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本书系统介绍了西门子S7-200/300/400/1200等系列PLC技术。全书分两个部分,第一部分为基础篇,主要介绍了可编程序控制器(PLC)基础、可编程序控制器(PLC)基础、西门子PLC的软件、西门子PLC的指令系统、逻辑控制编程的编写方法与调试;第二部分为应用篇,包括PLC在过程控制中的应用、PLC在运动控制中的应用、PLC在变频器调速系统中的应用、PLC的PPI/MPI/PROFIBUS和MODBUS通信、工业以太网通信、西门子PLC其他应用技术等。
本书内容丰富,重点突出,强调知识的实用性,几乎每章中都配有大量实用的例题,便于读者模仿学习,另外每章配有习题供读者训练之用。大部分实例都有详细的软件、硬件配置清单,并配有接线图和程序。本书所配光盘中有重点内容的程序和操作视频资料。
内容简介
西门子PLC完全精通教程》从基础和实用出发,系统介绍了西门子S7-200/300/400/1200等系列PLC技术。全书分两个部分,第一部分为基础篇,主要介绍了可编程序控制器(PLC)基础、西门子PLC的硬件、西门子PLC的软件、西门子PLC的指令系统、逻辑控制编程的编写方法与调试;第二部分为应用篇,包括PLC在过程控制中的应用、PLC在运动控制中的应用、PLC在变频器调速系统中的应用、PLC的PPI/MPI/PROFIBUS和MODBUS通信、工业以太网通信、西门子PLC其他应用技术等。
本书内容丰富,重点突出,强调知识的实用性,几乎每章中都配有大量实用的例题,便于读者模仿学习,另外每章配有习题供读者训练之用。大部分实例都有详细的软件、硬件配置清单,并配有接线图和程序。本书所配光盘中有重点内容的程序和操作视频资料。
本书可供从事PLC应用的工程技术人员学习使用,也可以作为大中专院校的机电类、信息类专业的教材。
目录
第1篇 西门子PLC基础篇
第 1 章 可编程序控制器(PLC)基础 2
1.1 概述 2
1.1.1 PLC的发展历史 2
1.1.2 PLC的主要特点 3
1.1.3 PLC的应用范围 4
1.1.4 PLC的分类与性能指标 4
1.1.5 PLC与继电器系统的比较 5
1.1.6 PLC与微机的比较 5
1.1.7 PLC的发展趋势 6
1.1.8 PLC在我国 6
1.2 可编程序控制器的结构和工作原理 7
1.2.1 可编程序控制器的硬件组成 7
1.2.2 可编程序控制器的工作原理 10
1.2.3 可编程序控制器的立即输入、输出功能 11
小结 12
习题 12
第 2 章 西门子PLC的硬件 14
2.1 西门子PLC概述 14
2.2 S7-200系列PLC 15
2.2.1 S7-200 CPU模块 15
2.2.2 S7-200 CPU的接线 17
2.3 S7-200扩展模块 19
2.3.1 数字量I/O扩展模块 20
2.3.2 模拟量I/O扩展模块 21
2.3.3 其他扩展模块 23
2.4 S7-200电源需求计算 25
2.4.1 最大I/O配置 25
2.4.2 电源需求计算 25
2.5 S7-300 PLC常用模块及其接线 26
2.5.1 S7-300 PLC的基本结构 26
2.5.2 S7-300 PLC的CPU模块 27
2.5.3 数字量模块 31
2.5.4 模拟量模块 35
2.5.5 S7-300 PLC的通信处理模块 40
2.5.6 S7-300 PLC的功能模块 41
2.5.7 S7-300 PLC的其他模块 41
2.6 S7-400 PLC常用模块简介 42
2.6.1 S7-400 PLC的概述 42
2.6.2 S7-400 PLC的机架 43
小结 45
习题 45
第 3 章 西门子PLC的软件 47
3.1 西门子PLC编程软件的简介 47
3.1.1 LOGO!的编程软件 47
3.1.2 S7-200的编程软件 47
3.1.3 S7-200 SMART的编程软件 47
3.1.4 S7-1200的编程软件 47
3.1.5 S7-300/400的编程软件 47
3.2 S7-200的编程软件STEP 7-Micro/WIN的使用 47
3.2.1 STEP 7-Micro/WIN软件的界面介绍 47
3.2.2 编译STEP 7-Micro/WIN项目 50
3.2.3 用STEP7-Micro/WIN建立一个完整的项目 59
3.2.4 S7-200仿真软件的使用 65
3.3 S7-300/400编程软件STEP 7 的使用 66
3.3.1 STEP 7软件简介 66
3.3.2 编程界面的SIMATIC管理器 67
3.3.3 硬件组态与参数设置 71
3.3.4 STEP 7的下载和上传 83
3.3.5 STEP 7软件编程 87
3.3.6 STEP 7的打印和归档 89
3.3.7 用STEP 7 V5.5建立一个完整的项目 91
重点和难点 94
习题 95
第 4 章 西门子PLC的指令系统 96
4.1 西门子PLC的编程基础知识 96
4.1.1 数据的存储类型 96
4.1.2 编程语言 98
4.2 S7-200系列PLC的指令系统 99
4.2.1 S7-200的元件的功能与地址分配 99
4.2.2 位逻辑指令 103
4.2.3 定时器与计数器指令 107
4.2.4 功能指令 113
4.2.5 S7-200 PLC的程序控制指令及其应用 132
4.3 S7-300/400系列PLC的指令系统 139
4.3.1 S7-300/400编程元件与数据类型 139
4.3.2 寻址方式 142
4.3.3 CPU中的寄存器 146
4.3.4 位逻辑指令 147
4.3.5 定时器与计数器指令 152
4.3.6 其他常用指令 163
4.4 S7-300/400 PLC的程序结构 168
4.4.1 功能、功能块和数据块 168
4.4.2 组织块(OB) 174
4.5 S7-300/400实例 186
小结 191
习题 191
第 5 章 逻辑控制编程的编写方法与调试 194
5.1 顺序功能图 194
5.1.1 顺序功能图的画法 194
5.1.2 梯形图编程的原则 198
5.1.3 流程图设计法 200
5.2 应用实例 208
5.2.1 交通灯的PLC控制 208
5.2.2 液体混合的PLC控制 210
5.2.3 搬运站控制系统的设计 215
5.2.4 全自动洗衣机的PLC控制 221
5.3 程序的调试方法 227
5.3.1 硬件调试与诊断 227
5.3.2 用变量监控表进行调试 230
5.3.3 使用PLCSIM软件进行调试(对于S7-300/400) 233
小结 236
习题 237
第2篇 西门子PLC应用篇
第 6 章 PLC在过程控制中的应用 240
6.1 PID控制简介 240
6.2 利用PID指令编写过程控制程序 243
6.2.1 电炉的温度控制 243
6.2.2 利用PID指令编写水箱的水位控制程序 264
小结 267
习题 267
第 7 章 PLC在运动控制中的应用 268
7.1 PLC控制步进电机 268
7.1.1 步进电动机简介 268
7.1.2 直接使用PLC的高速输出点控制步进电动机 269
7.1.3 使用定位模块控制步进电动机 294
7.2 PLC控制伺服系统 305
7.2.1 伺服系统简介 305
7.2.2 直接使用PLC的高速输出点控制伺服系统 306
小结 308
习题 308
第 8 章 PLC在变频器调速系统中的应用 309
8.1 西门子MM440变频器使用简介 309
8.1.1 认识变频器 309
8.1.2 西门子MM440变频器使用简介 310
8.2 变频器多段调速 314
8.3 变频器模拟量调速 319
8.3.1 模拟量模块的简介 319
8.3.2 电流信号调速(利用S7-200) 320
8.3.3 电压信号调速(利用S7-300) 322
8.4 变频器的通信调速 323
8.4.1 MM440变频器通信的基本知识 323
8.4.2 S7-200与MM440变频器的USS通信调速 326
8.4.3 S7-1200 PLC与MM440的USS通信 331
8.4.4 S7-300与MM440变频器的场总线通信调速 337
8.5 使用变频器时,电动机的制动和正反转 342
8.5.1 使用变频器时,电动机的制动 342
8.5.2 使用变频器时,电动机的正反转 343
小结 344
习题 344
第 9 章 PLC的PPI/MPI/PROFIBUS和MODBUS通信 346
9.1 通信基础知识 346
9.1.1 通信的基本概念 346
9.1.2 RS-485标准串行接口 348
9.1.3 OSI参考模型 349
9.2 SIMATIC NET工业通信网络 350
9.2.1 工业通信网络结构 350
9.2.2 通信网络技术说明 350
9.3 认识PPI协议 351
9.3.1 初识PPI协议 351
9.3.2 PPI主站的定义 352
9.4 S7-200系列PLC之间的PPI通信 353
9.4.1 方法1--用指令向导 353
9.4.2 方法2--用网络读/写指令 357
9.5 MPI通信 360
9.5.1 MPI通信概述 360
9.5.2 无组态连接通信方式 360
9.6 PRIFOIBUS现场总线通信 367
9.6.1 PRIFOIBUS现场总线概述 367
9.6.2 S7-300系列PLC与第三方设备的PROFIBUS-DP通信 369
9.6.3 PROFIBUS-DP连接智能从站的应用 379
9.7 Modbus通信概述 389
9.7.1 Modbus通信概述 389
9.7.2 Modbus传输模式 389
9.7.3 Modbus消息帧 390
9.7.4 S7-200 PLC间Modbus通信 392
9.7.5 S7-200 PLC与S7-1200 PLC间的Modbus通信 398
9.7.6 S7-1200与S7-1200的Modbus通信 402
小结 406
习题 406
第 10 章 工业以太网通信 407
10.1 以太网通信概述 407
10.1.1 以太网通信简介 407
10.1.2 工业以太网通信简介 408
10.2 S7-200 PLC的以太网通信 409
10.2.1 S7-200 PLC间的以太网通信 410
10.2.2 S7-200 系列PLC与S7-300系列PLC间的以太网通信 423
10.2.3 S7-200系列PLC与组态王的以太网通信 431
10.3 S7-1200 PLC的以太网通信 439
10.3.1 S7-1200系列PLC间的以太网通信 439
10.3.2 S7-200系列PLC与S7-1200系列PLC间的以太网通信 446
10.3.3 S7-1200系列PLC与S7-300系列PLC间的以太网通信 454
10.4 S7-300/400系列PLC的以太网通信 460
10.4.1 西门子工业以太网通信方式简介 460
10.4.2 S7300/400工业以太网通信举例 461
小结 475
习题 475
第 11 章 西门子PLC其他应用技术 476
11.1 电源需求计算 476
11.1.1 S7-200的电源需求计算 476
11.1.2 S7-1200的电源需求计算 477
11.2 高速计数器的应用 478
11.2.1 高速计数器的简介 478
11.2.2 高速计数器在转速测量中的应用 480
11.3 PWM 488
11.3.1 PWM功能简介 488
11.3.2 PWM功能应用举例 489
11.4 程序的下载方法 492
11.4.1 S7-200系列PLC的程序下载方法 492
11.4.2 S7-1200系列PLC的程序下载方法 510
11.4.3 S7-300系列PLC的程序下载方法 512
小结 521
习题 521
参考文献 522
前言/序言
精通现代工业控制系统:西门子 S7-1500 高级编程与应用实践 本书聚焦于西门子新一代旗舰控制器 S7-1500 系列的深入应用与系统集成,旨在为具备一定西门子 PLC 基础知识的工程师、技术人员及高年级学生提供一套全面、实战导向的高级技术指南。 我们将彻底摒弃基础的硬件连接和简单的指令讲解,转而深入剖析 S7-1500 架构下的复杂功能实现、高性能编程技巧、系统诊断与网络集成,确保读者能够胜任当前工业 4.0 时代对复杂自动化系统集成的高标准要求。 第一部分:S7-1500 硬件架构与系统初始化深度解析 本部分将系统梳理 S7-1500 的核心技术特点,并着重讲解如何高效地配置和优化其硬件资源。 1.1 S7-1500 平台与 TIA Portal V17/V18 协同工作流: CPU 性能剖析与选型策略: 详细对比不同内存配置(RAM/Load Memory)对程序执行效率和数据存储的影响,阐述时钟频率、周期时间和中断处理能力的差异化应用。 PROFINET IO 接口的深度配置: 不仅仅是 IP 地址设置,重点讲解环网冗余(MRP/MRP-D)的配置与故障切换机制、实时通信(IRT)的原理及在运动控制中的应用,以及如何利用其内置的 Web 服务器进行实时诊断。 分布式 I/O 系统的集成与优化: 深入探讨 ET 200SP 模块的横向集成、本地诊断事件的生成与处理。讲解如何通过硬件组态的参数设置,优化通信周期和数据一致性。 安全机制的集成与应用(Safety Integrated): 详细介绍安全 CPU 的硬件选型、F-DI/F-DO 模块的接入,以及在 TIA Portal 中如何使用安全编程环境(Safety Editor)进行逻辑编写和安全级别(SIL/PL)的验证流程。 1.2 高级诊断与故障排除技术: 系统信息块(System Information Blocks): 如何利用标准功能库中的诊断功能块,实时获取 CPU 运行状态、温度、内存使用情况及通信错误。 Trace 功能的极限应用: 掌握高级设置下的示波器功能,用于捕获高速信号变化、I/O 状态切换的时序关系,精确到微秒级的事件分析。 日志记录与报警管理: 配置和优化历史报警(Historical Alarms)的存储策略,利用数据块(DB)或 OPC UA 接口将报警信息持久化,构建可靠的故障追溯体系。 第二部分:S7-1500 结构化编程与数据管理前沿 本部分将引导读者超越传统的 Ladder Diagram (LAD),专注于面向对象的编程(OOP)概念在西门子 PLC 中的高级实践,以及复杂数据结构的有效管理。 2.1 面向对象编程(OOP)在 S7-1500 中的实现: 数据块类(UDT)与实例数据块(Instance DB)的精细化管理: 深入理解 UDT 的继承性、多态性概念的模拟,以及如何通过“模板”创建功能块(FB)的通用接口。 功能块的封装与重用: 设计具有输入/输出接口、静态变量和临时变量的复杂 FB,实现驱动器控制、阀组管理等模块的标准化封装。 接口(Interface)的有效使用: 探讨在不同层级的程序结构中,如何利用接口机制简化数据交换,提高程序的模块化程度和可维护性。 2.2 结构化数据类型与高性能指令集: 数组(Array)与结构体(Structure)的组合应用: 掌握如何高效地操作多维数组,特别是在处理配方数据或多轴同步控制时,如何通过指针(Pointer)或 PEEK/POKE 指令安全地访问动态内存区域。 高级运算指令的性能优化: 深度讲解 TIA Portal 提供的数学运算(如傅里叶变换基础模块、PID 运算块)的使用场景,并分析其对扫描时间的实际影响。 循环与跳转指令的规范化使用: 遵循 IEC 61131-3 标准,合理运用循环结构(FOR, WHILE),减少不必要的程序分支,提升逻辑清晰度。 第三部分:PROFINET 高级通信与系统集成实战 S7-1500 作为现代网络的核心节点,其通信能力的深度挖掘是本教程的重点。 3.1 高速运动控制与同步通信: Technology Object (TO) 的全面应用: 详细讲解位置控制(Positioning)、速度控制(Velocity Control)和力矩控制(Torque Control)的 TO 配置。重点解析“绝对定位”、“相对定位”和“同步运动”的参数设置。 PTO(脉冲序列输出)与标准运动控制的对比: 在没有专用运动控制器(如 CU320-2)的情况下,如何利用 S7-1500 的高速输出实现精确的脉冲控制,并同步高速数据交换。 3.2 灵活的数据交换:OPC UA 接口深度集成: S7-1500 内置 OPC UA Server 的配置: 掌握如何定义服务器节点、安全证书的导入与管理,以及用户权限的设置。 数据结构映射与标准化: 如何将 PLC 中的内部数据块结构(DB)高效地映射为 OPC UA 的信息模型,为上位 SCADA 或 MES 系统提供标准化的数据访问接口。 客户端(Client)的初步测试与故障排查: 使用第三方 OPC UA 客户端工具对 PLC 服务器的连接性、数据刷新率进行验证。 3.3 站间通信与网络诊断: 集成 S7 客户端/服务器通信: 在多 PLC 架构中,配置 S7 连接,并深入分析不同连接类型(如主动/被动连接)的资源占用和数据一致性保证。 工业以太网中的 QoS (服务质量) 机制: 了解 PROFINET 实时数据包的优先级处理,以及在网络拥堵时如何优先保障关键控制信号的传输。 第四部分:HMI/SCADA 接口与数据可视化的高级集成 本部分关注如何将 S7-1500 的强大数据处理能力有效地可视化和操作。 4.1 WinCC Unified 系统的集成开发: WinCC Unified 界面设计与性能考量: 介绍现代 HMI 界面的设计原则,重点关注如何在 PC 站或移动端实现流畅的图形刷新和动画效果,避免因数据交换过于频繁导致界面卡顿。 数据源连接的高效管理: 利用 TIA Portal 内置的连接管理工具,优化 HMI 对 PLC 数据的读取策略(如轮询间隔、Tag 组态)。 4.2 数据归档与趋势分析的实现: 本地历史数据记录: 讲解如何利用 S7-1500 自身的归档功能块,实现对关键工艺参数(如温度、压力、位置偏差)的周期性或事件触发式存储。 安全配方管理: 深入讲解配方(Recipe)的创建、编辑、存储与调用过程,包括如何配置权限以防止未授权的用户修改生产参数。 本书面向的读者群体为: 已经掌握西门子 S7-300/400 基础,希望快速转型至 S7-1500 平台的资深自动化工程师。 负责大型、复杂生产线(如汽车制造、制药、食品饮料)集成项目的系统集成商。 致力于提升 PLC 编程技能,掌握面向对象和工业网络前沿技术的在职技术人员。 通过本书的学习,读者将不仅停留在“会用”PLC 的层面,而是能够深入理解 S7-1500 平台的设计哲学,掌握构建高性能、高可靠性、易于维护的现代自动化系统的核心技术。