第八章大中型PLC控制系统

第八章大中型PLC控制系统8.1西门子S7系列PLC概述在20世纪90年代，随着现代通信技术和IT技术的迅猛发展，为了满足现代化控制任务对PLC在实时性，快速性，大量的网络通讯和数据管理，分布式控制，集成现场设备的快速诊断等要求，西门子公司在1994年推出了S7系列PLC。根据控制要求和输入输出点数区分，S7系列PLC可以分为S7-200，S7-300，S7-400三个系列。1.S7-200系列PLCS7-200CPU将微处理器、集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的小型PLC，如图8-1所示。图8-1S7-200PLC示意图S7-200系列PLC定位为小型PLC控制系统，CPU本身集成输入，输出信号接口，并具有模块化扩展功能，最大输入输出点数可扩展至256点。S7-200CPU自身的输入点集成高速计数器，报警，和中断等功能。输出点分为继电器输出和晶体管输出两种，晶体管输出集成有高速脉冲输出功能。S7-200CPU除了自身集成的PPI通讯接口外还可以通过通信模块扩展不同的网络接口，如通过EM277模块扩展ProfibusDP现场总线从站接口，通过CP243-1模块扩展以太网接口。S7-200PLC还具被简单的定位功能，使得控制功能更加完善。S7-200CPU按照所集成的I/O规模，可分为CPU221，CPU222，CPU224，CPU224XP，CPU226。S7-200PLC使用STEP7MICROWIN软件进行编程，目前最新版本为V4.0SP9，该版本除原有的操作系统外，还支持在WIN7操作系统下安装使用，具体使用方法本章不做介绍。2.西门子S7-300系列PLCS7-300系列PLC定位为中型PLC控制系统，具有模块化扩展功能，适合最大输入、输出1000点左右的控制系统。S7-300系列CPU集成了各种中断处理能力，具有强大的通讯能力，如MPI,现场总线,工业以太网。通过扩展具有独立处理能力的特殊模块，S7-300系列PLC可以实现高速计数，单轴定位，具有插补功能的4轴路径控制，而不会影响CPU的处理速度。S7-300系列产品众多，功能强大，在本章以下章节会详细说明。S7-300系列PLC使用STEP7进行编程，目前最新版本为STEP7V5.5，该版本除原有的操作系统外，还支持在WIN7操作系统下安装使用。3.西门子S7-400系列PLCS7-400系列PLC定位为大型PLC控制系统,具有模块化扩展功能，适合输入输出点数在数万点左右的控制系统，S7-400系列PLC的CPU完全覆盖了S7-300系列CPU的中断处理能力和通讯能力，并在此基础上增加了数量和种类更多的报警中断，事件中断和循环中断等，即使在同一中断中，还可以选择不同出发事件的中断，在ProfibusDP上，S7-400系列CPU能实现等时数据通讯，可以使各个从站的输入信号能同时处理，输出命令可以同时发送给各个从站，极大的提高了系统的响应性和实时性。S7-400系列PLC控制系统能可以在一个站上同时插入最多4个CPU来完成一个控制任务。S7-400系列PLC还包括冗余H系统和故障安全系统F，冗余系统具有冗余的电源，CPU，通讯处理器，现场总线，通讯接口，输入输出通道等，单一的设备产生故障，不会影响整个控制系统。S7-400系列PLC使用STEP7进行编程，目前最新版本为STEP7V5.5，该版本除原有的操作系统外，还支持在WIN7操作系统下安装使用。8.2S7-300系列PLC硬件系统构成一个常见的S7-300系统主要组成部分有导轨（ＲＡＣＫ）、电源模块（ＰＳ）、中央处理单元ＣＰＵ模块、接口模块（ＩＭ）、信号模块（ＳＭ）、功能模块（ＦＭ）等。8.2.1导轨导轨（RACK）在s7-300系统中作为主机架和中央扩展机架，各个模块均安装在该机架上，机架中没有背板总线，导轨长度可以选择，也可以按照实际需要切割成任意尺寸。在机架上的CPU通过U型背板总线与各个模块连接。每个机架上面，除了电源，CPU和接口模块外，最多可以插入8个模块，每个模块无论体积大小，都占用一个槽号。如果系统模块超过8个，此时就需要新增机架和接口模块，PLC系统的模块扩展能力因PLC型号而异，S7系列314及以上型号的CPU最大扩展能力为32个模板，每个机架（层）安装8个模板，最多扩展3层机架。对于信号模板、功能模板和通讯处理器没有插槽限制，也就是说它们可以插到任何一个槽位。机架扩展示意图如图8-2所示：图8-2机架扩展示意图在机架上安装模块时，应该注意的是机架前3个槽位所安装的模块是固定的，1号槽位为电源，2号槽位为CPU，3号槽位为接口模块。接口模块IM360（发送）和IM361（接收）用来在机架之间传递总线。IMS接口代表发送，IMR接口代表接收。接口模块必须安装到特定的插槽（3号槽）。两层机架之间的电缆长度是有限定的，采用IM360/361的多层组态之间最大长度为10m，采用IM365的两层之间最大长度为1m。经济型的接口模块IM365支持扩展一层机架，扩展机架上不需要电源模块，由于IM365不提供K总线，所以扩展机架上只能安装SM模块，不能安装FM和PC模块。8.2.2电源模块S7-300系列PLC中的电源模块（PS307）将120/230VAC的电压转换为24VDC操作电压，然后提供给S7-300及其24VDC负载电路。在S7-300PLC系统中，PS307向CPU或接口模块提供24V电源，CPU和接口模块将24V电源转换为5V，向背板总线供电。PS307常见的输出电流为2A，5A和10A，根据系统的实际需求，可以选择不同的电源模块。S7-300系列PLC每个模块都会消耗一定的电流，选择电源模块时，所有模块所消耗的电流总和不能超过电源模块的输出电流。PS307与CPU之间没有背板总线连接，可以与CPU机架分离安装，CPU不能对电源模块进行诊断。系统也可以选择其他品牌的开关电源，但在输出功率和滤波功能等方面必须满足CPU的供电要求，否则会使CPU烧毁。8.2.3CPU模块CPU是PLC控制系统的心脏，所有的计算如外部信号扫描，计算和逻辑处理，输出等工作都是由CPU完成的。S7-300系列的CPU根据功能的不同，有CPU312到CPU319等众多型号。由序号的从低到高，CPU的功能逐渐增强。其技术指标主要区别于计算速度，通信资源和编程资源如计数器，定时器的个数等。常见的S7-300CPU实物图如图8-3所示：图8-3S7-300CPU实物图1.模式选择器MRES：模块复位功能(ModuleReset)STOP：停止模式，程序不执行RUN：程序执行，编程器只读操作RUN-P：程序执行，编程器读写操作2.状态指示灯SF：系统错误：CPU内部错误或带诊断功能模块错误BATF：电池故障：电池不足或不存在DC5V：内部5VDC电压指示FRCE：FORCE：指示至少有一个输入或输出被强制RUN：当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮STOP：在停止模式下常亮3.存储器卡为存储器卡提供一个插槽。当发生断电时利用存储器卡可以不需要电池就可以保存程序。对2002年10月以后的CPU，为了运行总需要一个微型存储器卡。它提供电源丧失情况下的后备。新型S7-300系列CPU的数据存储在MMC卡中，选配系统时，还需要为CPU选取MMC存储卡。MMC卡有64KB，128KB，256KB，512KB，2M，4M,8M等几种类型。选取存储卡的容量应根据实际工程中所需要的数据区大小来选择。MMC卡用来存储用户程序，不需要电池保护，系统掉电瞬间依靠内部电容将过程数据复制到MMC卡中。4.电池盒对2002年10月以前的CPU，在前盖下有一个装锂电池的空间，当出现断电时锂电池用来保存RAM中的内容。对2002年10月以后的CPU，不需要电池。a)早期的CPU314b)新型的CPU314c)新型的CPU315-2DP1-模式选择器2-存储器卡3-指示灯4-MPI接口5-DP接口132a)b)4c)55.MPI接口用MPI接口连接到编程设备或其它设备6.DP接口分布式I/O直接连接到CPU的接口。CPU本身都集成有各种类型的通信接口，紧凑型的CPU还集成有一定数量的信号模块。通过CPU的型号可以看出CPU本身的功能和集成的通讯接口数量及种类，如CPU314C-2PtP，表示CPU本身集成了数字量输入输出通道和模拟量输入输出通道，同时集成了两个通信接口，一个是MPI口，还有一个是PtP口。CPU315-2DP表示该CPU本身没有集成信号模块，集成了两个通信接口，一个是MPI口（编程接口，可以通过STEP7软件设置成DP口）。另一个是ProfibusDP接口。CPU315-2PN/DP表示该CPU集成了一个ProfibusDP接口和一个Profinet接口。具体每款不同CPU型号的具体技术规格可以参看西门子PLC选型手册，这里不做一一介绍。8.2.4信号模块S7-300系列PLC的信号模块可分为数字量输入模块（SM321）,数字量输出模块（SM322），数字量输入/输出模块（SM323）,模拟量输入/输出模块（SM333）模拟量输入模块（SM331）,模拟量输出模块（SM332）六种。1.数字量输入模块（SM321）数字量输入模块是PLC系统采集数字量信号的通道，可连电压为DC/AC24-48V，DC48-125V，AC120-230V的输入信号。输入模块的点数分为8、16、32点三种类型，输入模块将这些点数分成不同的组，组与组之间电源隔离，一组通道烧毁后不会影响同一模块的其他组的通道。2.数字量输出模块（SM322）数字量输出模块是PLC系统控制数字量负载的通道，可连电压为DC24-48V，DC48-125V，AC120-230V的负载。数字量输出模块分为晶体管输出和继电器输出两种类型，输入模块的点数分为8、16、32点三种类型，输出模块将这些点数分成不同的组，组与组之间电源隔离，一组通道烧毁后不会影响同一模块的其他组的通道。3.数字量输入/输出模块（SM323）数字量输入/输出模块（SM323）是将数字量输入功能和数字量输输出功能集成在一起的模块，其功能与数字量输入模块和数字量输出模块相同。4.模拟量输入模块（SM331）模拟量输入模块是PLC系统采集模拟量信号的通道，可以连接不同类型的传感器信号，如电压信号，电流信号和电阻信号，并将这些信号转换为二进制数字量信号。模拟量输入模块的通道分为8通道、4通道、2通道三种类型，转换精度有12位和13位两种。5.模拟量输出模块（SM332）模拟量输出模块是PLC系统将数字量信号转换为模拟量信号并输出的通道，模拟量输出模块可以输出两种不同类型的模拟量信号，电压信号和电流信号。模拟量输出模块的通道分为8通道、4通道、2通道三种类型，转换精度有12位和13位两种。6.模拟量输入/输出模块（SM333）模拟量输入/输出模块（SM333）是将模拟量输入功能和模拟量输出功能集成在一起的模块，其功能与模拟量输入模块和模拟量输出模块相同。8.2.5其他模块除了上述常用模块之外，S7-300系列PLC还有许多模块，例如实现各类通讯功能的通信模块，各类实现特定控制任务的功能模块，用于系统扩展的接口模块等，这些模块品类繁多，功能强大，此处不再一一介绍。8.2.6S7-300PLC硬件安装方法S7-300PLC可以水平安装也可以垂直安装，水平安装时，CPU和电源必须安装在左面；垂直安装时，CPU和电源必须安装在底部。除CPU外，每个模块都带有一个总线连接器，在组装模块时，必须要先将总线连接器插入到各个模块中，在插入总线连接器时，先从CPU开始然后将总线连接器插入另一个模块。按指定的顺序，将模块依次挂靠到导轨上，滑动到靠近左边的模块，然后向下旋转，安装到位后，用螺丝拧紧模块。具体安装示意图如图8-4所示：图8-4模块安装示意图8.3STEP7编程软件STEP7编程软件是S7-300/400系列PLC完成编程任务的工具软件，通过STEP7软件可以完成系统的硬件组态，软件设计