browse”，找到刚刚建立的标签文件，导入并确定即可。（3）在软容器ComputingSoftContainer插入需要监控的变量

ComputingSoftContainer为一个OLE容器，在它的窗体上可以放置WinACComputing提供的ActiveX控件。使用ComputingSoftContainer可以生成简单实用的HMI界面窗口。运行程序组“PCBasedControl”下的程序ComputingSoftContainer。在ComputingSoftContainer的工具栏上除了常规的按钮以外还有WinACComputing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。添加Data和相应控件1）数据（Data）控件：提供与控制引擎（WinAC-Slot）的连接。2）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1（功能加入），红色0（功能取消）。3）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