編輯推薦
本書係統介紹瞭西門子S7-200/300/400/1200等係列PLC技術。全書分兩個部分,第一部分為基礎篇,主要介紹瞭可編程序控製器(PLC)基礎、可編程序控製器(PLC)基礎、西門子PLC的軟件、西門子PLC的指令係統、邏輯控製編程的編寫方法與調試;第二部分為應用篇,包括PLC在過程控製中的應用、PLC在運動控製中的應用、PLC在變頻器調速係統中的應用、PLC的PPI/MPI/PROFIBUS和MODBUS通信、工業以太網通信、西門子PLC其他應用技術等。
本書內容豐富,重點突齣,強調知識的實用性,幾乎每章中都配有大量實用的例題,便於讀者模仿學習,另外每章配有習題供讀者訓練之用。大部分實例都有詳細的軟件、硬件配置清單,並配有接綫圖和程序。本書所配光盤中有重點內容的程序和操作視頻資料。
內容簡介
西門子PLC完全精通教程》從基礎和實用齣發,係統介紹瞭西門子S7-200/300/400/1200等係列PLC技術。全書分兩個部分,第一部分為基礎篇,主要介紹瞭可編程序控製器(PLC)基礎、西門子PLC的硬件、西門子PLC的軟件、西門子PLC的指令係統、邏輯控製編程的編寫方法與調試;第二部分為應用篇,包括PLC在過程控製中的應用、PLC在運動控製中的應用、PLC在變頻器調速係統中的應用、PLC的PPI/MPI/PROFIBUS和MODBUS通信、工業以太網通信、西門子PLC其他應用技術等。
本書內容豐富,重點突齣,強調知識的實用性,幾乎每章中都配有大量實用的例題,便於讀者模仿學習,另外每章配有習題供讀者訓練之用。大部分實例都有詳細的軟件、硬件配置清單,並配有接綫圖和程序。本書所配光盤中有重點內容的程序和操作視頻資料。
本書可供從事PLC應用的工程技術人員學習使用,也可以作為大中專院校的機電類、信息類專業的教材。
目錄
第1篇 西門子PLC基礎篇
第 1 章 可編程序控製器(PLC)基礎 2
1.1 概述 2
1.1.1 PLC的發展曆史 2
1.1.2 PLC的主要特點 3
1.1.3 PLC的應用範圍 4
1.1.4 PLC的分類與性能指標 4
1.1.5 PLC與繼電器係統的比較 5
1.1.6 PLC與微機的比較 5
1.1.7 PLC的發展趨勢 6
1.1.8 PLC在我國 6
1.2 可編程序控製器的結構和工作原理 7
1.2.1 可編程序控製器的硬件組成 7
1.2.2 可編程序控製器的工作原理 10
1.2.3 可編程序控製器的立即輸入、輸齣功能 11
小結 12
習題 12
第 2 章 西門子PLC的硬件 14
2.1 西門子PLC概述 14
2.2 S7-200係列PLC 15
2.2.1 S7-200 CPU模塊 15
2.2.2 S7-200 CPU的接綫 17
2.3 S7-200擴展模塊 19
2.3.1 數字量I/O擴展模塊 20
2.3.2 模擬量I/O擴展模塊 21
2.3.3 其他擴展模塊 23
2.4 S7-200電源需求計算 25
2.4.1 最大I/O配置 25
2.4.2 電源需求計算 25
2.5 S7-300 PLC常用模塊及其接綫 26
2.5.1 S7-300 PLC的基本結構 26
2.5.2 S7-300 PLC的CPU模塊 27
2.5.3 數字量模塊 31
2.5.4 模擬量模塊 35
2.5.5 S7-300 PLC的通信處理模塊 40
2.5.6 S7-300 PLC的功能模塊 41
2.5.7 S7-300 PLC的其他模塊 41
2.6 S7-400 PLC常用模塊簡介 42
2.6.1 S7-400 PLC的概述 42
2.6.2 S7-400 PLC的機架 43
小結 45
習題 45
第 3 章 西門子PLC的軟件 47
3.1 西門子PLC編程軟件的簡介 47
3.1.1 LOGO!的編程軟件 47
3.1.2 S7-200的編程軟件 47
3.1.3 S7-200 SMART的編程軟件 47
3.1.4 S7-1200的編程軟件 47
3.1.5 S7-300/400的編程軟件 47
3.2 S7-200的編程軟件STEP 7-Micro/WIN的使用 47
3.2.1 STEP 7-Micro/WIN軟件的界麵介紹 47
3.2.2 編譯STEP 7-Micro/WIN項目 50
3.2.3 用STEP7-Micro/WIN建立一個完整的項目 59
3.2.4 S7-200仿真軟件的使用 65
3.3 S7-300/400編程軟件STEP 7 的使用 66
3.3.1 STEP 7軟件簡介 66
3.3.2 編程界麵的SIMATIC管理器 67
3.3.3 硬件組態與參數設置 71
3.3.4 STEP 7的下載和上傳 83
3.3.5 STEP 7軟件編程 87
3.3.6 STEP 7的打印和歸檔 89
3.3.7 用STEP 7 V5.5建立一個完整的項目 91
重點和難點 94
習題 95
第 4 章 西門子PLC的指令係統 96
4.1 西門子PLC的編程基礎知識 96
4.1.1 數據的存儲類型 96
4.1.2 編程語言 98
4.2 S7-200係列PLC的指令係統 99
4.2.1 S7-200的元件的功能與地址分配 99
4.2.2 位邏輯指令 103
4.2.3 定時器與計數器指令 107
4.2.4 功能指令 113
4.2.5 S7-200 PLC的程序控製指令及其應用 132
4.3 S7-300/400係列PLC的指令係統 139
4.3.1 S7-300/400編程元件與數據類型 139
4.3.2 尋址方式 142
4.3.3 CPU中的寄存器 146
4.3.4 位邏輯指令 147
4.3.5 定時器與計數器指令 152
4.3.6 其他常用指令 163
4.4 S7-300/400 PLC的程序結構 168
4.4.1 功能、功能塊和數據塊 168
4.4.2 組織塊(OB) 174
4.5 S7-300/400實例 186
小結 191
習題 191
第 5 章 邏輯控製編程的編寫方法與調試 194
5.1 順序功能圖 194
5.1.1 順序功能圖的畫法 194
5.1.2 梯形圖編程的原則 198
5.1.3 流程圖設計法 200
5.2 應用實例 208
5.2.1 交通燈的PLC控製 208
5.2.2 液體混閤的PLC控製 210
5.2.3 搬運站控製係統的設計 215
5.2.4 全自動洗衣機的PLC控製 221
5.3 程序的調試方法 227
5.3.1 硬件調試與診斷 227
5.3.2 用變量監控錶進行調試 230
5.3.3 使用PLCSIM軟件進行調試(對於S7-300/400) 233
小結 236
習題 237
第2篇 西門子PLC應用篇
第 6 章 PLC在過程控製中的應用 240
6.1 PID控製簡介 240
6.2 利用PID指令編寫過程控製程序 243
6.2.1 電爐的溫度控製 243
6.2.2 利用PID指令編寫水箱的水位控製程序 264
小結 267
習題 267
第 7 章 PLC在運動控製中的應用 268
7.1 PLC控製步進電機 268
7.1.1 步進電動機簡介 268
7.1.2 直接使用PLC的高速輸齣點控製步進電動機 269
7.1.3 使用定位模塊控製步進電動機 294
7.2 PLC控製伺服係統 305
7.2.1 伺服係統簡介 305
7.2.2 直接使用PLC的高速輸齣點控製伺服係統 306
小結 308
習題 308
第 8 章 PLC在變頻器調速係統中的應用 309
8.1 西門子MM440變頻器使用簡介 309
8.1.1 認識變頻器 309
8.1.2 西門子MM440變頻器使用簡介 310
8.2 變頻器多段調速 314
8.3 變頻器模擬量調速 319
8.3.1 模擬量模塊的簡介 319
8.3.2 電流信號調速(利用S7-200) 320
8.3.3 電壓信號調速(利用S7-300) 322
8.4 變頻器的通信調速 323
8.4.1 MM440變頻器通信的基本知識 323
8.4.2 S7-200與MM440變頻器的USS通信調速 326
8.4.3 S7-1200 PLC與MM440的USS通信 331
8.4.4 S7-300與MM440變頻器的場總綫通信調速 337
8.5 使用變頻器時,電動機的製動和正反轉 342
8.5.1 使用變頻器時,電動機的製動 342
8.5.2 使用變頻器時,電動機的正反轉 343
小結 344
習題 344
第 9 章 PLC的PPI/MPI/PROFIBUS和MODBUS通信 346
9.1 通信基礎知識 346
9.1.1 通信的基本概念 346
9.1.2 RS-485標準串行接口 348
9.1.3 OSI參考模型 349
9.2 SIMATIC NET工業通信網絡 350
9.2.1 工業通信網絡結構 350
9.2.2 通信網絡技術說明 350
9.3 認識PPI協議 351
9.3.1 初識PPI協議 351
9.3.2 PPI主站的定義 352
9.4 S7-200係列PLC之間的PPI通信 353
9.4.1 方法1--用指令嚮導 353
9.4.2 方法2--用網絡讀/寫指令 357
9.5 MPI通信 360
9.5.1 MPI通信概述 360
9.5.2 無組態連接通信方式 360
9.6 PRIFOIBUS現場總綫通信 367
9.6.1 PRIFOIBUS現場總綫概述 367
9.6.2 S7-300係列PLC與第三方設備的PROFIBUS-DP通信 369
9.6.3 PROFIBUS-DP連接智能從站的應用 379
9.7 Modbus通信概述 389
9.7.1 Modbus通信概述 389
9.7.2 Modbus傳輸模式 389
9.7.3 Modbus消息幀 390
9.7.4 S7-200 PLC間Modbus通信 392
9.7.5 S7-200 PLC與S7-1200 PLC間的Modbus通信 398
9.7.6 S7-1200與S7-1200的Modbus通信 402
小結 406
習題 406
第 10 章 工業以太網通信 407
10.1 以太網通信概述 407
10.1.1 以太網通信簡介 407
10.1.2 工業以太網通信簡介 408
10.2 S7-200 PLC的以太網通信 409
10.2.1 S7-200 PLC間的以太網通信 410
10.2.2 S7-200 係列PLC與S7-300係列PLC間的以太網通信 423
10.2.3 S7-200係列PLC與組態王的以太網通信 431
10.3 S7-1200 PLC的以太網通信 439
10.3.1 S7-1200係列PLC間的以太網通信 439
10.3.2 S7-200係列PLC與S7-1200係列PLC間的以太網通信 446
10.3.3 S7-1200係列PLC與S7-300係列PLC間的以太網通信 454
10.4 S7-300/400係列PLC的以太網通信 460
10.4.1 西門子工業以太網通信方式簡介 460
10.4.2 S7300/400工業以太網通信舉例 461
小結 475
習題 475
第 11 章 西門子PLC其他應用技術 476
11.1 電源需求計算 476
11.1.1 S7-200的電源需求計算 476
11.1.2 S7-1200的電源需求計算 477
11.2 高速計數器的應用 478
11.2.1 高速計數器的簡介 478
11.2.2 高速計數器在轉速測量中的應用 480
11.3 PWM 488
11.3.1 PWM功能簡介 488
11.3.2 PWM功能應用舉例 489
11.4 程序的下載方法 492
11.4.1 S7-200係列PLC的程序下載方法 492
11.4.2 S7-1200係列PLC的程序下載方法 510
11.4.3 S7-300係列PLC的程序下載方法 512
小結 521
習題 521
參考文獻 522
前言/序言
精通現代工業控製係統:西門子 S7-1500 高級編程與應用實踐 本書聚焦於西門子新一代旗艦控製器 S7-1500 係列的深入應用與係統集成,旨在為具備一定西門子 PLC 基礎知識的工程師、技術人員及高年級學生提供一套全麵、實戰導嚮的高級技術指南。 我們將徹底摒棄基礎的硬件連接和簡單的指令講解,轉而深入剖析 S7-1500 架構下的復雜功能實現、高性能編程技巧、係統診斷與網絡集成,確保讀者能夠勝任當前工業 4.0 時代對復雜自動化係統集成的高標準要求。 第一部分:S7-1500 硬件架構與係統初始化深度解析 本部分將係統梳理 S7-1500 的核心技術特點,並著重講解如何高效地配置和優化其硬件資源。 1.1 S7-1500 平颱與 TIA Portal V17/V18 協同工作流: CPU 性能剖析與選型策略: 詳細對比不同內存配置(RAM/Load Memory)對程序執行效率和數據存儲的影響,闡述時鍾頻率、周期時間和中斷處理能力的差異化應用。 PROFINET IO 接口的深度配置: 不僅僅是 IP 地址設置,重點講解環網冗餘(MRP/MRP-D)的配置與故障切換機製、實時通信(IRT)的原理及在運動控製中的應用,以及如何利用其內置的 Web 服務器進行實時診斷。 分布式 I/O 係統的集成與優化: 深入探討 ET 200SP 模塊的橫嚮集成、本地診斷事件的生成與處理。講解如何通過硬件組態的參數設置,優化通信周期和數據一緻性。 安全機製的集成與應用(Safety Integrated): 詳細介紹安全 CPU 的硬件選型、F-DI/F-DO 模塊的接入,以及在 TIA Portal 中如何使用安全編程環境(Safety Editor)進行邏輯編寫和安全級彆(SIL/PL)的驗證流程。 1.2 高級診斷與故障排除技術: 係統信息塊(System Information Blocks): 如何利用標準功能庫中的診斷功能塊,實時獲取 CPU 運行狀態、溫度、內存使用情況及通信錯誤。 Trace 功能的極限應用: 掌握高級設置下的示波器功能,用於捕獲高速信號變化、I/O 狀態切換的時序關係,精確到微秒級的事件分析。 日誌記錄與報警管理: 配置和優化曆史報警(Historical Alarms)的存儲策略,利用數據塊(DB)或 OPC UA 接口將報警信息持久化,構建可靠的故障追溯體係。 第二部分:S7-1500 結構化編程與數據管理前沿 本部分將引導讀者超越傳統的 Ladder Diagram (LAD),專注於麵嚮對象的編程(OOP)概念在西門子 PLC 中的高級實踐,以及復雜數據結構的有效管理。 2.1 麵嚮對象編程(OOP)在 S7-1500 中的實現: 數據塊類(UDT)與實例數據塊(Instance DB)的精細化管理: 深入理解 UDT 的繼承性、多態性概念的模擬,以及如何通過“模闆”創建功能塊(FB)的通用接口。 功能塊的封裝與重用: 設計具有輸入/輸齣接口、靜態變量和臨時變量的復雜 FB,實現驅動器控製、閥組管理等模塊的標準化封裝。 接口(Interface)的有效使用: 探討在不同層級的程序結構中,如何利用接口機製簡化數據交換,提高程序的模塊化程度和可維護性。 2.2 結構化數據類型與高性能指令集: 數組(Array)與結構體(Structure)的組閤應用: 掌握如何高效地操作多維數組,特彆是在處理配方數據或多軸同步控製時,如何通過指針(Pointer)或 PEEK/POKE 指令安全地訪問動態內存區域。 高級運算指令的性能優化: 深度講解 TIA Portal 提供的數學運算(如傅裏葉變換基礎模塊、PID 運算塊)的使用場景,並分析其對掃描時間的實際影響。 循環與跳轉指令的規範化使用: 遵循 IEC 61131-3 標準,閤理運用循環結構(FOR, WHILE),減少不必要的程序分支,提升邏輯清晰度。 第三部分:PROFINET 高級通信與係統集成實戰 S7-1500 作為現代網絡的核心節點,其通信能力的深度挖掘是本教程的重點。 3.1 高速運動控製與同步通信: Technology Object (TO) 的全麵應用: 詳細講解位置控製(Positioning)、速度控製(Velocity Control)和力矩控製(Torque Control)的 TO 配置。重點解析“絕對定位”、“相對定位”和“同步運動”的參數設置。 PTO(脈衝序列輸齣)與標準運動控製的對比: 在沒有專用運動控製器(如 CU320-2)的情況下,如何利用 S7-1500 的高速輸齣實現精確的脈衝控製,並同步高速數據交換。 3.2 靈活的數據交換:OPC UA 接口深度集成: S7-1500 內置 OPC UA Server 的配置: 掌握如何定義服務器節點、安全證書的導入與管理,以及用戶權限的設置。 數據結構映射與標準化: 如何將 PLC 中的內部數據塊結構(DB)高效地映射為 OPC UA 的信息模型,為上位 SCADA 或 MES 係統提供標準化的數據訪問接口。 客戶端(Client)的初步測試與故障排查: 使用第三方 OPC UA 客戶端工具對 PLC 服務器的連接性、數據刷新率進行驗證。 3.3 站間通信與網絡診斷: 集成 S7 客戶端/服務器通信: 在多 PLC 架構中,配置 S7 連接,並深入分析不同連接類型(如主動/被動連接)的資源占用和數據一緻性保證。 工業以太網中的 QoS (服務質量) 機製: 瞭解 PROFINET 實時數據包的優先級處理,以及在網絡擁堵時如何優先保障關鍵控製信號的傳輸。 第四部分:HMI/SCADA 接口與數據可視化的高級集成 本部分關注如何將 S7-1500 的強大數據處理能力有效地可視化和操作。 4.1 WinCC Unified 係統的集成開發: WinCC Unified 界麵設計與性能考量: 介紹現代 HMI 界麵的設計原則,重點關注如何在 PC 站或移動端實現流暢的圖形刷新和動畫效果,避免因數據交換過於頻繁導緻界麵卡頓。 數據源連接的高效管理: 利用 TIA Portal 內置的連接管理工具,優化 HMI 對 PLC 數據的讀取策略(如輪詢間隔、Tag 組態)。 4.2 數據歸檔與趨勢分析的實現: 本地曆史數據記錄: 講解如何利用 S7-1500 自身的歸檔功能塊,實現對關鍵工藝參數(如溫度、壓力、位置偏差)的周期性或事件觸發式存儲。 安全配方管理: 深入講解配方(Recipe)的創建、編輯、存儲與調用過程,包括如何配置權限以防止未授權的用戶修改生産參數。 本書麵嚮的讀者群體為: 已經掌握西門子 S7-300/400 基礎,希望快速轉型至 S7-1500 平颱的資深自動化工程師。 負責大型、復雜生産綫(如汽車製造、製藥、食品飲料)集成項目的係統集成商。 緻力於提升 PLC 編程技能,掌握麵嚮對象和工業網絡前沿技術的在職技術人員。 通過本書的學習,讀者將不僅停留在“會用”PLC 的層麵,而是能夠深入理解 S7-1500 平颱的設計哲學,掌握構建高性能、高可靠性、易於維護的現代自動化係統的核心技術。