S7-300PLC实验报告
一 PLC技术的概念及发展过程
1.1 PLC技术的概念
PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 1.2 PLC技术的发展历史
长期以来，计算机控制和传统PLC控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法，PLC自1969年问世以来，以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小等优点在工业自动化领域得到迅速推广，成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。但传统的PLC体系结构是封闭的，各个PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统各异，用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，不利于终端用户功能的扩展。近年来，工业自动化控制系统的规模不断扩大，控制结构更趋于分散化和复杂化，需要更多的用户接口。
目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。 1.3 PLC的发展趋势
（1）、功能向增强化和专业化的方向发展，针对不同行业的应用特点，开发出专业化的PLC产品。以此提高产品的性能和降低产品成本，提高产品的易用性和专业化水平。
（2）、规模向小型化和大型化的方向发展，小型化是提高系统可靠性基础，产品的体积越来越小，功能越来越强；大型化是应用在工业过程控制领域较大应用市场，应用的规模从几十点到上千点，应用功能从单一的逻辑运算扩展几乎能满足所有的用户要求。
二 西门子S7-300 PLC
1 S7-300的系统结构
S7-300 PLC是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源，CPU和IM分别放
在导轨的1号槽、2号槽和3号槽上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源、CPU和IM以外的其他模块。如：DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、FM（功能模块）和CP（通信模块）等。 2 S7-300 CPU模块
CPU模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制责任，存储并执行程序，实现通信功能，为U形总线提高5V电源。
CPU有4种操作模式：STOP（停机），STARTUP（启动），RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。
S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：
1、6种紧凑型CPU，带有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。
2、革新的标准型CPU：CPU 312、314和315-2DP。
3、5种标准的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。 4、户外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314户外型和315-2DP。 5、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。 6、主从接口安全型CPU：CPU 315F-2DP[3]。 3 S7-300的模拟量输入模块
在生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用PLC来测量或控制。有的是非电量，例如温度、压力、流量物体的成分和频率等。有的是强电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率等。变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换成标准的量程的直流电流和直流电压信号，例如DC1~5V和DC4~20mA。
模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D转换器。模拟量输入模块的输入信号一般都是模拟量变送器输出的标准量程的直流电压，直流电流信号。
模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码来表示最高位为符号位。模拟量输入模块的模拟值与百分数表示的模拟量之间的对应关系为：双极性模拟量量程的上下限(100%和-100%)分别对应模拟值27648和-27648。单极性模拟量量程的上下限(100%和0%)分别对应于模拟值27648和0[3]。
4 程序设计功能模块
本程序的设计主要是针对水箱液位的在线控制而设计的，利用PID控制方式，使下水箱液位达到控制要求。本人设计了两套系统，一个是单闭环的一个是三闭环的，对其控制效果进行比较，得出两系统优缺点。在本程序中，使用的主要模块有：OB35，DB41，DB42, DB43，DB44，DB1，OB1和FB41。 4.1 OB35模块
S7 CPU提供循环中断OB，可用于按一定间隔中断循环程序的执行，循环中断按间隔触发，间隔的时间是从STOP状态到RUN时开始计算。
时间间隔不能小于5ms，如果时间间隔过短，还没有执行完循环中断程序又开始调用它，将会产生时间错误事件。在本程序中，其默认的时间间隔为100ms，程序运行后每隔100ms将自动调用一次OB35，周期性地执行闭环控制系统的PID运算程序。 4.2 FB41模块
FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，其功能是S7-300提供的标准的已经为用户编制好程序模块，用户可以直接调用它们，以便高效地编制自己的程序，但不能修改这些功能块。系统功能块有存储功能，其变量保存在指定给它的背景数据块中。FB41的框图如图2.1所示。
图2.1 FB41的框图
（1） 对设定值、过程变量和误差的处理
设定值的输入：浮点数格式的设定值用变量SP_INT（内部设定值）输入。 过程变量的输入：可以用两种方式输入过程变量（即反馈值）：
1、用PV_IN（过程输入变量）输入浮点格式的过程变量，此时开关量PVPER_ON（外围设备过程变量ON）应为0状态。
2、用PV_PER（外围设备过程变量）输入外围设备（I/O）格式的过程变量，
即用模拟量输入输出的数字值作为PID调节的过程变量，此时开关量PVPER_ON应为1状态。
外围设备过程变量转换为浮点数：外围设备（即模拟量输入模块）正常范围的最大输出值（100.0%）为27648（6C00H），功能CRP_IN将外围设备输入值转换为-100.0%至100.0%之间的浮点数格式的数值，CPR_IN的输出（以%为单位）用下式计算：
PV_R=PV_PER*100/27648 （2.1）
外围设备过程变量的标准化：PV_NORM功能用下面的公式将CPR_IN的输出PV_R格式化：
PV_NORM的输出=PV_R*PV_FAC+PV_OFF （2.2）
式中：PV_FAC —— 过程变量的系数，默认值为1.0；
PV_OFF —— 过程变量的偏移量，默认值为0.0。 PV_FAC和PV_OFF用来调节过程输入的范围。
如果设定值有物理意义，实际值（即反馈量）也可以转换为该物理值。 （2） 手动模式
参数MAN_ON（手动值ON）为1时为手动模式，为0时为自动模式。在手动模式中，控制变量（Manipulated Variable，即控制器的输出值）被手动选择的值MAN（手动值）代替。
在手动模式时如果令微分分项为0，将积分部分（INT）设置为LMN-LMN_P-DISV，可以保证手动到自动的无忧切换，即切换时控制器的输出值不会突变，DISV为扰动输入变量。 （3） 输出限幅
LMNLIMIT（输出量限幅）功能用于将控制器输出值（Manipulated Value）限幅。 LMNLIMIT功能的输入量超出控制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM（输出超出上限）变为1状态；小于下极限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为1状态。 （4） 输出量的格式化处理
LMN_NORM（输出量格式化）功能用下述公式来讲功能LMNLIMIT的输出量LMN_LIM格式化：
S7-300PLC实验报告
