西门子S7-200/300/400系列PLC自学手册（第二版）

　　自学需要在没有接受指导和教育的情况下掌握某种技能。要有效的自学，需要一部知识渊博、易学好懂的书。《西门子S7-200/300/400系列PLC自学手册 （第二版）》是一部重点介绍西门子S7-200/300/400 PLC开发应用的精品著作，全书分为总论和上、下两篇共11章。总论首先概述S7系列PLC的主要成员S7-200/300/400/1200，使读者对S7系列PLC有个总体上的认识和了解。上篇为S7系列PLC工程开发应用技术基础，主要包含PLC快速入门，S7系列PLC的主要硬、软件资源，STEP7 编程软件， PLC控制系统设计等。下篇为S7系列PLC工程实用设计典型案例，主要包含S7系列PLC工程应用的基本编程环节和典型小系统设计、 PLC在机床控制中的工程应用设计、PLC在模拟量闭环控制中的工程应用设计、 PLC在运动控制中的工程应用设计、PLC在工业控制网络通信中的工程应用设计、触摸屏技术在PLC工程设计中的应用。其宗旨是引领PLC工程技术人员在掌握正确的设计理念和方法的基础上，以设计案例为示范和样板，开拓思路，学有所用，不断自主创新，举一反三地设计出PLC工程应用的精品。

　　高安邦，石磊 编

序
前言
总论 S7系列PLC控制系统的组成
0.1 西门子的全集成自动化（TIA）1
0.1.1 TIA的统一性2
0.1.2 TIA的开放性3
0.2 西门子(SIMATIC)家族3
0.2.1 S7-200 PLC4
0.2.2 S7-300 PLC7
0.2.3 S7-400 PLC10
0.2.4 S7-1200 PLC11
0.3 编程设备16
0.4 编程软件16
0.4.1 工程工具16
0.4.2 运行版软件17
0.4.3 人机接口（HMI）软件17
0.5 授权文件17
0.5.1 授权的分类17
0.5.2 使用授权和许可证密钥18
0.6 设置PG/PC接口19
习题与思考题20
上篇 S7系列PLC工程开发应用技术基础23
1.1 PLC概述23
1.1.1 PLC的诞生与迅猛发展23
1.1.2 PLC的定义和标准24
1.1.3 PLC的功能及应用26
1.1.4 PLC与其他工业控制系统的比较28
1.2 PLC的基本结构及工作原理30
1.2.1 PLC的基本结构30
1.2.2 PLC的工作原理38
1.3 PLC的技术性能43
1.3.1 基本技术性能43
1.3.2 PLC的内存分配及I／O点数45
1.4 PLC的编程语言46
1.4.1 梯形图(Ladder Diagram，LAD)46
1.4.2 指令表(Instruction List，STL)46
1.4.3 顺序功能图 (Sequential Function Chart，SFC)47
1.4.4 功能块图47
1.4.5 结构文本(Structured Text，ST)及其他高级编程语言47
1.5 PLC的特殊功能47
1.5.1 PLC特殊功能的特点与分类47
1.5.2 特殊功能的分类48
习题与思考题50
2.1 S7-200 PLC的主要硬件资源52
2.1.1 S7-200 PLC概述52
2.1.2 CPU模块的连接条件54
2.1.3 S7-200 PLC的性能58
2.1.4 扩展模块的外部连接63
2.1.5 S7-200 PLC特殊功能70
2.2 S7-300 PLC的主要硬件资源72
2.2.1 S7-300 PLC概述72
2.2.2 S7-300 PLC的型号与规格78
2.2.3 CPU模块的外部连接80
2.2.4 S7-300 PLC的开关量I/O模块87
2.2.5 S7-300 PLC的电源与接口模块104
2.2.6 S7-300 PLC的特殊功能106
2.3 S7-400 PLC的主要硬件资源111
2.3.1 S7-400 PLC概述111
2.3.2 CPU模块116
2.3.3 电源模块119
2.3.4 开关量输入/输出模块121
2.3.5 S7-400 PLC的扩展135
2.3.6 安装机架与扩展接口138
2.3.7 S7-400 PLC特殊功能143
2.4 S7-1200 PLC的硬件资源145
2.4.1 S7-1200 PLC的硬件145
2.4.2 STEP7 Basic组态软件与硬件组态150
习题与思考题161
3.1 S7 PLC编程基础163
3.1.1 S7 PLC程序的组成163
3.1.2 绝对地址的编程167
3.1.3 I/O地址的分配方式173
3.1.4 S7 PLC的存储区177
3.1.5 S7 PLC的寻址179
3.1.6 S7 PLC的数据格式182
3.2 基本指令与编程188
3.2.1 S7 PLC逻辑梯形图编程188
3.2.2 逻辑梯形图编程的注意事项194
3.2.3 典型逻辑梯形图程序197
3.2.4 定时器、计数器指令199
3.2.5 梯形图程序设计实例206
3.3 功能指令与编程208
3.3.1 S7 PLC功能指令概述208
3.3.2 字节、字、双字逻辑操作指令215
3.3.3 比较指令219
3.3.4 装载、传送、移动指令221
3.3.5 移位指令225
3.3.6 代码转换指令227
3.3.7 数学运算指令231
习题与思考题233
4.1 S7-200 PLC的编程工具软件STEP7-Micro/WIN32236
4.1.1 编程软件的安装236
4.1.2 编程软件的功能240
4.1.3 软件的编程243
4.1.4 调试及运行250
4.1.5 升级版S7-200编程软件STEP7-Micro/WIN4.0的基本使用255
4.2 S7编程软件268
4.2.1 S7编程软件的组成268
4.2.2 硬件组态270
4.2.3 CPU属性274
4.2.4 LAD/FBD/STL程序编辑器277
4.2.5 下载与上传279
4.2.6 S7-300编程软件应用实例280
习题与思考题288
5.1 PLC控制系统设计规划290
5.1.1 系统设计原则与步骤290
5.1.2 确定系统方案293
5.1.3 系统总体设计298
5.1.4 系统规划实例300
5.2 PLC控制系统硬件设计303
5.2.1 主回路与控制回路的设计303
5.2.2 安全电路设计306
5.2.3 I/O接口设计309
5.2.4 可靠性设计314
5.2.5 安装与连接设计316
5.2.6 PLC控制系统硬件设计示范实例321
5.3 PLC控制系统软件设计327
5.3.1 S7 PLC的程序结构327
5.3.2 S7 PLC程序设计的基本步骤334
5.3.3 STEP7的符号编辑337
5.3.4 S7 PLC线性结构程序设计实例344
5.3.5 S7 PLC功能调用式程序设计实例350
5.3.6 S7 PLC结构化程序设计实例353
习题与思考题358
下篇 S7系列PLC工程实用设计典型案例
363
6.1 S7系列PLC控制的基本编程环节363
6.1.1 PLC工程系统的最基本控制363
6.1.2 工程应用中对电动机的控制365
6.1.3 时间控制383
6.1.4 脉冲触发控制386
6.1.5 分频控制387
6.1.6 报警控制388
6.1.7 计数控制389
6.1.8 顺序控制391
6.1.9 循环控制393
6.1.10 高速计数器控制394
6.1.11 工业控制中的典型小系统控制397
6.2 S7 PLC工程应用中的典型功能控制402
6.2.1 数据的分离402
6.2.2 按比例放大模拟值403
6.2.3 求解三角函数值403
6.2.4 表中取数403
6.2.5 典型数据的转换404
6.2.6 模拟量的定时采集406
6.2.7 对典型中断的处理406
6.2.8 设定CPU时钟409
6.3 S7 PLC工程应用中的特殊功能控制409
6.3.1 CPU扩展EM231进行模拟量输入信号测量409
6.3.2 CPU扩展EM235实现温度控制411
6.3.3 用EM253实现简单的相对运动413
6.3.4 用EM253实现典型的运动控制413
6.3.5 利用PID回路指令实现储水罐恒压控制416
6.4 采用不同设计方法实现的工程应用设计418
6.4.1 采用移植设计法的应用程序设计418
6.4.2 采用经验设计法的应用程序设计420
6.4.3 采用逻辑设计法的应用程序设计423
6.4.4 采用顺序功能图设计法的应用程序设计425
6.5 PLC工程应用中几种常见的典型控制系统设计433
6.5.1 城市交通指挥灯的PLC控制系统设计433
6.5.2 工业机械手的PLC控制系统设计435
6.5.3 U形板折板机的PLC控制系统设计438
6.5.4 某型导弹测试架PLC控制系统设计442
习题与思考题447
7.1 概述448
7.1.1 利用PLC对机床控制进行改造的思路448
7.1.2 识读和分析机床PLC控制梯形图和语句表程序的方法和步骤448
7.2 C6140卧式车床的PLC技术改造设计450
7.2.1 C6140卧式车床的机械结构和主要运动450
7.2.2 CA6140卧式车床的“继电器-接触器”控制电路451
7.2.3 CA6140卧式车床的PLC技术改造设计453
7.3 C650卧式车床的PLC技术改造设计454
7.3.1 C650卧式车床的机械结构、运动形式、拖动形式及控制要求454
7.3.2 C650卧式车床的电气控制455
7.3.3 C650卧式车床的PLC技术改造设计456
7.4 Z3040摇臂钻床的PLC技术改造设计460
7.4.1 Z3040摇臂钻床的机械结构和主要运动460
7.4.2 Z3040摇臂钻床的“继电器-接触器”控制电路461
7.4.3 Z3040摇臂钻床的PLC技术改造设计463
7.5 M7130平面磨床的PLC技术改造设计466
7.5.1 M7130平面磨床的结构组成和主要运动466
7.5.2 M7130平面磨床的“继电器-接触器”电气控制电路467
7.5.3 M7130平面磨床的PLC控制系统设计468
7.6 组合机床的PLC技术改造设计470
7.6.1 组合机床的组成结构和工作特点470
7.6.2 深孔钻组合机床的PLC控制系统设计471
7.6.3 双头钻床的PLC控制系统设计475
7.7 PLC在数控机床中的工程应用设计477
7.7.1 数控机床中PLC的主要功能477
7.7.2 PLC与机床之间的信号处理过程478
7.7.3 数控机床中PLC控制程序的编制478
习题与思考题481
8.1 闭环控制与PID控制器482
8.1.1 模拟量闭环控制系统482
8.1.2 PID控制器484
8.1.3 PLC PID控制器的实现485
8.1.4 PID指令向导的应用488
8.1.5 PID参数的整定方法489
8.2 PID参数自整定与PID调节控制面板492
8.2.1 自整定的基本方法与自整定过程492
8.2.2 扩展的回路表493
8.2.3 PID调节控制面板494
8.2.4 PID参数自整定实例495
8.3 用PLC常规指令实现PID控制497
8.3.1 PID控制基本公式497
8.3.2 PID控制程序实现497
8.4 用PLC的专用指令实现PID控制499
8.4.1 S7-200 PLC的 PID指令499
8.4.2 某水箱水位的PLC控制实例502
8.5 S7-200 PLC称重模块的工程应用设计503
8.5.1 SIWAREX MS称重模块概述503
8.5.2 SIWAREX MS的硬件连接504
8.5.3 SIWAREX MS称重模块的参数506
8.5.4 称重模块的命令509
8.5.5 SIWATOOL MS的使用512
8.5.6 SIWATOOL MS的工程应用设计举例514
习题与思考题519
9.1 运动控制技术520
9.1.1 运动控制技术简介520
9.1.2 运动控制系统的组成和各部分的作用520
9.2 PLC采用位控模块的运动控制522
9.2.1 位控模块概述522
9.2.2 位控模块的特性及接线524
9.3 位控模块的编程应用528
9.3.1 组态位控模块529
9.3.2 位控指令应用指导532
9.4 采用位控单元进行位置控制的应用实例538
9.4.1 长度切割应用实例1539
9.4.2 长度切割应用实例2539
9.5 四轴联动机械手运动控制系统工程应用设计541
9.5.1 机械手模型的基本结构及主要功能541
9.5.2 系统硬件的接线及工作流程543
9.5.3 系统的硬件配置、原理及应用547
9.5.4 系统的PLC程序设计564
9.6 六层电梯模型运动控制系统的工程应用设计572
9.6.1 六层电梯模型的基本结构及主要内容572
9.6.2 六层电梯模型电气控制系统的硬件配置及控制原理573
9.6.3 六层电梯模型PLC控制系统的有关参数设置及程序设计583
习题与思考题596
10.1 网络通信的基本概念和接口597
10.1.1 网络概述597
10.1.2 网络通信方式600
10.1.3 异步串行通信接口603
10.2 西门子PLC网络结构及通信605
10.2.1 S7-200 PLC网络层次结构605
10.2.2 PLC网络常用通信方式609
10.2.3 S7-200 PLC网络通信协议612
10.3 S7-200 PLC的通信功能618
10.3.1 西门子PLC之间的通信618
10.3.2 S7-200 PLC与驱动装置之间的通信619
10.3.3 S7-200 PLC与第三方HMI/SCDA软件间的通信619
10.3.4 S7-200 PLC与第三方PLC之间的通信619
10.3.5 S7-200 PLC与第三方HMI（操作面板）之间的通信620
10.3.6 S7-200 PLC与第三方变频器之间的通信620
10.3.7 S7-200 PLC与其他串行通信设备之间的通信620
10.3.8 计算机与S7-200 PLC控制单元之间的通信620
10.4 S7-200 PLC的几种典型网络620
10.4.1 网络的建立和基本原则620
10.4.2 S7-200 PLC典型网络的组建622
10.4.3 S7-200 PLC网络通信参数设置624
10.5 S7-200 PLC的通信指令627
10.5.1 网络读/写指令627
10.5.2 发送指令与接收指令627
10.6 S7-200 PLC网络通信的应用举例630
10.6.1 S7-200 PLC 在某汽车发动机装配线的应用630
10.6.2 S7-200 PLC 在某水电站工程中的应用632
10.7 PPI通信实例634
10.7.1 两台S7-200 PLC实现PPI通信634
10.7.2 多台S7-200 PLC实现PPI通信637
10.8 无组态连接通信方式的MPI通信实例640
10.9 PROFIBUS-DP通信实例642
10.10 工业以太网通信实例644
10.10.1 由S7-200 PLC为服务器、S7-400 PLC为客户机的以太网通信实例644
10.10.2 由S7-200 PLC为客户机、S7-300 PLC为服务器的以太网通信实例649
10.11 自由口通信实例653
10.11.1 利用S7-200 PLC的自由通信口收/发数据653
10.11.2 利用S7-200 PLC的自由通信口向打印机发送数据654
10.11.3 利用S7-200 PLC的自由通信口从条形码接收数据656
10.11.4 利用S7-200 PLC的自由通信口控制调制解调器658
10.11.5 利用S7-200 PLC的自由通信口向上位机发送实时信息663
习题与思考题666
11.1 触摸屏概念668
11.1.1 触摸屏技术概述668
11.1.2 触摸屏的工作原理668
11.2 触摸屏的分类668
11.2.1 电阻式触摸屏668
11.2.2 电容式触摸屏669
11.2.3 红外线式触摸屏669
11.2.4 表面声波触摸屏670
11.3 触摸屏操作（组态）软件671
11.3.1 编程软件ProTool的安装671
11.3.2 新建项目674
11.3.3 选择画面677
11.3.4 为画面元素分配端口682
11.3.5 用户登录与退出684
11.3.6 输入域685
11.3.7 状态按钮686
11.3.8 事件消息689
11.3.9 棒图695
11.3.10 输出域696
11.3.11 下载项目696
11.4 触摸屏与PLC联机实例697
11.4.1 电动机手动控制697
11.4.2 电动机变频器控制703
11.4.3 温度模拟量输入705
11.4.4 温度手动电加热709
11.4.5 手动取样传送713
11.4.6 手动调整转速717
11.4.7 喷嘴堵塞报警显示722
11.4.8 工作时间显示724
11.4.9 报警显示726
11.5 触摸屏常见故障及处理方式727
11.5.1 按照触摸屏类型分类的故障727
11.5.2 触摸显示器类故障729
习题与思考题730
附录A S7-200系列PLC的系统配置与常用指令731
附录B S7-300/400系列PLC常用指令742
附录C STEP7保留的关键字746
参考文献748
后记750