SIMATIC S7-1500与TIA 博途软件使用指南 第3版

SIMATIC S7-1500 PLC自动化系统集成大量的新功能和新特性,具有卓越的性能和出色的可用性。借助于西门子新一代框架结构的TIA博途软件,可在统一开放环境下组态开放PLC、人机界面和驱动系统等。统一的数据库使各个系统之间可以轻松快速地进行互连互通,真正达到了控制系统的全集成自动化。 本书以TIA 博途软件V18为基础,介绍了SIMATIC S7-1500产品的硬件、软件的最新功能和应用,例如SIMATIC S7-1500R/H冗余系统、PLCSIM Advanced 仿真器的使用和编程接口、访问保护、团队编程和调试功能、SiVArc自动生成HMI画面功能和ProDiag带有程序显示的报警功能,使工程项目的开发和调试更加方便和快捷。 本书还介绍了FB、FC的应用,新指针与原有SIMATIC S7-300/400PLC指针应用的对比及优势,基于Web的诊断方式等。对读者关心的程序标准化问题以及将SIMATIC S7-300/400 PLC程序移植到SIMATIC S7-1500 PLC 中容易遇到的问题做了详细的分析,使移植不再困难。 本书介绍的软件请关注“机工电气”微信公众号,输入本书ISBN下载或联系工作人员索取。 本书适合自动化工程技术人员和大专院校相关专业的师生阅读。

本书的主编崔坚先生、副主编赵欣先生、编委聂金龙先生、王广辉先生、张鹏飞先生、胡甲宁先生、刘宁宁女士、刘胜玉先生

目录/Contents 序 前言 第1章　TIA博途软件1 1.1　TIA博途软件简介1 1.2　TIA博途软件的构成1 1.2.1　TIA 博途 STEP 7工程组态软件2 1.2.2　TIA 博途 STEP 7工程组态系统的选件2 1.2.3　TIA 博途 WinCC可视化组态软件2 1.2.4　TIA 博途 WinCC工程组态系统和运行系统的选件3 1.2.5　TIA 博途 WinCC Unified3 1.2.6　TIA 博途 WinCC Unified的选件4 1.3　TIA博途软件的安装5 1.3.1　硬件的要求5 1.3.2　支持的操作系统5 1.3.3　安装步骤5 1.4　TIA博途软件的卸载9 1.5　授权管理功能10 1.5.1　授权的种类10 1.5.2　授权管理器（ALM）10 1.5.3　安装许可证密钥11 1.6　TIA博途软件的特性12 第2章　TIA博途软件平台支持新一代PLC产品15 2.1　完整的PLC产品线全面满足用户需求15 2.2　全新分布式和PC-Based自动化解决方案18 2.2.1　集成功能安全和信息安全18 2.2.2　高效的开发环境18 第3章　SIMATIC S7-1500 PLC控制系统的硬件组成19 3.1　负载电源（PM）与系统电源（PS）19 3.1.1　负载电源（PM）19 3.1.2　系统电源（PS）19 3.1.3　系统电源选择示例19 3.1.4　查看功率分配的详细信息22 3.1.5　系统中如何选择PM和PS22 3.2　SIMATIC S7-1500 CPU23 3.2.1　SIMATIC S7-1500 CPU 简介23 3.2.2　SIMATIC S7-1500 CPU操作模式23 3.2.3　SIMATIC S7-1500 CPU的存储器24 3.2.4　SIMATIC S7-1500 CPU过程映像区的功能28 3.3　SIMATIC S7-1500 CPU显示屏（Display）30 3.4　信号模块32 3.4.1　模块特性的分类32 3.4.2　模块宽度的划分33 3.4.3　数字量输入模块33 3.4.4　数字量输出模块34 3.4.5　数字量输入/输出模块36 3.4.6　模拟量输入模块37 3.4.7　模拟量输出模块45 3.4.8　模拟量输入/输出模块48 3.4.9　模块的选择48 3.5　通信模块49 3.5.1　点对点通信模块49 3.5.2　IO-Link主站模块50 3.5.3　PROFIBUS通信模块51 3.5.4　PROFINET/ETHERNET通信模块51 3.6　工艺模块52 第4章　SIMATIC S7-1500硬件配置53 4.1　配置一个SIMATIC S7-1500站点53 4.1.1　添加一个SIMATIC S7-1500新设备53 4.1.2　配置SIMATIC S7-1500的中央机架55 4.1.3　使用自动检测功能配置SIMATIC S7-1500中央机架57 4.2　CPU参数配置58 4.2.1　常规58 4.2.2　PROFINET接口[X1]58 4.2.3　DP接口[X3]66 4.2.4　启动66 4.2.5　循环67 4.2.6　通信负载68 4.2.7　系统和时钟存储器68 4.2.8　SIMATIC 存储卡69 4.2.9　系统诊断69 4.2.10　PLC报警70 4.2.11　Web 服务器70 4.2.12　显示73 4.2.13　支持多语言74 4.2.14　时间74 4.2.15　防护与安全75 4.2.16　OPC UA80 4.2.17　系统电源80 4.2.18　高级组态80 4.2.19　连接资源84 4.2.20　地址总览86 4.2.21　运行系统许可证87 4.3　SIMATIC S7-1500 I/O参数88 4.3.1　数字量输入模块的参数配置88 4.3.2　数字量输出模块的参数配置93 4.3.3　模拟量输入模块的参数配置94 4.3.4　模拟量输出模块的参数配置97 第5章　数据类型与地址区99 5.1　SIMATIC S7-1500 PLC的数据类型99 5.1.1　基本数据类型99 5.1.2　PLC数据类型108 5.1.3　参数类型109 5.1.4　系统数据类型109 5.1.5　硬件数据类型110 5.2　SIMATIC S7-1500 PLC的地址区112 5.2.1　CPU的地址区的划分及寻址方法112 5.2.2　建议使用的地址区117 5.2.3　全局变量与局部变量117 5.2.4　全局常量与局部常量117 第6章　SIMATIC S7-1500 PLC的编程指令119 6.1　指令的处理120 6.1.1　LAD指令的处理120 6.1.2　立即读与立即写121 6.2　基本指令122 6.2.1　位逻辑运算指令122 6.2.2　定时器指令123 6.2.3　计数器指令124 6.2.4　比较器指令124 6.2.5　数学函数指令125 6.2.6　移动操作指令126 6.2.7　转换指令127 6.2.8　程序控制操作指令127 6.2.9　字逻辑运算指令128 6.2.10　移位和循环移位指令129 6.2.11　原有指令130 6.3　扩展指令130 6.3.1　日期与时间指令130 6.3.2　字符串与字符指令130 6.3.3　过程映像指令131 6.3.4　分布式I/O指令131 6.3.5　PROFIenergy指令132 6.3.6　模块参数化分配指令133 6.3.7　中断指令133 6.3.8　报警指令133 6.3.9　诊断指令134 6.3.10　配方和数据记录指令134 6.3.11　数据块控制指令135 6.3.12　寻址指令135 6.3.13　文件处理指令135 6.3.14　冗余系统指令135 6.3.15　故障安全扩展指令136 6.4　工艺指令136 6.4.1　高速计数、测量和凸轮指令136 6.4.2　PID 控制指令136 6.4.3　运动控制指令137 6.4.4　SINAMICS 运动控制指令137 6.4.5　基于时间的I/O模块控制指令137 6.5　通信指令138 第7章　程序块141 7.1　用户程序中的程序块141 7.1.1　组织块与程序结构142 7.1.2　用户程序的分层调用143 7.2　优化与非优化访问144 7.3　组织块（OB）146 7.3.1　组织块的启动信息146 7.3.2　组织块的类型与优先级147 7.3.3　CPU的过载特性152 7.3.4　组织块的本地数据区堆栈（L堆栈）153 7.3.5　组织块的接口区154 7.4　函数（FC）154 7.4.1　函数的接口区155 7.4.2　无形参函数（子程序功能）156 7.4.3　带有形参的函数157 7.4.4　函数嵌套调用时允许参数传递的数据类型158 7.5　函数块（FB）160 7.5.1　函数块的接口区160 7.5.2　函数块与实例化数据块161 7.5.3　函数块嵌套调用时允许参数传递的数据类型164 7.6　数据块（DB）165 7.6.1　全局数据块（Global DB）166 7.6.2　实例化数据块167 7.6.3　系统数据类型作为全局数据块的模板168 7.6.4　通过PLC 数据类型创建DB169 7.6.5　数组DB169 7.7　块调用时的参数传递171 7.8　FC、FB选择的探讨173 第8章　声明PLC变量174 8.1　PLC 变量表的结构174 8.2　声明PLC 变量的几种方式175 8.3　声明PLC 变量的类型176 第9章　指针数据类型的使用178 9.1　Pointer数据类型指针178 9.2　Any数据类型指针182 9.3　Variant数据类型指针184 9.3.1　Variant与PLC数据类型185 9.3.2　Variant与数组DB187 9.3.3　Variant与数组189 9.4　引用（References）191 9.4.1　引用声明191 9.4.2　引用与解引用192 9.4.3　引用与Variant194 第10章　SIMATIC S7-1500 PLC的通信功能196 10.1　网络概述196 10.2　网络及通信服务的转变197 10.2.1　从PROFIBUS到PROFINET的转变197 10.2.2　MPI接口被淘汰199 10.2.3　基于PROFIBUS通信服务的变化199 10.3　工业以太网与PROFINET199 10.3.1　工业以太网通信介质199 10.3.2　工业以太网拓扑结构200 10.3.3　SIMATIC S7-1500 系统以太网接口200 10.3.4　SIMATIC S7-1500 PLC以太网接口支持的通信服务201 10.3.5　SIMATIC S7-1500 OUC 通信示例204 10.3.6　SIMATIC S7-1500 S7通信214 10.3.7　SIMATIC S7-1500 S7路由通信功能226 10.3.8　SIMATIC S7-1500IP转发功能228 10.3.9　配置PROFINET IO RT设备229 10.3.10　无需存储介质更换 IO 设备233 10.3.11　允许覆盖 PROFINET 设备名称模式236 10.3.12　按网段自动分配IP地址和设备名称237 10.3.13　网络拓扑功能与配置239 10.3.14　MRP介质冗余241 10.3.15　I-Device智能设备的配置242 10.3.16　配置PROFINET IO IRT设备246 10.3.17　MODBUS TCP250 10.4　SIMATIC S7-1500 PLC与HMI通信256 10.4.1　SIMATIC S7-1500 PLC与HMI在相同项目中通信256 10.4.2　使用PLC代理与HMI通信258 10.4.3　使用SIMATIC NET OPC 连接SIMATIC S7-1500 PLC259 10.5　SIMATIC S7-1500的安全通信263 10.5.1　安全通信的通用原则263 10.5.2　安全通信的加密方式264 10.5.3　通过签名确保数据的真实性和完整性265 10.5.4　使用HTTPS访问CPU Web服务器的安全通信265 10.5.5　SIMATIC S7-1500 CPU安全的开放式用户通信269 10.5.6　SIMATIC S7-1500 CPU与PG/HMI间的安全通信273 10.6　SIMATIC S7-1500 OPC UA通信功能276 10.6.1　SIMATIC S7-1500 CPU OPC UA服务器访问数据的方式276 10.6.2　SIMATIC S7-1500 CPU OPC UA服务器变量的设置277 10.6.3　非安全通信方式访问SIMATIC S7-1500 OPC UA服务器278 10.6.4　SIMATIC S7-1500 OPC UA证书的传递方式283 10.6.5　安全通信方式访问SIMATIC S7-1500 OPC UA服务器—硬件下载方式284 10.6.6　安全通信方式访问SIMATIC S7-1500 OPC UA服务器—GDS推送方式287 10.6.7　SIMATIC S7-1500 OPC UA服务器性能测试293 10.6.8　SIMATIC S7-1500 OPC UA服务器方法的调用294 10.6.9　SIMATIC S7-1500 OPC UA 报警与条件（Alarms & Conditions）298 10.6.10　SIMATIC S7-1500 OPC UA服务器接口301 10.6.11　SIMATIC S7-1500 OPC UA客户端接口306 10.7　串行通信309 10.7.1　SIMATIC S7-1500/ET200MP串行通信模块的类型309 10.7.2　串行通信接口类型及连接方式310 10.7.3　自由口协议参数设置313 10.7.4　串行通信模块的通信函数317 10.7.5　自由口协议通信示例318 10.7.6　MODBUS RTU通信协议319 第11章　SIMATIC S7-1500组态控制功能326 11.1　组态控制的原理326 11.2　软件、硬件要求以及使用范围327 11.3　SIMATIC S7-1500硬件配置的数据记录格式327 11.4　SIMATIC S7-1500中央机架I/O 模块组态控制示例328 11.5　分布式站点上I/O 模块的组态控制330 11.5.1　分布式站点I/O 模块组态控制数据记录结构330 11.5.2　分布式IO站点的硬件标识符 （hwID）330 11.6　PROFINET IO系统的组态控制332 11.6.1　软硬件要求332 11.6.2　IO系统组态控制的数据格式332 11.6.3　IO系统的组态控制示例333 第12章　SIMATIC S7-1500 PLC的PID功能337 12.1　控制原理337 12.1.1　受控系统337 12.1.2　受控系统的特征值338 12.1.3　执行器339 12.1.4　不同类型控制器的响应339 12.2　SIMATIC S7-1500 PLC支持的PID指令340 12.2.1　Compact PID 指令集340 12.2.2　辅助功能指令341 12.2.3　PID 控制器的串级控制342 12.3　PID_Compact指令的调用与PID调试示例342 12.3.1　组态PID_Compact 工艺对象342 12.3.2　调用指令PID_Compact 346 12.3.3　调试PID348 第13章　SIMATIC S7-1500 PLC的工艺及特殊功能模块351 13.1　工艺模块351 13.2　工艺对象351 13.3　计数模块和位置检测模块的分类和性能352 13.4　TM Count模块和TM PosInput模块通过工艺对象（TO）实现计数和测量353 13.5　使用TM PosInput模块连接SSI绝对值编码器360 13.6　带计数功能的DI模块362 13.7　Time-based IO 模板365 13.7.1　功能描述365 13.7.2　Time-based IO 时间控制功能举例366 第14章　SIMATIC S7-1500 PLC的诊断功能374 14.1　SIMATIC S7-1500 PLC诊断功能介绍374 14.2　通过LED状态指示灯实现诊断375 14.3　通过PG/PC实现诊断376 14.4　在HMI上通过调用系统诊断控件实现诊断378 14.5　通过SIMATIC S7-1500 CPU自带的显示屏实现诊断379 14.6　通过诊断指令实现诊断379 14.7　通过模块自带诊断功能进行诊断383 14.8　通过模块的值状态功能实现诊断384 14.9　通过PROGRAM_ALARM发送报警信息386 14.10　使用ProDiag进行诊断389 14.10.1　ProDiag的许可证389 14.10.2　ProDiag 监控的类型390 14.10.3　ProDiag 监控的设置391 14.10.4　ProDiag 变量监控的示例393 14.11　通过SIMATIC S7-1500的Web服务器功能实现诊断402 第15章　访问保护409 15.1　使用UMC与UMAC保护项目的访问409 15.1.1　UMC与UMAC介绍409 15.1.2　UMC系统架构与PC的角色410 15.1.3　UMC用户角色411 15.1.4　UMC 授权和软件安装411 15.1.5　创建UMC环服务器411 15.1.6　配置UMC环服务器的Web服务器413 15.1.7　使用Web UI添加全局用户414 15.1.8　配置UMC代理或者服务器415 15.1.9　设置应用权限（UMAC）415 15.2　CPU在线访问保护417 15.3　CPU Web服务器的访问保护418 15.4　CPU 自带显示屏的访问保护418 15.5　PLC程序块的访问保护419 15.6　绑定程序块到CPU序列号或SMC卡序列号419 15.7　通过带安全功能的CP 1543-1以太网模块保护421 15.7.1　通过CP 1543-1的防火墙功能实现访问保护421 15.7.2　通过CP 1543-1的IPSec VPN功能实现访问保护422 第16章　程序调试424 16.1　程序信息424 16.1.1　调用结构424 16.1.2　从属性结构425 16.1.3　分配列表425 16.1.4　程序资源426 16.2　交叉引用427 16.3　程序的下载、上传、复位操作428 16.3.1　设置SIMATIC S7-1500 CPU的IP地址428 16.3.2　下载程序到CPU429 16.3.3　下载程序到SIMATIC 存储卡SMC431 16.3.4　SIMATIC S7-1500的一致性下载特性433 16.3.5　SIMATIC S7-1500程序的上传433 16.3.6　SIMATIC S7-1500 CPU存储器复位435 16.3.7　删除SIMATIC S7-1500 CPU中的程序块435 16.4　数据块的操作435 16.4.1　下载但不重新初始化功能435 16.4.2　SIMATIC S7-1500 数据块的快照功能437 16.4.3　SIMATIC S7-1500 数据块的数据传递437 16.5　SIMATIC S7-1500的路由编程功能438 16.6　比较功能440 16.6.1　离线/在线比较440 16.6.2　离线/离线比较441 16.7　使用程序编辑器调试程序442 16.7.1　调试LAD/FBD程序442 16.7.2　调试STL程序443 16.7.3　调试SCL程序444 16.7.4　调用环境功能445 16.8　使用监控与强制表进行调试446 16.8.1　创建监控表并添加变量446 16.8.2　变量的监控和修改447 16.8.3　强制变量448 16.9　硬件诊断449 16.9.1　硬件的诊断图标449 16.9.2　模块的在线与诊断功能450 16.9.3　更新硬件固件版本451 16.10　使用仿真软件测试SIMATIC S7-1500453 16.10.1　S7-PLCSIM Advanced V18与S7-PLCSIM V5.0453 16.10.2　启动S7-PLCSIM仿真器455 16.10.3　仿真实例的操作模式458 16.10.4　SIM视图459 16.10.5　S7-PLCSIM Advanced功能介绍461 16.10.6　仿真实例的通信路径462 16.10.7　TCP/IP分布式单网络适配器通信路径设置示例464 16.10.8　创建虚拟PLC实例465 16.10.9　程序下载到仿真实例467 16.10.10　S7-PLCSIM Advanced 的API接口468 16.11　使用轨迹跟踪变量471 16.11.1　配置轨迹471 16.11.2　轨迹的操作473 16.11.3　长期轨迹475 16.11.4　项目轨迹476 16.11.5　使用Web浏览器查看轨迹477 16.12　使用测试套件验证程序478 16.12.1　格式准则检测功能479 16.12.2　应用测试功能480 16.12.3　系统测试功能483 第17章　团队工程485 17.1　团队工程的解决方案485 17.2　多用户项目的部署及功能486 17.3　多用户功能的许可证管理488 17.4　使用多用户功能进行工程组态488 17.4.1　创建用户账户489 17.4.2　安装多用户服务器489 17.4.3　在多用户服务器中添加用户账户491 17.4.4　添加与多用户项目服务器的连接493 17.4.5　上传多用户项目到服务器493 17.4.6　创建本地会话495 17.4.7　本地会话的操作497 17.4.8　多用户项目管理500 17.5　单用户项目的联合调试功能501 17.5.1　CPU同步下载方式501 17.5.2　使用软件单元调试程序503 17.6　服务器项目的联合调试功能505 17.7　导出服务器项目作为单用户项目507 17.8　版本控制接口VCI507 17.8.1　GIT功能简介508 17.8.2　TIA博途VCI所需的软件508 17.8.3　创建远程仓库和本地仓库509 17.8.4　在TIA博途软件中配置VCI 510 17.8.5　复制本地项目到工作区511 17.8.6　工作区文件的操作512 第18章　浅谈PLC的标准化建设515 18.1　标准化建设的工作流程515 18.2　标准化的好处516 18.3　PLC硬件的标准化516 18.4　PLC软件的标准化517 18.4.1　分配符号名称517 18.4.2　符号表层级化518 18.4.3　控制对象的拆分519 18.4.4　程序块接口的定义520 18.4.5　编程语言的选择521 18.4.6　程序的层级化和调用顺序522 18.4.7　数据的存储523 18.5　库功能523 18.5.1　库的基本信息523 18.5.2　项目库类型的使用524 18.5.3　项目库模板副本的使用525 18.5.4　全局库的使用526 18.5.5　企业库功能527 18.5.6　使用多用户软件管理库529 18.6　用户自定义帮助530 18.7　SiVArc533 18.7.1　SiVArc的应用534 18.7.2　SiVArc对PLC程序架构的要求534 18.7.3　使用SiVArc生成HMI示例535 18.7.4　变量规则示例540 18.7.5　布局的示例542 18.8　TIA博途软件Openness简介543 第19章　SIMATIC S7-1500R/H冗余系统545 19.1　SIMATIC S7-1500 R/H冗余系统简介545 19.2　SIMATIC S7-1500R和SIMATIC S7-1500H的区别545 19.3　SIMATIC S7-1500R/H同步机制546 19.4　SIMATIC S7-1500 R/H 连接 I/O的方式547 19.4.1　PN IO设备的几种类型547 19.4.2　S2模式的PN IO设备548 19.4.3　R1模式的PN IO设备549 19.4.4　SIMATIC S7-1500R/H连接S1/S2模式PN IO设备550 19.4.5　SIMATIC S7-1500H连接R1模式PN IO 设备557 19.5　SIMATIC S7-1500R/H系统的故障响应560 19.5.1　SIMATIC S7-1500R/H系统通用的故障响应561 19.5.2　SIMATIC S7-1500R特有的故障响应563 19.5.3　SIMATIC S7-1500H特有的故障响应564 19.6　SIMATIC S7-1500 R/H的编程与调试567 19.6.1　SIMATIC S7-1500R/H可用的指令567 19.6.2　SIMATIC S7-1500R/H的特殊指令和OB568 19.6.3　SIMATIC S7-1500R/H程序的下载570 19.6.4　SIMATIC S7-1500R/H的系统状态571 19.7　SIMATIC S7-1500 R/H的通信功能573 19.7.1　SIMATIC S7-1500R/H切换通信系统的IP地址573 19.7.2　SIMATIC S7-1500R/H支持的通信功能574 19.7.3　SIMATIC S7-1500R/H与标准CPU的OUC 和S7通信575 19.7.4　SIMATIC S7-1500R/H与标准CPU通过PN/PN耦合器通信575 19.7.5　SIMATIC S7-1500R/H使用系统IP与HMI通信576 第20章　打印和归档程序578 20.1　打印简介578 20.1.1　打印设置579 20.1.2　框架和封面580 20.1.3　文档信息582 20.1.4　打印预览582 20.2　程序归档简介582 20.2.1　程序归档的方式583 20.2.2　打开归档项目583 第21章　移植SIMATIC S7-300/400项目到SIMATIC S7-1500584 21.1　SIMATIC S7-300/400项目移植到SIMATIC S7-1500 简介584 21.2　移植SIMATIC S7-300/400项目的限制584 21.2.1　硬件限制584 21.2.2　功能限制585 21.2.3　集成项目的注意事项585 21.3　项目移植的前期准备工作585 21.4　在STEP 7 V5.7中对原项目进行检查586 21.5　移植STEP 7 V5.7SP1的SIMATIC S7-300/400项目到TIA博途软件587 21.6　移植TIA博途软件中的SIMATIC S7-300/400项目到SIMATIC S7-1500588 21.7　移植应注意的问题589 21.7.1　组织块与系统函数/函数块的移植590 21.7.2　数据类型不匹配592 21.7.3　无效浮点数的处理593 21.7.4　诊断地址的变化593 21.7.5　函数块参数的自动初始化593 21.7.6　系统状态信息的查询594 21.7.7　SIMATIC S7-300、SIMATIC S7-1500 CPU与HMI通信的差异594 21.7.8　Any指针的移植596 21.7.9　逻辑运算顺序和跳转597 21.7.10　累加器以及相关指令的移植598 21.7.11　编程语言转换时累加器值的传递598 21.7.12　块调用时状态字信息的传递599