西門子CPU317-2PN/DP控制器模塊6ES7317-2EK13-0AB0

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學(xué)習(xí)PLC的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

、項(xiàng)目所需設(shè)備、工具、材料

見表1。西門子CPU317-2PN/DP控制器模塊6ES7317-2EK13-0AB0　

表1  項(xiàng)目所需設(shè)備、工具、材料

二、 訓(xùn)練內(nèi)容

按照前面的例子完成接線、輸入程序，按照要求進(jìn)行觀察。

1、項(xiàng)目描述

（1）按照提供的PLC原理接線圖完成接線；

（2）將提供的參考程序?qū)懭隤LC；

（3）根據(jù)操作步驟操作，觀察輸入、輸出設(shè)備的狀態(tài)。通過計(jì)算機(jī)監(jiān)視畫面，觀察并記錄各元件的狀態(tài)，并畫出時(shí)序圖；

（4）結(jié)合PLC程序執(zhí)行過程，分析程序結(jié)果。

2 、實(shí)訓(xùn)要求

2.1 接線圖與控制程序

按照圖1，完成PLC控制系統(tǒng)的硬件連接。圖中由于脈沖信號發(fā)生器的信號與按鈕輸入信號不同，因此，不能共用一個(gè)COM端。

按照圖2提供的梯形圖，利用計(jì)算機(jī)或手持編程器寫入PLC。

2.2 觀察要求

利用以上程序觀察并認(rèn)識程序的掃描周期和執(zhí)行過程。

（1）調(diào)整編碼器的頻率至1KHZ。按下開關(guān)SB1，這時(shí)，程序中的定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，而X0的上升沿使計(jì)數(shù)器的初始值復(fù)位，當(dāng)前值為0。計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)輸入的脈沖數(shù)。1s鐘后，定時(shí)時(shí)間到，計(jì)數(shù)停止。觀察此時(shí)的計(jì)數(shù)器當(dāng)前值是多少。從表面看，當(dāng)前值應(yīng)在1000左右，但實(shí)際上的當(dāng)前值會(huì)少得多，為什么？

（2）調(diào)整編碼器的頻率至20HZ。重復(fù)（1）的操作，觀察計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，與（1）有什么不同？為什么？

（3）斷開SB1，關(guān)閉編碼器電源，按下開關(guān)SB2，兩個(gè)指示燈為什么只亮一個(gè)？結(jié)合程序執(zhí)行過程分析原因。

3 時(shí)序圖分析

按下開關(guān)以后，部分繼電器時(shí)序圖如圖3所示。根據(jù)觀察結(jié)果，補(bǔ)充其他繼電器的時(shí)序圖。

PLC的主要模塊構(gòu)成（系統(tǒng)組成圖）

 PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成(見圖1），有的PLC還可以配備特殊功能模塊，用來完成某些特殊的任務(wù)。

  1．CPU模塊 

  CPU模塊主要由微處理器(CPU芯片)和存儲(chǔ)器組成。在PLC控制系統(tǒng)中廠CPU模塊相當(dāng)于人的大腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。

  2.I/O模塊 

  輸入(1nput)模塊和輸出(Output)模塊簡稱為I／O模塊，它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是外部現(xiàn)場設(shè)備和CPU模塊的橋梁。   

輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕；選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等過來的開關(guān)量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流、電壓信號。

    開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊月手來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。   

圖1 PLC控制系統(tǒng)示意圖 

  CPU模塊的工作電壓一般是5V，而PLC的輸入／輸出信號電壓一般較高，如直流24V和交流220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I／O模塊中，用光耦合器、光電晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的I／O電路，I／O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。

  3．編程器   

    編程器用來生成用戶程序，并用它進(jìn)行編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來給小型PLC編程，或者用于現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)。

    使用編程軟件可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。

    4．電源   

    PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供DC 5V，±12V，24V等直流電源。小型PLC一般都可以為輸入電路和外部的電子傳感器(如接近開關(guān))提供24V直流電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。

S7-300FSIMATIC S7-300F 故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)可使用在對安全要求較高的設(shè)備中。其可對立即停車過程進(jìn)行控制，因此不會(huì)對人身、環(huán)境造成損害。S7-300F 滿足下列安全要求：要求等級 AK 1 - AK 6 符合 DIN V 19250/DIN V VDE 0801安全要求等級 SIL 1 - SIL 3 符合 IEC 61508類別 1 - 4 符合 EN 954-1另外，標(biāo)準(zhǔn)模塊還可用在 S7-300F 及故障安全模塊中。因此它可以創(chuàng)建一個(gè)全集成的控制系統(tǒng)，在非安全相關(guān)和安全相關(guān)任務(wù)共存的工廠中使用。使用相同的標(biāo)準(zhǔn)工具對整個(gè)工廠進(jìn)行組態(tài)和編程。

S7-300自動(dòng)化系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。它擁有豐富的模塊，且這些模塊均可以獨(dú)立地組合使用。

一個(gè)系統(tǒng)包含下列組件：CPU：不同的 CPU 可用于不同的性能范圍，包括具有集成 I/O 和對應(yīng)功能的 CPU 以及具有集成 PROFIBUS DP、PROFINET 和點(diǎn)對點(diǎn)接口的 CPU。用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出的信號模塊 (SM)。用于連接總線和點(diǎn)對點(diǎn)連接的通信處理器 (CP)。用于高速計(jì)數(shù)、定位（開環(huán)/閉環(huán)）及 PID 控制的功能模塊（FM）根據(jù)要求，也可使用下列模塊：用于將 SIMATIC S7-300 連接到 120/230 V AC 電源的負(fù)載電源模塊(PS)。接口模塊 (IM)，用于多層配置時(shí)連接*控制器 (CC) 和擴(kuò)展裝置 (EU)。通過分布式*控制器 (CC) 和 3 個(gè)擴(kuò)展裝置 (EU)，SIMATIC S7-300 可以操作多達(dá) 32 個(gè)模塊。所有模塊均在外殼中運(yùn)行，并且無需風(fēng)扇。SIPLUS 模塊可用于擴(kuò)展的環(huán)境條件：適用于 -25 至 +60℃ 的溫度范圍及高濕度、結(jié)露以及有霧的環(huán)境條件。防直接日曬、雨淋或水濺，在防護(hù)等級為 IP20 機(jī)柜內(nèi)使用時(shí)，可直接在汽車或室外建筑使用。不需要空氣調(diào)節(jié)的機(jī)柜和 IP65 外殼。

設(shè)計(jì)簡單的結(jié)構(gòu)使得 S7-300 使用靈活且易于維護(hù)：安裝模塊：只需簡單地將模塊掛在安裝導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動(dòng)到位然后鎖緊螺釘。集成的背板總線： 背板總線集成到模塊里。模塊通過總線連接器相連，總線連接器插在外殼的背面。模塊采用機(jī)械編碼，更換極為容易更換模塊時(shí)，必須擰下模塊的固定螺釘。按下閉鎖機(jī)構(gòu)，可輕松拔下前連接器。前連接器上的編碼裝置防止將已接線的連接器錯(cuò)插到其他的模塊上?，F(xiàn)場證明可靠的連接：對于信號模塊，可以使用螺釘型、彈簧型或絕緣刺破型前連接器。TOP 連接：為采用螺釘型接線端子或彈簧型接線端子連接的 1 線 - 3 線連接系統(tǒng)提供預(yù)組裝接線另外還可直接在信號模塊上接線。規(guī)定的安裝深度所有的連接和連接器都在模塊上的凹槽內(nèi)，并有前蓋保護(hù)。因此，所有模塊應(yīng)有明確的安裝深度。無插槽規(guī)則:信號模塊和通信處理器可以不受限制地以任何方式連接。系統(tǒng)可自行組態(tài)。擴(kuò)展若用戶的自動(dòng)化任務(wù)需要 8 個(gè)以上的 SM、FM 或 CP 模塊插槽時(shí)，則可對 S7-300（除 CPU 312 和 CPU 312C 外）進(jìn)行擴(kuò)展：*控制器和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架zui多可連接32個(gè)模塊：總共可將 3 個(gè)擴(kuò)展裝置（EU）

• 過接口模板連接：通過 IM 365 擴(kuò)展：1 個(gè)擴(kuò)展裝置zui遠(yuǎn)擴(kuò)展距離為 1 米；電源電壓也通過擴(kuò)展裝置提供。通過 IM 360/361 擴(kuò)展：3 個(gè)擴(kuò)展裝置， CC 與 EU 之間以及 EU 與 EU 之間的zui遠(yuǎn)距離為 10m。每個(gè) CC / EU 都有自己的接口模塊。在*控制器上它總是被插在 CPU 旁邊的插槽中，并自動(dòng)處理與擴(kuò)展裝置的通信。單獨(dú)安裝：對于單獨(dú)的 CC/EU，也能夠以更遠(yuǎn)的距離安裝。兩個(gè)相鄰 CC/EU 或 EU/EU 之間的距離：達(dá) 10m。靈活的安裝選項(xiàng)：CC/EU 既可以水平安裝，也可以垂直安裝。這樣可以zui大限度滿足空間要求。通信

S7-300 具有不同的通信接口：

連接 AS-Interface、PROFIBUS 和 PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)的通信處理器。用于點(diǎn)到點(diǎn)連接的通信處理器多點(diǎn)接口 (MPI), 集成在 CPU 中；是一種經(jīng)濟(jì)有效的方案，可以同時(shí)連接編程器/PC、人機(jī)界面系統(tǒng)和其它的 SIMATIC S7/C7 自動(dòng)化系統(tǒng)。PROFIBUS DP進(jìn)行過程通信SIMATIC S7-300 通過通信處理器或通過配備集成 PROFIBUS DP 接口的 CPU 連接到 PROFIBUS DP 總線系統(tǒng)。通過帶有 PROFIBUS DP 主站/從站接口的 CPU,可構(gòu)建一個(gè)高速的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，并且使得操作大大簡化。從用戶的角度來看，PROFIBUS DP 上的分布式I/O處理與集中式I/O處理沒有區(qū)別（相同的組態(tài)，編址及編程）。以下設(shè)備可作為主站連接：SIMATIC S7-300（通過帶 PROFIBUS DP 接口的 CPU 或 PROFIBUS DP CP）SIMATIC S7-400（通過帶 PROFIBUS DP 接口的 CPU 或 PROFIBUS DP CP）

SIMATIC C7 （通過帶 PROFIBUS DP 接口的 C7 或 PROFIBUS DP CP）SIMATIC S5-115U/H、S5-135U 和 S5-155U/H，帶IM 308SIMATIC 505出于性能原因，每條線路上連接的主站不得超過 2 個(gè)。以下設(shè)備可作為從站連接：ET 200 分布式 I/O 設(shè)備S7-300，通過 CP 342-5CPU 313C-2 DP, CPU 314C-2 DP, CPU 314C-2 PN/DP, CPU 315-2 DP, CPU 315-2 PN/DP, CPU 317-2 DP, CPU 317-2 PN/DP and CPU 319-3 PN/DPC7-633/P DP, C7-633 DP, C7-634/P DP, C7-634 DP, C7-626 DP, C7-635, C7-636現(xiàn)場設(shè)備雖然帶有 STEP 7 的編程器/PC 或 OP 是總線上的主站，但是只使用 MPI 功能，另外通過 PROFIBUS DP 也可部分提供 OP 功能。通過 PROFINET IO 進(jìn)行過程通信SIMATIC S7-300 通過通信處理器或通過配備集成 PROFINET 接口的 CPU 連接到 PROFINET IO 總線系統(tǒng)。通過帶有 PROFIBUS 接口的 CPU,可構(gòu)建一個(gè)高速的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，并且使得操作大大簡化。從用戶的角度來看，PROFINET IO 上的分布式I/O處理與集中式I/O處理沒有區(qū)別（相同的組態(tài)，編址及編程）。可將下列設(shè)備作為 IO 控制器進(jìn)行連接：SIMATIC S7-300（使用配備 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）SIMATIC ET 200使用配備 PROFINET 接口的 CPU）SIMATIC S7-400使用配備 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）可將下列設(shè)備作為 IO 設(shè)備進(jìn)行連接：ET 200 分布式 I/O 設(shè)備ET 200S IM151-8 PN/DP CPU, ET 200pro IM154-8 PN/DP CPUSIMATIC S7-300使用配備 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）現(xiàn)場設(shè)備通過 AS-Interface 進(jìn)行過程通信S7-300 所配備的通信處理器 (CP 342-2) 適用于通過 AS-Interface 總線連接現(xiàn)場設(shè)備（AS-Interface 從站）。更多信息，請參見通信處理器。通過 CP 或集成接口（點(diǎn)對點(diǎn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信

通過 CP 340/CP 341 通信處理器或 CPU 313C-2 PtP 或 CPU 314C-2 PtP 的集成接口，可經(jīng)濟(jì)有效地建立點(diǎn)到點(diǎn)連接。有三種物理傳輸介質(zhì)支持不同的通信協(xié)議：

• 20 mA (TTY)（僅 CP 340/CP 341）
• RS 232C/V.24（僅 CP 340/CP 341）
• RS 422/RS 485

可以連接以下設(shè)備：

SIMATIC S7、SIMATIC S5 自動(dòng)化系統(tǒng)和其他公司的系統(tǒng)打印機(jī)機(jī)器人控制掃描器，條碼閱讀器，等特殊功能塊包括在通信功能手冊的供貨范圍之內(nèi)。使用多點(diǎn)接口 (MPI) 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信MPI（多點(diǎn)接口）是集成在 SIMATIC S7-300 CPU 上的通信接口。它可用于簡單的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。MPI 可以同時(shí)連接多個(gè)配有 STEP 7 的編程器/PC、HMI 系統(tǒng)（OP/OS）、S7-300 和 S7-400。全局?jǐn)?shù)據(jù)：全局?jǐn)?shù)據(jù)通信”服務(wù)可以在聯(lián)網(wǎng)的 CPU 間周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 一個(gè) S7-300 CPU 可與多達(dá) 4 個(gè)數(shù)據(jù)包交換數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包含有 22 字節(jié)數(shù)據(jù)，可同時(shí)有 16 個(gè) CPU 參與數(shù)據(jù)交換（使用 STEP 7 V4.x）。 

例如，可以允許一個(gè) CPU 訪問另一個(gè) CPU 的輸入/輸出。只可通過 MPI 接口進(jìn)行全局?jǐn)?shù)據(jù)通信。內(nèi)部通信總線(C-bus)：CPU 的 MPI 直接連接到 S7-300 的 C 總線。因此，可以通過 MPI 從編程器直接找到與 C 總線連接的 FM/CP 模塊的地址

、S7-300 PLC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、模塊化設(shè)計(jì)

• 模塊化微型PLC 系統(tǒng)，滿足中、小規(guī)模的性能要求

• 各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)化控制任務(wù)

• 簡單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活

• 方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計(jì)

• 當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展

• 大量的集成功能使它功能非常強(qiáng)勁

2、安裝簡單、維護(hù)方便

• DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝：只需簡單地將模塊鉤在 DIN標(biāo)準(zhǔn)的安裝導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動(dòng)到位，然后用螺栓鎖緊。

• 集成的背板總線：背板總線集成在模塊上，模塊通過總線連接器相連，總線連接器插在機(jī)殼的背后。

• 更換模塊簡單并且不會(huì)弄錯(cuò)：更換模塊時(shí)，只需松開安裝螺釘。很簡單地拔下已經(jīng)接線的前連接器。在連接器上的編碼防止將已接線的連接器插到其他的模塊上。

• 可靠的接線端子：對于信號模塊可以使用螺釘型接線端子或彈簧型接線端子

• TOP連接：采用一個(gè)帶螺釘或夾緊連接的1至3線系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)接線?；蛘咧苯釉谛盘柲K上進(jìn)行接線。

• 確定的安裝深度：所有的端子和連接器都在模塊上的凹槽內(nèi)，并有端蓋保護(hù)，因此所有的模塊都有相同的安裝深度。

• 沒有槽位的限制：信號模塊和通訊處理模塊可以不受限制地插到任何一個(gè)槽上，系統(tǒng)自行組態(tài)。

• 靈活布置：機(jī)架(CR/ER)可以根據(jù)布局需要，水平或垂直安裝。

• 獨(dú)立安裝：每個(gè)機(jī)架可以距離其他機(jī)架很遠(yuǎn)進(jìn)行安裝，兩個(gè)機(jī)架間(主機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架，擴(kuò)展機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架)的距離zui長為10 米。

• 如果用戶的自控系統(tǒng)任務(wù)需要多于8個(gè)信號模塊或通訊處理器模塊時(shí)，則可以擴(kuò)展 s7-300機(jī)架(CPU314以上)

三、S7-300 PLC性能

SIMATIC S7-300 的大量功能支持和幫助用戶進(jìn)行編程啟動(dòng)和維護(hù)

• 高速的指令處理：0.6~0.1μS的指令處理時(shí)間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。

• 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算：用此功能可以有效地實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算。

• 方便用戶的參數(shù)賦值：一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值，這樣就節(jié)省了入門和培訓(xùn)的費(fèi)用。

• 人機(jī)界面 (HMI)：方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300 操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機(jī)對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面(HMI)從S7-300中要求數(shù)據(jù)，S7-300按用戶的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送。

• 診斷功能：CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件 
  (例如：超時(shí)，模塊更換，等等)。

• 口令保護(hù)：多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。

• 操作方式選擇開關(guān)：操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式。

四、S7-300 PLC通訊功能

SIMATIC S7-300具有多種不同的通訊接口：

• 多種通訊處理器用來連接AS-i接口、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)

• 通訊處理器用來連接點(diǎn)到點(diǎn)的通訊系統(tǒng)

• 多點(diǎn)接口(MPI)集成在CPU中，用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATICS7/M7/C7等自動(dòng)化控制系統(tǒng)。這是一個(gè)經(jīng)濟(jì)而有效的解決方案；方便用戶的step7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。

（1）通過多點(diǎn)接口(MPI) 的數(shù)據(jù)通訊

所有CPU都配有一個(gè)MPI接口X1。組態(tài)配有MPI/DP接口的CPU，作為MPI節(jié)點(diǎn)。要使用DP接口，在STEP7中設(shè)置DP接口模式。

MPI（多點(diǎn)接口）表示用于PG/OP連接或用于在MPI子網(wǎng)中進(jìn)行通訊的CPU接口。所有CPU的典型（缺省）傳輸率為187.5kbps。對于與S7-200的通訊，還可以將傳輸率設(shè)置為19.2kbps。315-2PN/DP和317 CPU支持高達(dá)12Mbps的傳輸率。