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西門子S7-300 PLC簡介 2.1 PLC技術的概念及發展過程 2.1.1 PLC技術的概念 PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。 2.1.2 PLC技術的發展歷史 *以來，計算機控制和傳統PLC控制一直是工業控制領域的兩種主要控制方法，PLC自1969年問世以來，以其功能強、可靠性高、使用方便、體積小等優點在工業自動化領域得到迅速推廣，成為工業自動化領域中競爭力的控制工具。但傳統的PLC體系結構是封閉的，各個PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統各異，用戶選擇了一種PLC產品后，必須選擇與其相應的控制規程，學習特定的編程語言，不利于終端用戶功能的擴展。近年來，工業自動化控制系統的規模不斷擴大，控制結構更趨于分散化和復雜化，需要更多的用戶接口。同時，企業整合和開放式體系的發展要求自動控制系統應具有強大的網絡通訊能力，使企業能及時地了解生產過程中的諸多信息，靈活選擇解決方案，配置硬件和軟件。此外為了擴大控制系統的功能，許多新型傳感器被加裝到控制單元上。 我國工業控制自動化的發展道路，大多是在引進成套設備的同時進行消化吸收，然后進行二次開發和應用。目前我國工業控制自動化技術、產業和應用都有了很大的發展，我國工業計算機系統行業已經形成。工業控制自動化技術正在向智能化、網絡化和集成化方向發展。 2.1.3 PLC的發展趨勢 1、功能向增強化和專業化的方向發展，針對不同行業的應用特點，開發出專業化

的PLC產品。以此來提高產品的性能和降低產品的成本，提高產品的易用性和專業化水平。 2、規模向小型化和大型化的方向發展，小型化是指提高系統可靠性基礎上，產品的體積越來越小，功能越來越強；大型化是指應用在工業過程控制領域較大的應用市場，應用的規模從幾十點擴展到上千點，應用功能從單一的邏輯運算擴展幾乎能滿足所有的用戶要求。 3、系統向標準化和開放化方向發展，以個人計算機為基礎，在windows平臺上開發符合全新一體化開放體系結構的PLC。通過提供標準化和開放化的接口，可以很方便地將PLC接入其它系統[2]。 2.2 PLC的功能特點 2.2.1 PLC的功能 隨著自動化技術、計算機技術及網絡通信技術的迅速發展，PLC的功能日益增多。它不僅能實現單機控制，而且能實現多機群控制；不僅能實現邏輯控制，還能實現過程控制、運動控制和數據處理等，其主要功能如下： 1、開關量邏輯控制 這是PLC的基本的功能。PLC具有強大的邏輯運算能力，它提供了與、或、非等各種邏輯指令，可實現繼電器觸點的串聯、并聯和串并聯等各種連接的開關控制，常用于取代傳統的繼電器控制系統。使用PLC提供的定時、計數指令，可實現定時、計數功能，其定時值和計數值既可由用戶在編程時設定，也可用數字撥碼開關來設定，其值可進行在線修改，操作十分靈活方便。 2、模擬量控制 在工業生產過程中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。PLC提供了各種智能模塊，如模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、熱電阻用模擬量輸入模塊、熱電阻用模擬量輸出模塊等，通過使用這些模塊，把現場輸入的模擬量經A/D轉換后送CPU處理；而CPU處理的數字結果，經D/A轉換成模擬量去控制被控設備，以完成對連續量的控制。 3、閉環過程控制 使用PLC不僅可以對模擬量進行開環控制，而且還可以進行閉環控制。配置PID西門子6ES7312-1AE14-0AB0西門子6ES7312-1AE14-0AB0

控制單元或模塊，對控制過程中某一變量（如速度、溫度、電流、電壓等）進行PID控制。 4、定時、定位、計數控制 PLC具有定時控制的功能，它為用戶提供了若干個定時器，定時器的時間可以由用戶在編寫程序時設定，也可以用撥盤開關在外部設定，實現定時或延時控制。定位控制是PLC*的控制功能之一。PLC提供了定位模塊、脈沖輸出模塊等智能模塊，以實現各種需求的定位控制。PLC具有計數控制的功能，它為用戶提供了若干個計數器或高速計數模塊。計數器的計數值可以由用戶在編寫程序時設定，也可以用撥盤開關在外部設定，實現計數控制。 5、順序（步進）控制 在工業控制中，選用PLC實現順序控制，可以采用IEC規定的用于順序控制的標準化語言——順序功能圖進行設計，可以用移位寄存器和順序控制指令編寫程序。 6、網絡通信 現代PLC具有網絡通信的功能，它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現PLC與計算機之間的通信，從而構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統，實現工廠自動化。PLC通過RS232接口可與各種RS232設備進行通信。PLC還可與其它智能控制設備（如變頻器、數控裝置）實現通信。PLC與變頻器組成聯合控制系統，可提高交流電動機的自動化控制水平。 7、數據處理 現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。 這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表[2]。 2.2.2 PLC的特點 1、通用性強、靈活性好、功能齊全 PLC是專為在工業環境下應用而設計的，具有面向工業控制的鮮明特點。通過選配相應的控制模塊便可適用于各種不同的工業控制系統。同時，由于PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內存中，當生產工藝改變或生產設備更新時，不必改變

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PLC的硬件，只需改變程序，改變控制邏輯，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點數理論上無限制，因此，靈活性和擴展性都很好。 2、可靠性高、抗*力強 為了確保PLC在惡劣的工業環境下能可靠的工作。在設計中強化了PLC的抗*力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網電壓的變化，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。PLC在設計、生產過程中除了對元器件嚴格篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波。光電隔離和故障診斷、自動恢復等措施，有的PLC還采用了冗余技術等，進一步增強了PLC的可靠性。 3、編程簡單、使用方便 PLC在基本控制方面采用梯形圖語言進行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應的，形式簡單、直觀性強，廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯率比匯編語言低得多。梯形圖、流程圖、語句表之間可以有條件的相互轉換，使用極其方便。 4、模塊化結構、安裝簡單、調試方便 PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化結構設計，由機架和電纜將各模塊連接起來，由于配置靈活，使擴展、維護更加方便。另外，PLC的接線十分方便，只需將輸入信號的設備（如按鈕、開關等）與PLC的輸入端子相連，將接受控制的執行元件（接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。調試工作大部分是室內調試，用模擬開關模擬輸入信號，其輸入狀態和輸出狀態可以觀察PLC上相應的發光二極管，可以根據它進行測試、排錯和修改[2]。 2.3 西門子S7-300 PLC 2.3.1 S7-300的系統結構 S7-300 PLC是模擬式中小型PLC，電源、CPU和其他模塊都是獨立的，可以通過U形總線把電源（PS）、CPU和其他模塊緊密固定在西門子S7-300的標準軌道上。每個模塊都有一個總線連接器，后者插在各模塊的背后。電源模塊總是安裝在機架的左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM接口模塊，如果只用主架導軌而沒有使用擴展支架可以不選擇IM接口模塊。 S7編程軟件組態主架導軌硬件時，電源，CPU和IM分別放在導軌的1號槽、2號

槽和3號槽上。一條導軌共有11個槽號：1號槽至11號槽，其中4號槽至11號槽可以隨意放置除電源、CPU和IM以外的其他模塊。如：DI（數字量輸入）、DO（數字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、FM（功能模塊）和CP（通信模塊）等[3]。 2.3.2 S7-300 CPU模塊 CPU模塊是控制系統的核心，負責系統的*控制責任，存儲并執行程序，實現通信功能，為U形總線提高5V電源。 CPU有4種操作模式：STOP（停機），STARTUP（啟動），RUN（運行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過MPI接口與其他設備通信。 S7-300的CPU模塊大致可以分為以下幾類： 1、6種緊湊型CPU，帶有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。 2、革新的標準型CPU：CPU 312、314和315-2DP。 3、5種標準的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。 4、戶外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314戶外型和315-2DP。 5、大容量型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。 6、主從接口安全型CPU：CPU 315F-2DP[3]。 2.3.3 S7-300的模擬量輸入模塊 在生產過程中有大量的連續變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量物體的成分和頻率等。有的是強電量，例如發電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉換成標準的量程的直流電流和直流電壓信號，例如DC1~5V和DC4~20mA。 模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉換為CPU內部處理用的數字信號，其主要組成部分是A/D轉換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般都是模擬量變送器輸出的標準量程的直流電壓，直流電流信號。 模擬量輸入/輸出模塊中模擬量對應的數字稱為模擬值，模擬值用16位二進制補碼來表示位為符號位。模擬量輸入模塊的模擬值與百分數表示的模擬量之間的對應關系為：雙極性模擬量量程的上下限(和-)分別對應模擬值27648和-27648。單極性模擬量量程的上下限(和0%)分別對應于模擬值27648和0[3]。

汽車之家 　　這里提醒大家用那種干活用的線手套、膠皮手套，如果沒有的話也可以用平時使用的棉手套，不要用價格比較貴的皮質手套，因為除雪很容易讓手套濕掉，皮質手套可能會有一定損毀。另外，手套只能清除比較松軟的積雪，如果是已經凍結在玻璃上的冰碴，效果不會很好。 2.毛巾 　　相信大多數車主都會在車里備一些毛巾或抹布，它們與手套一樣，對于擦拭車身上的積雪來說雖談不上針對性工具，但也可以救急。對于清理松軟的積雪來說快速有效，不過對于玻璃上已經結冰的情況毛巾就不太好使了，費力不討好還容易把毛巾弄出一堆線頭來。 汽車之家 汽車之家 汽車之家 ● 小結： 　　下雪雖然非常浪漫，但會對人們的出行造成一定影響，尤其是開車的朋友。雪后清理積雪已經成為很多北方車主的*技能，但一些新手司機或不經常遇到雪天的司機，對于這方面的經驗可能比較少，如果不及時清理很可能將您的車門、車窗等部位凍得結結實實，不僅清理起來更費力，還會耽誤您出行的時間，所以這里我們也提醒各位，雪后一定要盡快清理積雪，以免造成不必要的麻煩。（圖/文 汽車之家 張欣）

2.4 程序設計功能模塊 本程序的設計主要是針對水箱液位的在線控制而設計的，利用PID控制方式，使下水箱液位達到控制要求。本人設計了兩套系統，一個是單閉環的一個是三閉環的，對其控制效果進行比較，得出兩系統優缺點。下面對本程序的設計作詳細介紹。在本程序中，使用的主要模塊有：OB35，DB41，DB42, DB43，DB44，DB1，OB1和FB41。 2.4.1 OB35模塊 S7 CPU提供循環中斷OB，可用于按一定間隔中斷循環程序的執行，循環中斷按間隔觸發，間隔的時間是從STOP狀態到RUN時開始計算。 時間間隔不能小于5ms，如果時間間隔過短，還沒有執行完循環中斷程序又開始調用它，將會產生時間錯誤事件。在本程序中，使用循環中斷OB35，其默認的時間間隔為100ms，程序運行后每隔100ms將自動調用一次OB35，周期性地執行閉環控制系統的PID運算程序[3]。 2.4.2 FB41模塊 FB41稱為連續控制的PID用于控制連續變化的模擬量，其功能是S7-300提供的標準的已經為用戶編制好程序模塊，用戶可以直接調用它們，以便高效地編制自己的程序，但不能修改這些功能塊。系統功能塊有存儲功能，其變量保存在給它的背景數據塊中。FB41的框圖如圖2.1所示

（1） 對設定值、過程變量和誤差的處理 設定值的輸入：浮點數格式的設定值用變量SP_INT（內部設定值）輸入。 過程變量的輸入：可以用兩種方式輸入過程變量（即反饋值）： 1、用PV_IN（過程輸入變量）輸入浮點格式的過程變量，此時開關量PVPER_ON（外圍設備過程變量ON）應為0狀態。 2、用PV_PER（外圍設備過程變量）輸入外圍設備（I/O）格式的過程變量，即用模擬量輸入輸出的數字值作為PID調節的過程變量，此時開關量PVPER_ON應為1狀態。 外圍設備過程變量轉換為浮點數：外圍設備（即模擬量輸入模塊）正常范圍的大輸出值（100.0%）為27648（6C00H），功能CRP_IN將外圍設備輸入值轉換為-100.0%至100.0%之間的浮點數格式的數值，CPR_IN的輸出（以%為單位）用下式計算： 100/27648 =*PER_PVR_PV （2.1） 外圍設備過程變量的標準化：PV_NORM功能用下面的公式將CPR_IN的輸出PV_R格式化：

OFFPVFACPVRPVNORMPV_+_*_=_的輸出 （2.2） 式中：PV_FAC —— 過程變量的系數，默認值為1.0； PV_OFF —— 過程變量的偏移量，默認值為0.0。 PV_FAC和PV_OFF用來調節過程輸入的范圍。 如果設定值有物理意義，實際值（即反饋量）也可以轉換為該物理值。 （2） 手動模式 參數MAN_ON（手動值ON）為1時為手動模式，為0時為自動模式。在手動模式中，控制變量（Manipulated Variable，即控制器的輸出值）被手動選擇的值MAN（手動值）代替。 在手動模式時如果令微分分項為0，將積分部分（INT）設置為LMN-LMN_P-DISV，可以保證手動到自動的無憂切換，即切換時控制器的輸出值不會突變，DISV為擾動輸入變量。 （3） 輸出限幅 LMNLIMIT（輸出量限幅）功能用于將控制器輸出值（Manipulated Value）限幅。 LMNLIMIT功能的輸入量超出控制器輸出值的上極限LMN_HLM時，信號位QLMN_HLM（輸出超出上限）變為1狀態；小于下極限值LMN_LLM時，信號位QLMN_LLM（輸出超出下限）變為1狀態。 （4） 輸出量的格式化處理 LMN_NORM（輸出量格式化）功能用下述公式來講功能LMNLIMIT的輸出量LMN_LIM格式化： LMN=LMN_LIM×LMN_FAC+LMN_OFF （2.3） 式中：LMN —— 格式化后浮點數格式的控制器輸出值； LMN_FAC —— 輸出量的系數，默認值為1.0； LMN_OFF —— 輸出量的偏移量，默認值為0.0； LMN_FAC和LMN_OFF用來調節控制器輸出量的范圍。 （5） 輸出量轉換為外圍設備（I/O）格式 控制器輸出值如果要送給模擬量輸出模塊中的D/A轉換器，需要用“CPR_OUT”功能轉換為外圍設備（I/O）格式的變量LMN_PER。轉換公式為： LMN_PER=LMN×27648/100 （2.4） 用參數賦值工具可以進行參數檢查，給出錯誤信息[3,6]。FB41的輸入參數見表2.1。
表2.1 FB41的輸入參數 
參數名稱 數據類型 地址 說明 默認值 COM_RST CYCLE SP_INT PV_IN PVPER_ON PV_PER PV_FAC PV_OFF DEADB_W GAIN TI TD TM_LAG P_SEL I_SEL D_SEL I_ITLVAL I_ITL_ON BOOL TIME REAL REAL BOOL WORD REAL REAL REAL REAL TIME TIME TIME BOOL BOOL BOOL REAL BOOL 0.0 2 6 10 0.2 14 48 52 36 20 24 28 32 0.3 0.4 0.7 64 0.6 *重新起動，為1時執行初始化程序 采樣時間，兩次塊調用之間的時間，取值范圍>=20ms 內部設定值輸入，取值范圍為±100.0%或物理值 浮點數格式的過程變量輸入 使用外圍設備輸入的過程變量 外圍設備輸入的I/O格式的過程變 量值 輸入的過程變量的系數 輸入的過程變量的偏移量 死區寬度，誤差變量死區帶的大小，>= 0.0或物理值 比例增益輸入，用于設置控制器的增益 積分時間輸入，積分器的響應時間，取值范圍應>= CYCLE 微分時間輸入，微分器的響應時間 微分操作的延遲時間輸入 為1時打開比例（P）操作 為1時打開積分（I）操作 為1時打開微分（D）操作 積分操作的初始值 積分作用初始化，為1時將輸入I_ITLVAL作為積分器的初值 FALSE T#1s 0.0 0.0 FALSE 16#0000 1.0 0.0 0.0 2.0 T#20s T#10s T#2s TURE TURE FALSE 0.0 FALSE 表2.2 FB41的輸入參數（續2.1） 
參數名稱 數據類型 地址 說明 默認值 INT_HOLD DISV MAN_ON MAN LMN_HLM LMN_LLM LMN_FAC LMN_OFF BOOL REAL BOOL REAL REAL REAL REAL REAL 0.5 68 0.1 16 40 44 56 60 為1時積分操作保持，為1時積分輸出被凍結 擾動輸入變量 為1時控制循環將被中斷，手動值被設置為操作值 操作員接口輸入的手動值，取值范圍100.0%±或物理量 控制器輸出上限值，取值范圍LMN_LLM~100.0%或物理值 控制器輸出下限值，取值范圍
-100.0%~ LMN_HLM或物理值 控制器輸出量的系數 控制器輸出量的偏移量 FALSE 0.0 TURE 0.0 100.0 0.0 1.0 0.0 FB41的輸出參數見表2.3。 表2.3 FB41的輸出參數 參數名稱 數據類型 地址 說明 默認值 PV ER LMN_P LMN_I LMN_D QLMN_HLM QLMN_LLM LMN LMN_PER REAL REAL REAL REAL REAL BOOL BOOL REAL WORD 92 96 80 84 88 78.0 78.1 72 76 格式化的過程變量輸出 死區處理后的誤差輸出 控制器輸出值中的比例分量 控制器輸出值中的積分分量 控制器輸出值中的微分分量 控制器輸出超過上限 控制器輸出小于下限 浮點數格式的控制器輸出值 I/O格式的控制器輸出值 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 FALSE FALSE 0.0 16#0000 
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