维修电工技师培训班HMI应用技术内部资料

西门子FA系统综合应用基础

维修电工技师培训班

2012年4月

西门子FA系统综合应用 (3)

第一章西门子FA系统综合应用基础 (3)

1-1 内容 (3)

1-2 西门子FA系统设计与应用步骤 (3)

1-3 PLC、触摸屏等设备选型方法 (5)

1-4 注意事项 (8)

第二章西门子FA系统综合应用实例 (8)

2-1 电动机启停控制系统综合应用 (8)

2-2 交流电动机变频调速系统综合应用 (49)

西门子FA系统综合应用

第一章西门子FA系统综合应用基础

1-1 内容

1-2 西门子FA系统设计与应用步骤

设计带有PLC、触摸屏等需要进行编制程序来完成控制功能的系统时，为了保证设计的系统可靠运行，需要遵循一定的设计与应用步骤，具体的步骤有以下几个方面：（1）项目需求分析及项目规划

深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求。这一步是系统设计的基础。设计前应熟悉图纸资料，深入调查研究，与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合，共同讨论，解决设计中出现的问题。应详细了解被控对象的全部功能，如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与连锁，系统要求哪些工作方式（如手动、自动、半自动等），设备内部机械、液压、气动、仪表、电气几大系统之间的关系，可编程序控制器与其他智能设备（如别的可编程序控制器、计算机、变频器、工业电视、机器人）之间的关系，可编程序控制器是否需要通信联网，电源突然停电及紧急情况的处理，需要显示哪些物理量及显示的方式等等。根据被控对象对PLC控制系统的功能要求首先确定用户输入输出设备。在据此确定PLC的I/O点数。

（2）对系统的输入、输出信号进行分配（I/O分配）

确定了系统的控制要求，也就是对系统的所有输入信号、输出信号的形式、逻辑关系有了清楚的了解。但是这些输入信号必须输入PLC，再由PLC输出执行结果来驱动外部负载，所以给所有的外部输入信号、系统的输出信号分配合适的PLC端口是十分必要的，在此过程中，可能用户需要更改所使用的PLC的类型，因为有时候你需要的控制功能在以前确定型号的PLC上无法使用。

（3）选择PLC、触摸屏等设备型号

选择机型时应该选择满足控制系统要求的性价比高的机型，并且在选择时应该留出一定的扩展裕量，例如程序存储空间，I/O扩展空间，方便系统设计时候进行修正。

（4）PLC外部接线设计，控制柜、电动机等设备主电路电路设计

对PLC进行了I/O分配后，就需要设计PLC的外部接线图，这个过程是纯硬件范畴的，这也是以后硬件施工的基础。外部接线设计的基本原则是所有的输入信号、输出信号必须构成电流回路，并且要注意所有的输入信号、输出信号的电压、电流、频率范围。

（5）配电（控制）柜设计及装配

在控制信号与PLC的连接设计完成后，需要对配电（控制）柜、电动机等用电设备进行设计，包括安装尺寸，安装位置，安装形式等，设计完成后，经过论证没有问题，既可以进行现场施工。设计好了硬件接线图以后，需要统计系统中所需要的低压元器件，然后设计或选择合理的配电柜，并进行装配。

为了保证机电应用项目的安全，国家标准计量局已经提供了多项关于配电控制柜的安全设计标准和安全操作标准，设计时可以选择标准的低压配电（控制）柜，也可以自行设计并组装，但是一定要符合安全操作规范。

（6）PLC程序设计及模拟调试

PLC程序设计的主要任务就是根据控制系统的控制要求和I/O分配确定的各种输入/输出信号，依据各种变量的逻辑关系，编制PLC控制程序。在设计PLC程序时，建议对程序中加入注释和说明，以方便程序的修改和移植。进行软件编程时，必要时还应该优化程序。

（7）现场联机调试

PLC控制系统的功能能不能满足控制要求，需要经过工业控制现场的检验才能得出结论。如果经过现场检验，发现控制功能有错误或者不能满足指标的，需要修改程序，特殊情况下可能还需要修改硬件设计，直至系统能够满足控制要求，安全、可靠、正常运行。

（8）保存程序，编制有关技术文件

如果控制系统通过了试运行期的检验，已经正常工作，接下来的工作就是需要保存程序，将整个控制系统的控制要求、I/O分配、硬件设计、软件设计都整理成册，作为资料保存，以便于控制系统日后维修、保养、改造。

典型的PLC控制系统设计流程图如图1-1所示。

图1-1 PLC控制系统设计流程

1-3 PLC、触摸屏等设备选型方法

在可编程序控制器作为控制核心的工程项目中，系统的硬件配置和选型是十分重要的工作，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

1-3-1 动力驱动设备选型依据

（1）根据系统要求确定负载类型

无论何种控制系统，其控制对象都可以分为数字量控制和模拟量控制两种。数字量控制只是一些离散型的控制对象，只需要控制某些设备（或部件）通电和断电即可，一般需要注意其相互的逻辑顺序以及逻辑联锁即可；模拟量控制对象比较复杂，一般常用来控制温度、流量、压力、液位、速度等连续变化的对象。

（2）根据负载类型及控制精度选择驱动装置

模拟量控制系统中，要根据控制对象的不同，选择合适的检测装置（传感器）、驱动装置。有时候，对于同一个控制量，可能要求的精度不同，所能选择的驱动装置也有限制。

（3）根据驱动装置要求选择控制设备

驱动装置需要由PLC和其他相关设备进行控制，所需要的控制信号可以分为以下几个类型：数字量控制、模拟量控制、通讯数据控制。

一般说来，数字量控制比较简单，但是控制精度差，并且不能够产生连续控制作用。模拟量控制稍微复杂一些，但是可以实现连续控制（例如温度、流量、压力、液位、速度等）。通讯数据控制控制精度最高，但是成本较高，有时候可能需要增添额外的通讯控制模块。同时，通讯控制有可能产生时间滞后，尤其是在采取异步数据传输的系统中更容易出现。

1-3-2 可编程序控制器选型依据

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量，确定可编程序控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程序控制器和设计相应的控制系统。

（1）物理结构的选择

根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式，整体式每一I/O点的平均价格比模块式的使宜，小型控制系统一般使用整体式可编程序控制器。

模块式可编程序控制器的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数等的选择，比整体式可编程序控制器灵活得多。模块式可编程序控制器还备有多种特殊I/O模块供用户选用，可完成各种特殊的控制任务，在判断故障范围和维修时更换模块等也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般采用模块式可编程序控制器。

系统如有模拟量闭环控制、快速响应、高速计数、通信联网和运动控制等特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的可编程序控制器，也可以选用内置相应功能的整体式可编程序控制器。

（2）指令功能的选择

现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部编程元件(如辅助继电器、定时器和计数器)的个数越来越多，任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求。

如果系统要求完成模拟量与数字量的转换、PID闭环控制、运动控制等工作，可编程序控制器应有算术运算、数据传送等功能，有时甚至要求有开平方、对数运算和浮点数运算等功能。

（3）I/O点数的确定

确定I/O点数时，应准确地统计出被控设备对可编程序控制器输入输出点数的总需求，在此基础上，应留有10％~20％的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。整体式可编程序控制器的基本单元、扩展单元的输入点数和输出点数的比例是固定的，如与系统要求的输人输出点数的比例相差较大，可选用只有输入点或只有输出点的扩展单元或扩展模块。

（4）存储器容量的选择

在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I/O点数乘以8，就是所需的存储器的字数，这—要求一般都能满足。

在只有模拟量输入、没有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量信号作数据传送、数字滤波和比较运算等操作，估算时可为每路模拟量准备l00个存储器字。

在既有模拟量输入又有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量作闭环控制，涉及的运算相当复杂，需要的用户存储器比只有模拟量输入时要多一些，估算时可为每路模拟量准备200个存储器字。

当模拟量路数较少时，应将系数适当增大，反之则应将系数适当减小。程序设计者的编程水平，对所编程序的长度有很大的影响，在考虑存储器容量时，初学者应多留一些余量，有经验者可以少留一些。

在自动测量、自动存储和对系统补偿修正等场合，对存储器的需求量是很大的，有时甚至要求可编程序控制器有十几K字甚至几十K字的存储容量。

在选择可编程序控制器的型号时不应盲目追求过高的性能指标，在I/O点数和存储器容量方面应留有一定的裕量。

（5）尽可能地使可编程序控制器的机型统一

同一企业应尽量使可编程序控制器的机型统一，或者尽可能只使用同—生产厂家的可编程序控制器。这样可以减少备品备件的数量，编程器和编程软件包等可以供多台可编程序控制器公用。使用同一厂家的可编程序控制器也有利于技术力量的培训，便于用户程序的开发和改进。

（6）开关量I/O模块的选择

开关量I/O模块的点数有8点、16点、32点等，点数多的每点平均价格低一些。点数少的I/O模块使用接线端子，点数较多(如32点)的I/O模块的接线一般采用插座方式的接线较为方便。

开关量I/O模块按外部接线方式分为隔离式、分组式和汇点式，隔离式的每点价格较高，

如果信号之间不需要隔离，应选用后两种。

①开关量输入模块输入电压的选择

开关量输人模块的输入电压一般为DC 24V和AC 220V。直流输入电路的延迟时间较短．可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油污、粉尘的恶劣环境下使用。

②开关量输出模块的选择

继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。

晶体管和双向可控硅型输出模块分别用于直流负载和交流负载，他们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等，还应注意同一输出模块对电阻性负载、电感性负载和白炽灯的驱动能力的差异。如某继电器型模块的最高工作电压为AC250V，可驱动2A的电阻性负载、80V A的电感性负载和I00w白炽灯。

1-3-3 HMI设备选型依据

（1）设备功能的选择

（2）设备尺寸的选择

（3）连接方式的选择

1-4 注意事项

第二章西门子FA系统综合应用实例

2-1 电动机启停控制系统综合应用

2-1-1 电动机启动停止基本控制

目标：能够了解S7-300 PLC与触摸屏组态以及变量连接方法

能够了解STEP7软件与WinCC flexible软件联合仿真调试方法

初步了解控制系统规划的内容、步骤和方法

掌握文本、图形的设计与控制

0 项目要求：

（1）有一台三相交流异步电动机，可以用按钮控制，也可以用触摸屏控制

（2）按钮SB1可以实现电动机的点动控制，按钮SB2控制电动机的连续运行，按钮SB3用来控制电动机的停止。

（3）触摸屏用来显示电动机的工作状态（运行与停止）。

1 项目分析与规划：

在本项目中，需要使用按钮来控制PLC程序，进而控制电动机的运行与停止，而PLC 同时要控制触摸屏显示电动机的工作状态，所以项目的控制结构如图2-1所示。

主程序OB1

手动控制程序FC1

连续运行程序FC2

触摸屏显示数据块DB1

（2）触摸屏画面规划

只需要一幅画面

可以用文本的可见性来完成控制效果：电动机启动，隐藏“电动机停止文本”，显示“电动机运行”文本；电动机停止，反之。

可以用图形的不同颜色来完成控制效果：当电动机停止，图形显示一种颜色；当电动机启动，显示另一种颜色。

控制需要的变量，可以使用布尔变量，也可以使用整数变量（在本次练习中选择使用整数变量）

5 系统硬件选择与组态

在本项目中，选择PLC的类型为CPU314C-2DP，该CPU集成的输入输出点可以满足系统要求。触摸屏的型号为TP177B 6” color PN/DP。

（1）新建项目，起名并保存（最好不要包括中文）

双击桌面上的“SIMATIC Manager”图标，启动西门子PLC编程软件。

第一次使用编程软件，会启动Step 7向导，如果不想使用向导进行硬件组态已经编程应用，请选择“取消”。

选择“取消”以后，将进入一个空的项目管理器（SIMATIC Manager）界面。如果以前已经有人使用过Step 7软件，选择“取消”以后将会显示上次打开后没有关闭的项目窗口，你可以点击项目窗口右上角的关闭按钮来关闭它，也可以选择菜单栏中的“文件”→“关闭”来关闭该项目。关闭了该项目以后，同样会进入空的项目管理器（SIMATIC Manager）界面。

在新的项目管理器（SIMATIC Manager）界面中选择“文件”→“新建”（如图所示）

窗口可以看到项目所存储的路径。

新项目的名称输入完成后，点击“确定”，将打开新项目的工作界面。

注意：如果项目文件保存在桌面上，需要新建一个文件夹，最好命名为英文名。

（2）插入S7-300站点以及HMI站点等

在新项目的工作界面中，选中新项目，点击右键，选择“插入新对象”，然后选择“SIMATIC

300站点”，将会在该项目中插入一个SIMATIC 300站点。

color PN/DP触摸屏在“Panels”下“170”系列中可以找到。

如果项目中还有其它的设备，利用这样的方法，可以全部集成到项目中。

（3）设置S7-300 CPU型号，规划S7-300硬件系统

将鼠标移到SIMATIC 300站点的图标上，双击，可以打开SIMATIC 300站点的配置窗口，选择硬件图标并双击，可以打开SIMATIC 300硬件配置（HW Config）窗口。

选择右边硬件选项中的SIMATIC 300前面的“+”号，可以展开SIMATIC 300站点的可选项，继续选择其子项RACK-300，点击“+”号展开该子项，双击其中的Rail，为SIMATIC 300站点插入一个底板。

在该底板上有11个插槽位置，其中第一个插槽只能插入电源模块。如果使用西门子为SIMATIC硬件提供的专用电源模块，可以选中第一个插槽位置，然后选择SIMATIC选项中的PS-300子项，点击“+”号展开该子项，然后从中选择对应的电源模块并双击，将电源模块插入对应的底板插槽。如果不使用西门子为SIMA TIC提供的电源模块，而是使用其它外

置电源，请将该模块空置（*如果不知道自己使用的电源模块形式，请空置该插槽）。

底板上第二个插槽需要插入CPU模块，选中第二个插槽位置，然后选择SIMATIC选项中的CPU-300子项，点击“+”号展开该子项，然后从中选择对应的CPU模块（*我们使用的CPU模块是CPU-314C-2DP，订货号为6ES7 314-6CG03-0AB0，版本号为V2.6）并双击。如果该CPU模块自带PROFIBUS接口，将会打开接口属性设置对话框，如果不利用该PLC

的PROFIBUS接口作为通讯应用，直接点击“确定”即可。

将该窗口中的界面分割线进行拖动，可以使各种信息更加直观呈现。

124-126（3通道，24点，对应输入为I124.0-I124.7，I125.0-I125.7，I126.0-I126.7），输出为

124-125（2通道，16点，对应输出为Q124.0-Q124.7，Q125.0-Q125.7）。如果觉得不习惯，可以自行修改。

双击模块中的DI24/DO16行，打开该子模块的属性页，选择其中的“地址”标签，将“系统默认”前面的勾去掉，然后在上面的“开始”输入框中输入自己想要的通道名称（一般习惯从0开始）。输入和输出都修改完毕后，点击“确定”。

可以看到，输入和输出的地址变成了0-2和0-1。CPU模块中的AI5/AO2子模块，计数子模块，定位子模块地址都是可以修改的。

地址修改完毕后，基本的硬件组态已经完成了，选择菜单栏中的“站点”→“保存并编译”选项或直接点击“保存并编译”图标，将该硬件组态进行保存（如果弹出来对话框选项，直接选择“确定”）即可，然后关闭该窗口。

（4）系统网络规划与组态

在SIMATIC Manager中选中项目名称，可以看到MPI文字和图标。

双击MPI图标，打开“NetPro（网络组态）”窗口。

现在网络中有一个MPI网络总线，有两个设备，分别为SIMA TIC300和SIMATIC HMI 站，但是相互之间没有连接。首先将SIMATIC 300设备连接到MPI网络上。

在此界面上常用有两种方法：将鼠标按住红色方块直接拖动，连接到MPI站点；或者

双击红色方块，然后选择MPI，然后点击确定即可。

MPI网络连接完成后，如下图所示。

双击DP模块下的紫色方块，打开PROFIBUS接口设置窗口。